汽車四輪定位參數尺寸鏈分析及穩健性優化

白燕超，邵子龍

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汽車四輪定位參數尺寸鏈分析及穩健性優化

白燕超，邵子龍

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

隨著多連桿后獨立懸架在汽車上越來越多的應用，后懸的四輪定位參數的控制和實現變得越來越復雜。作為汽車底盤的關鍵參數，四輪定位參數控制不當將嚴重影響汽車的操控和行駛性能。文章采用3DCS偏差分析軟件對四連桿后懸架進行三維尺寸鏈分析建模，對于后懸四輪定位參數、控制臂間的耦合性進行了分析，同時探索了控制臂調節量安全性校核方法，為產品設計、制造及質量控制提供了參考。

多連桿后懸架；四輪定位；調節量；尺寸鏈；3DCS

引言

隨著汽車技術的快速發展和人們對汽車乘坐舒適性、操控性要求的提高，后獨立懸架在汽車上得到了越來越多的應用, 因此汽車底盤的前輪定位已經演變成現在的四輪定位，即除了前轉向輪定位外，還具有后輪外傾、前束等定位參數[1-2]。

汽車四輪定位參數主要有主銷內傾角、主銷后傾角、前輪前束角、前輪外傾角、后輪前束角及后輪外傾角等。四輪定位參數是整車性能的關鍵參數，若設計或調教不當，會引起汽車跑偏、輪胎異常磨損及轉向顫振等問題。因此合理的四輪定位參數是保證車輛具有良好的操控穩定性、燃油經濟性、安全性的重要前提[3-4]。目前前輪定位參數的研究已經比較充分，但對于采用多連桿獨立后懸架車型的后輪定位參數研究不多。

本文基于本公司全新開發的一款中型SUV車型，通過3DCS仿真軟件對四連桿后懸架進行了三維尺寸鏈分析，對控制臂間影響定位參數的耦合性進行了研究分析，對后懸架控制臂調節量安全性進行了校核和優化，為后期的制造實現和質量控制提供了理論依據。

1 后輪定位參數與控制要求

1.1 后輪定位參數

后輪定位參數主要有后輪前束角和后輪外傾角。如圖1所示，后輪前束角主要指左右輪向車輛中心線內束的角度，即常說的“內八字”，主要為了保證汽車直線行駛的穩定性，減少后輪在行駛中的側滑及輪胎異常磨損。如圖2所示，后輪外傾角即空載時后輪向外傾斜的角度，承載后垂直于路面，以提高操控穩定性和減少輪胎異常磨損。

圖1 前束角示意圖

圖2 外傾角示意圖

1.2 后輪定位參數控制要求

綜合考慮后懸結構形式、整車配重及負載、制造能力、整車操控性、轉向性能等要求，計算出該車型的后懸定位參數作為整車技術要求的一部分，如圖3所示。

圖3 后輪定位參數控制要求

2 后懸尺寸鏈建模與分析

本車型為四連桿后懸架，零件的結構及尺寸變化所產生的幾何形狀變動情況較為復雜，且測量的目標值均為幾何空間內的角度值，屬于復雜接口，只有使用三維公差分析方法進行建模才能準確的模擬底盤裝配過程及角度波動[5]。3DCS是進行尺寸鏈分析的專業軟件，通過蒙特卡洛方法進行從零部件到整車的尺寸鏈裝配模擬分析，在汽車行業有著廣泛的應用。

2.1 后懸架尺寸鏈建模過程

為確保尺寸鏈分析的準確性，三維模型的搭建需完全與實際裝配工藝保持一致，后懸架的裝配工藝如圖4所示。建模分為以下幾個步驟：1）建裝配“MOVE”，將相應的零部件和工裝根據實際的裝配工藝裝配起來；2）賦公差，按照零件圖紙和工裝精度要求賦予相應的特征公差；3）建測量，對分析目標建立測量關系并設定目標公差，根據前束和外傾的幾何定義分別建立前束和外傾的測量點并設定目標要求公差。

圖4 后懸裝配工藝流程圖

在底盤建模過程中，根據零件的裝配特性選用相應類型的裝配“MOVE”來進行裝配。對于后懸的連桿多采用兩點裝配，而避震彈簧等彈性件的裝配多采用“Match Move”來模擬避震彈簧對后懸定位參數的影響。采用合適的裝配才能保證尺寸鏈模型更加契合實際的底盤狀態。

圖5 Match Move示意圖

2.2 結果分析及方案優化

在3DCS軟件中完成后懸模型的搭建后，對后輪前束角和外傾角進行尺寸鏈計算，分析結果如圖6所示，前束角6σ值為±0.88°，超差55.77%；外傾角6σ值為±0.65°，超差2.1%。

圖6 后輪前束角/外傾角尺寸鏈計算結果

從分析結果可知，后懸經正常裝配后，前束角和外傾角超差率過高，目前結構不能滿足定位參數控制要求，需要對后懸進行優化。考慮懸架設計的復雜性，如果對后懸結構進行更改，風險過大，周期過長；如果縮小懸架零件公差，會帶來成本的大幅增加，綜合評估皆不可行。進一步考慮對前束角和外傾角影響較大的控制臂連接點增加調節螺栓，在后懸正常裝車后，制造部門通過調節控制臂的調節螺栓實現后懸定位參數的控制要求，但控制臂如何調節和調節量是否滿足制造要求需進一步分析校核。

3 后懸控制臂調節量校核和優化

3.1 后懸控制臂調節策略分析

對于四連桿后懸架來說，影響后懸定位參數的控制臂有后下控制臂、后上控制臂和前束臂，如圖7所示。

圖7 四連桿后懸圖示

通過幾何分析發現，單個控制臂的調整會同時影響到前束角與外傾角。基于M12的螺栓和直徑20孔的設計調節量，假設三個控制臂均可調。三個控制臂分別調節對前束角和外傾角的影響量和影響占比如圖8所示。

圖8 控制臂調節對后輪定位參數影響

前束臂調節對前束角和外傾角的影響占比均較大，耦合度較高，如果對前束臂進行調節則會對前束角和外傾角均帶來較大波動，調節線性差，不利于前束角和外傾角控制要求的實現。后下控制臂調節對前束角影響占比較大而對外傾角影響占比較小，對前束角的調節線性較好。而后上控制臂調節對外傾角影響占比較大而對前束角影響占比較小，對外傾角的調節線性較好。同時考慮零件成本和制造工廠調節便利性，最終確定前束臂不調節，后下控制臂調節保證前束角控制要求，后上控制臂調節保證外傾角控制要求。

3.2 控制臂調節量安全性校核

為了分析控制臂調節量的安全性，我們需要引入安全系數的概念。即前束角和外傾角的理論可調節量與尺寸鏈分析6σ值的比值。該安全系數應不小于1，同時考慮制造工廠的要求和系統設計穩健性要求，設定安全系數為1.33。

要計算安全系數，需將控制臂的調節量轉化為后懸定位參數的波動量。而控制臂的調節量計算公式如下：

其中：

Δ：控制臂調節量

D：副車架上控制臂安裝孔直徑

M：調節螺栓直徑

P：控制臂套管垂直度公差

C：副車架上控制臂安裝孔同軸度公差

基于目前結構設計，副車架上控制臂安裝孔直徑為20mm，同軸度要求為0.8mm，調節螺栓為M12，控制臂上套管垂直度要求為0.8mm，帶入公式計算可得控制臂的實際可調節量為±3.2mm。在CATIA軟件中分別將后上控制臂和后下控制臂±3.2mm的調節量通過幾何關系轉化為前束角和外傾角的變化，計算結果如圖8所示，即后下控制臂±3.2mm的調節會導致前束角±1.14°的變化和外傾角±0.14°的變化；后上控制臂±3.2mm的調節會導致前束角±0.08°的變化和外傾角±0.87°的變化。

考慮后上控制臂和后下控制臂的調節對前束角和外傾角均有影響，存在一定的耦合關系，在進行后上控制臂和后下控制臂調節量安全性校核時，必須減除該耦合度影響。計算公式及結果如圖9所示。前束角的理論可調節量為±1.08°，安全系數為1.23；外傾角的實際可調節量為±0.76°，安全系數為1.13。目前后上下控制臂調節量均不滿足前束角和外傾角調節安全系數1.33的要求。

圖9 安全系數校核計算

3.3 控制臂調節量優化

目前M12螺栓配直徑20mm孔的設計，后上下控制臂的調節量均不滿足前束角和外傾角調節安全系數的要求，需要對當前設計優化，如進一步放大調節量。對調節螺栓重新選型，并將副車架上控制臂的安裝孔直徑放大到22mm，重新計算上下控制臂調節量并轉化成對前束角和外傾角的影響量，計算結果如圖10所示。

圖10 控制臂調節對前束角和外傾角影響量

前束角和外傾角安全系數如圖11所示，前束角安全系數為1.53，外傾角的安全系數為1.68，均滿足要求。

圖11 優化方案安全系數校核計算

4 實車驗證

基于本文對后懸的優化結果和控制方案，收集了近期的5臺實車數據，如下圖所示，通過調節后懸上下控制臂，5臺車的前束角和外傾角均能滿足四輪定位參數控制要求，驗證了本文方案分析優化的有效性。

圖12 后輪定位參數實車測量數據

5 小結

本文通過3DCS軟件對四連桿后懸進行了尺寸鏈建模，對四連桿后懸的定位參數進行了評估。研究了后懸多個控制臂之間對后懸定位參數的耦合性影響，并對控制臂調節量進行了安全性校核和優化。探索了控制臂調節量安全校核的方法，簡化了設計驗證過程，提高了設計及工藝決策效率，為后期的制造實現和質量控制提供了理論依據。本文的研究對多連桿后懸的結構設計及四輪定位參數工程實現具有一定的參考意義。

[1] 劉冬梅,王五林,曲大義.基于懸架系統的四輪定位參數優化分析[N].青島理工大學學報, 2017（6）:102-107.

[2] 楊玉林,程雨梅.汽車四輪定位的作用及對行駛性能影響的分析[N].長春大學學報,2009（4）:4-7.

[3] 張梅,黃如君.四輪定位對汽車行駛性能的影響[N].重慶科技學院學報,2008（3）:56-60.

[4] 朱俊.三維公差分析在解決四輪定位問題中的應用[J].上海汽車, 2016（12）:24-28.

[5] 闞天水,徐明洋,徐旭松.3DCS在汽車底盤尺寸與公差分析中的應用[J].現代制造工程, 2017（5）:97-101.

Dimension Analysis and Robustness Optimization of Automobile Four-wheel Alignment Parameters

Bai Yanchao, Shao Zilong

( AI-WAYS Automotive Co., Ltd, Shanghai 200082 )

With the increasing use of multi-link rear independent suspension in automobiles, the control and implemen -tation of the rear suspension four-wheel alignment parameters has become more complex. As a key parameter of the chassis, improper control of the four-wheel alignment parameters will seriously affect the handling and driving perfor -mance. In this paper, 3DCS software is used to analyze the 3D dimensional chain of the four-link rear suspension. The four-wheel alignment parameters and the coupling of the control arms are analyzed. At the same time, the check method of the control arm adjustment value is explored. This Paper provides a reference for chassis design, manufacturing and quality control.

Multi-link Rear Suspension; Four-wheel Alignment; Adjustment Value; Dimensional Chain; 3DCS

U463.33

A

1671-7988(2019)07-41-04

白燕超，男，工學碩士，美國ASME GD&T高級認證專家，就職于愛馳汽車有限公司，從事汽車尺寸工程研究工作。

U463.33

A

1671-7988(2019)07-41-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.013