麥弗遜懸架穩定桿吊桿位置對轉向的影響

王文源，林尤濱，鄧祖平

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

汽車懸架中橫向穩定桿作為提升車輛側傾剛度的重要組成部分，車輛側傾時橫向穩定桿會產生扭轉變形，產生的力矩將抑制車身側傾，進而確保車輛平穩行駛，并提高了安全性與舒適性[1]。對于麥弗遜（Macpherson）懸架而言，由于主銷軸線與減振器軸線存在不重合[2]，側傾時穩定桿吊桿會產生附加的力矩引起額外轉向，干擾車輪繞主銷軸線的轉動，影響車輛的轉向特性。

本文的研究將從理論上解析穩定桿吊桿的布置位置對整車轉向的影響，并引入等效轉向力臂的概念進行量化。進而借助整車動力學模型對車輛轉向性能的影響進行分析和研究。最后對不同車型的等效轉向力臂進行計算和統計，獲得穩定桿吊桿轉向等效力臂的范圍，指導麥弗遜懸架穩定桿的位置設計。

1 穩定桿吊桿力矩對轉向的影響

在麥弗遜懸架結構中，穩定桿吊桿通常連接在減振器上。如果車輛發生轉彎時，車身側傾引起一側輪胎上跳，另外一側輪胎下跳，此時穩定桿將起作用，上跳一側的吊桿受到拉力F拉的作用[3-4]。為了解析吊桿受到的拉力干擾主銷的轉向運動，可以將F拉在吊桿上點位置沿主銷軸線的方向進行分解，分解為兩個方向的受力：

（1）平行于主銷軸線方向的受力FZ；

（2）垂直于主銷軸線方向的受力Fxy；

其中Fxy與主銷軸線間存在的距離會產生繞主銷轉動的力矩Txy，使得減振器繞主銷一起轉動，一般麥弗遜懸架的減振器會與軸節連接，這使得車輪也會隨著一起轉動[5-6]。定義相關的軸線后，穩定桿吊桿產生的附加力矩對單側車輪轉向的干擾如下圖1 所示：

圖1 吊桿產生的附加力矩對單側車輪轉向的干擾

2 穩定桿吊桿的等效轉向力臂計算

實際轉向過程中內外側懸架存在載荷轉移，懸架運動表現為外側車輪上跳，內側車輪下跳，穩定桿吊桿產生的附加力矩如下圖2（a）所示。附加力矩Tleft和Tright的方向與車輛轉向方向相反，將減小車輪轉角，使得車輛趨向于不足轉向。若Tleft和Tright與車輛轉向方向相同，則會增加車輛的轉角，使得車輛趨向于過多轉向。

圖2 附加力矩對車輪轉向影響的簡化示意圖

為體現附加力矩對車輛產生的影響，定義有利于不足轉向的附加力矩為正，反之為負。如圖2（b）所示，引入向量對等效力臂量化（含符號定義）。在坐標系O－xyz中，μ定義為主銷軸線下點到上點的單位向量；F定義為穩定吊桿軸線下點到上點的單位向量（即右轉時右側穩定桿拉桿受到的單位力）；R定義為主銷軸線上點到穩定吊桿軸線下點的向量；通過向量計算可得穩定吊桿單位力在向量F和向量R所確定的平面上產生的力矩向量M為：

力矩向量M沿向量μ的分量為Mkp，即穩定吊桿單位力作用在主銷的力矩，可表示為：

因為μ和F均為單位向量，所以Mkp大小等于μ和F之間的距離，即F繞μ軸的等效力臂ekp。那么帶符號的等效力臂計算可表達為（其中表示為主銷上點Y 向坐標）：

3 等效轉向力臂對輪跳轉向的影響

改變項目車輛G_car 的吊桿上點位置得到不同等效力臂，分析相關懸架K&C 參數選擇G_car 車輛的合理優化方向。在搭建好的前懸裝配模型基礎上，修改穩定桿吊桿上點繞減振器軸線旋轉，如下圖3 所示，得到不同等效轉向力臂方案（表1）對懸架轉向性能的對比分析。

表1 不同方案的硬點坐標和等效力臂值

圖3 繞減振器軸線旋轉的不同等效轉向力臂方案

在左右輪跳反向的工況下穩定桿將起作用，為體現影響懸架轉向性能的變化，選取反向輪跳轉向（toe-angle vs.reverse wheel-travel）變化曲線進行分析。如圖4 顯示隨著等效轉向力臂值的減小，反向輪跳的Toe-out 呈現出減小趨勢。那么穩定桿上點位置繞減振器軸線朝車身前進方向旋轉時，等效轉向力臂逐漸減小，車輪上跳對輪跳轉向的影響呈現出逐漸由前束外擴（Toe-out）向前束內收（Toe-in）的轉變。

表2 為等效力臂值改變后對應的反向輪跳梯度變化，等效力臂值與反向輪跳轉向梯度存在明顯的線性關系。后續優化車輛G_car 的等效轉向力臂值時，可快速評估對輪跳轉向的影響。

4 等效轉向力臂對動態轉向的影響

不同穩定桿吊桿的位置會產生相應的等效轉向力臂，會造成懸架反向輪跳轉向等相關參數的改變，進而影響整車的轉向性能。采用40 km/h 車速下，固定方向盤轉角60°行駛，分析突然撒手的工況。解析不同的等效轉向力臂對車輛轉角響應，橫擺修正，側傾角變化的影響，得到改善車輛轉向干擾的穩定桿吊桿布置優化方向。

根據表1 中穩定桿吊桿不同等效轉向力臂調整方案，經過方向盤撒手后的行駛工況分析，得到如圖5 所示的結果，體現了行駛過程中出現方向盤撒手后，左右兩側輪胎的載荷變化將引起輪跳變化，這將影響動態回正過程中的轉角變化，進而導致車輛的橫擺和側傾隨之發生改變。

圖5 方向盤轉角撒手后相關參數的變化曲線

由圖5 的車輛響應曲線數據可得到相關特征參數變化（如下表3）。結果顯示隨著等效力臂的降低（由正值到負值），會稍微增加回正的延遲和上升時間，但會顯著減小輪胎回正的轉向角度，降低方向盤轉角的超調量。

表3 車輛響應特征參數變化

減小等效轉向力臂可降低車輛在回正過程中受到的干擾，進行穩定桿吊桿布置時，需要將產生的等效轉向力臂控制在合理的范圍。

5 等效轉向力臂的統計分析

收集現有對標數據庫中麥弗遜懸架硬點的參數，獲得不同車輛的等效力臂。等效轉向力臂的分布如圖6 所示。大部分車型等效轉向力臂集中在0～15 mm 之間。車輛G_car 作為經濟型轎車，其等效力臂為16.37 mm，略微超出大部分車型的集中區域，可調整穩定桿吊桿布置位置，降低等效力臂值優化車輛轉向特性。

圖6 等效轉向力臂統計數值

6 結論

文章就穩定桿吊桿位置對車輛轉向特性的相關影響進行解析，得到以下結論：

（1）通過對穩定桿吊桿在麥弗遜懸架中的受力分析，采用相關向量計算得到了影響轉向的等效力臂公式。

（2）通過改變不同的穩定桿吊桿位置獲得不同的等效力臂值對懸架輪跳轉向的影響，指出等效轉向力臂降低可有效減小前束外擴，借助等效力臂的概念可以估算穩定桿吊桿的布置對反向輪跳轉向的影響。

（3）轉向等效力臂干擾車輪的輪跳轉向，引起車輛轉向特性的變化。通過方向盤撒手行駛工況，研究不同等效力臂對車輛轉向的影響。認為布置穩定桿吊桿時，需控制等效轉向力臂值，以降低對車輛轉向的干擾。

（4）對不同麥弗遜懸架車型硬點的分析和計算，得到不同車型的等效轉向力臂值，確定合理的等效轉向力臂值范圍，指導后期的懸架穩定桿吊桿硬點開發。