麥弗遜懸架K&C仿真分析

靳瑩 張俊

陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系 北京市 100072

1 引言

懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其作用是彈性連接車架（或車身）與車軸（或車輪）并傳遞作用于其間的一切力和力矩，減緩由路面帶來的振動與沖擊，從而保證汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，以期使得汽車具有優(yōu)良的行駛能力[1-2]。近年來，對于汽車懸架系統(tǒng)的研究主要針對以下兩方面：一是懸架系統(tǒng)的設(shè)計，包括懸架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計、懸架元件傳遞特性的確定等；二是懸架系統(tǒng)性能的評價，即運用何種基本參數(shù)來系統(tǒng)地評價其性能的優(yōu)劣，如何評價基本參數(shù)的變化特性的合理性等[3]。如前所述，懸架系統(tǒng)的設(shè)計與研究主要影響了汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，因此可將對汽車懸架系統(tǒng)的研究分為對汽車平順性產(chǎn)生主要影響的懸架特性研究和對汽車操縱穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的懸架特性研究，也即汽車懸架運動學(xué)特性（K特性）研究和汽車懸架彈性運動學(xué)特性（C特性）研究[4-5]。

計算機模擬仿真和K&C臺架試驗兩種方法是常用的對汽車懸架運動學(xué)與彈性運動學(xué)特性進行研究的一般方法[6]。本文采用的仿真分析通過計算K&C特性來判斷懸架的特性是否合適，來確定車輛前期和中期的生產(chǎn)方案，這也是目前在工程應(yīng)用中關(guān)于車輛設(shè)計的一個重要手段[7]。

2 懸架硬點空間坐標計算

如圖1所示，取與汽車前進方向相反的方向為X軸正方向，輪心處為X軸零點；取汽車右側(cè)方向為Y軸正方向，汽車的縱向?qū)ΨQ面為Y軸零點；應(yīng)用右手螺旋定則確立空間直角坐標系，則Z軸正方向垂直向上，原輪胎接地點為Z軸零點。

圖1 懸架模型結(jié)構(gòu)簡圖

懸架模型中的下擺臂與車身的鉸鏈點A、B，減振器的上支點H，以及轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向橫拉桿的鉸鏈點F，在懸架模型中是固定鉸鏈點，相對于其它鉸鏈點無相對運動，可作為已知點。

麥弗遜懸架模型減振器上支點H點與下擺臂鉸鏈點C點的連線為主銷軸線而主銷后傾角γ、主銷內(nèi)傾角β、C點空間坐標已知，依據(jù)已知參數(shù)可得如下方程

在三角形的下擺臂結(jié)構(gòu)中，與車身相連的固定鉸鏈點A、B的空間坐標系均已知。設(shè)定直線CP與直線k的距離t為P點相對于AB垂直平分線的偏移量，假設(shè)P點分直線AB的比例q為

則P點坐標可表示為

同時，P點坐標在過C點作直線AB的法平面內(nèi)，即P點坐標同時滿足該法平面方程，即

整理可得

聯(lián)立式(1)、(2)和(6)可求得下擺臂球頭鉸鏈點C點的空間坐標。

K點為主銷軸線HC與車輪軸線DM在后視圖投影的交點，計算時可將其投影到 Y-Z面上。已知H點到車輪軸線的Z向距離和H點到C點的Z向距離，因此可以算出KC的空間距離，且由于K點空間坐標滿足主銷軸線的空間直線方程，因此可得K點的空間坐標如下式

3 建立懸架仿真模型

通過樣車模擬以及計算得到了懸架主要硬點C和K的空間坐標，根據(jù)麥弗遜懸架的實際結(jié)構(gòu)和相關(guān)建模數(shù)據(jù)，利用ADAMS/CAR建立懸架虛擬樣機模型如圖2所示，其坐標系為：X軸正向為汽車前行方向的反方向，Y軸正向為面對汽車正面的左側(cè)，Z軸垂直地面指向上方。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求對初始懸架部分參數(shù)進行調(diào)整[8]，圖3和圖4分別是調(diào)整前后的硬點數(shù)據(jù)

4 懸架雙輪同向激振試驗的K&C特性分析

以下各圖曲線為前懸架左右車輪的輪跳在-100mm～100mm的跳動過程中懸架的運動學(xué)分析特性曲線。各圖中紅色、黑色分別代表調(diào)整前后的懸架模型。

(1)車輪外傾角

如圖5-1所示，輪跳量的大小在-100～30mm變動過程中，懸架模型調(diào)整前后的車輪外傾角都在減小，30～100mm過程中又逐漸增大，且調(diào)整后的懸架模型變化幅度較大。將調(diào)整前后的懸架模型曲線相比較可以看出，調(diào)整后的懸架模型車輪外傾角的變化小，這對于汽車操縱穩(wěn)定性有很大幫助。

(2)車輪前束角

圖2 組裝前后的虛擬樣機模型

圖3 調(diào)整前的硬點數(shù)據(jù)

圖4 調(diào)整后的硬點數(shù)據(jù)

圖5-1 車輪外傾角仿真曲線

圖5-2 車輪前束角的仿真曲線

如圖5-2所示，隨著車輪輪跳量的增加，調(diào)整前的懸架模型前束角由正至負有較大的變動，而調(diào)整后的懸架模型變動范圍較小而且曲線比較平緩，因此更能夠適應(yīng)路面的要求，在-60～0mm階段，前束角幾乎沒有改變，可見調(diào)整后的懸架對于汽車行駛的穩(wěn)定性和輪胎的偏磨損有幫助。

(3)主銷后傾角和主銷后傾拖距

圖5-3、5-4分別表示主銷后傾角與主銷后傾拖距，可以看出，調(diào)整后懸架模型的主銷后傾角和主銷后傾拖距均大于調(diào)整前的懸架模型。主銷后傾角越大則車輛的直線行駛性越好，轉(zhuǎn)向后方向盤的回復(fù)性也越好，但是調(diào)整后的懸架模型主銷后傾角在輪跳的后段值偏大，這會使得轉(zhuǎn)向變得沉重，駕駛員容易疲勞。現(xiàn)代高速汽車由于降低了輪胎氣壓使得其彈性增加，進而引起穩(wěn)定力矩增加。因此，懸架主銷后傾角可以減小到接近于零，甚至為負值。

圖5-3 主銷后傾角仿真曲線

5 結(jié)論

文章運用ADAMS/CAR模塊建立了麥弗遜獨立懸架仿真模型，利用虛擬實驗臺架進行了雙輪同向激振的仿真實驗，并對調(diào)整前后的懸架模型進行仿真實驗分析。通過試驗曲線對于調(diào)整前后的懸架模型的運動學(xué)和彈性運動學(xué)特性進行分析，根據(jù)車輪定位參數(shù)等重要指標對調(diào)整前后的模型做出了直觀的評價。綜合各仿真曲線可以看出，調(diào)整后的懸架模型在操縱穩(wěn)定性和平順性上相較于基于原始參數(shù)的懸架模型有一定的改進。但是具體的整車性能則需要完整的整車模型和整車試驗才能最終得出結(jié)論。

圖5-4 主銷后傾拖距仿真曲線