扭轉梁后懸架C特性對轉向特性的影響分析

段守焱

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

目前，國內乘用車保有量最大的A級車，其懸架組合形式是前麥弗遜后扭轉梁，扭轉梁后懸最大的優點是可增加汽車后部乘客空間利于整體布置，最大的缺點是存在過度轉向趨勢，因此如何避免或減輕扭轉梁后懸的過度轉向特性一直都是工程師努力解決的問題。文章以某乘用車扭轉梁后懸架展開為例，分析扭力梁后懸架側向力C特性對轉向特性的影響。

1 扭轉梁結構及動力學模型

對于國內A級以下的車型來說，懸掛系統性能的好壞，主要取決于后懸掛的設計和匹配[1]。現代輕型轎車A級以下車型大部分都采用縱臂扭轉梁后懸架。文章研究的汽車后懸架就是采用這種結構形式，為了快速精確的建立扭轉梁模型來研究其對轉向的影響，文章采用模態綜合法快速建立扭轉梁柔性模型，將得到的模態中性文件導入Adams/Car，建立扭轉梁后懸架模型，如圖1所示。懸架裝配建好后還需進行加載懸架彈簧及襯套預載，使得模型設計載荷與實車受力一致，同時還需要將輪胎前束和外傾等參數設置到設計狀態值。

2 扭轉梁模型扭轉剛度驗證

對建立的模型采用有限元法與對標車K&C試驗結果對比，建立的扭轉梁側傾剛度計算模型，如圖2所示。

圖3示出扭轉梁后懸Adams仿真、Abaqus分析及對標車K&C試驗結果的側傾剛度對比。從圖3可以看出，3種方法得到的扭轉梁側傾剛度完全一致，表明模型精度較高。

3 側向力C特性仿真分析與優化

3.1 側向力C特性分析

對于縱臂扭轉梁后懸，對轉向最具影響的就是側向力C特性。在側向力作用下產生輪心連線的偏轉，產生側向力轉向。偏轉的方向加劇了轉向，使得汽車有過度轉向的趨勢，如圖4所示。但通過合理的布置，縱臂與車身安裝點襯套的方向與剛度可以削弱這種過度轉向趨勢。

圖5示出后懸架前束側向力特性。原型車與對標車有相同的變化趨勢，兩車都有一定程度的過多轉向趨勢，原型車的這種過多轉向趨勢較大。這種特性是扭轉梁結構形式存在的缺點，因此應盡量將前束側向力C特性設計為正特性，轎車的同向前束側向力特性系數的絕對量應該控制在0.02°/kN以內。從這個范圍考慮，原型車的前束側向力特性應重新匹配。

圖6示出原型車與對標車的側向剛度對比，兩者剛度大小基本一樣，都接近于500 N/mm，都在設計范圍內，在可行的情況下，可考慮適當增大。圖7示出同向側向力外傾特性，原型車與對標車有相同的變化趨勢，且外傾隨側向力變化更小，從輪跳運動學外傾變化應有一個負特性變化來考慮，該正特性不利于提供車輪最大附著能力，變化應盡可能小，故特性相比對標車更優。

3.2 襯套優化結果對比

圖8示出優化前后側向力前束特性對比，通過襯套參數的合理匹配，使得該特性有顯著的改善，其特性值為0.018°/kN，比對標車有更好的特性變化，滿足了設計要求（0.02°/kN以內），大大改善了扭轉梁后懸架過多轉向的趨勢。

圖9示出后懸架同向側向力側向位移特性。側向力側向位移特性反映的是懸架側向剛度的一個特性值，從圖9中可以看出，優化前后變化很小，優化后更接近于對標車。綜上，在可行的情況下，可適當增加側向剛度，但原型車與對標車都已滿足扭梁結構的一般設計要求，為了協調其它特性的改善，故在優化時，盡可能保持該特性不變。

對于扭轉梁半獨立懸架，外傾角的變化很小，其變化主要決定于扭轉梁的柔性。這種特性類似于非獨立懸架，有利有弊。隨側向力增加，外傾角增加的這種變化趨勢不利于過彎時提供最大的附著能力[2]，應盡可能減小其特性值，事實上，襯套剛度及安裝方向對它的影響很小。圖10示出側向力外傾角變化特性，從圖10中可以看出，優化后對特性影響甚微，基本無變化，且隨側向力變化很小，特性合理。

3.3 穩態轉向的影響分析

穩態轉向特性試驗的目的是測定汽車對方向盤轉角輸入達到穩定行駛狀態時汽車的穩態橫擺響應，我國主要采用定方向盤轉角試驗法[3]。按GB/T 6323.6—94固定方向盤轉角，仿真中汽車以最低車速3 m/s開始沿初始半徑為15 m的圓周行駛，初始側向加速度為0.6 m/s2，然后緩慢加速（加速度為 0.25 mm/s2），直到側向加速度達到6.5 m/s2終止仿真試驗。

對于不足轉向的汽車，隨著車速的增加，轉彎半徑越來越大。圖11示出整車穩態回轉運動軌跡，從圖11可以看出，原模型呈中性轉向，第1圈軌跡半徑基本不變，呈中性轉向，只有到了第2圈大的側向加速度下才呈現一定的不足轉向趨勢；而優化后的模型較原模型回轉半徑增大明顯，有明顯的不足轉向趨勢。

從過多轉向產生的機理來看，其根本原因是整車轉向過程中，后輪產生的側偏角大于前輪產生的側偏角[4]，即：α1-α2＜0。

式中：α1，α2——前后軸側偏角，（°）；

R——轉彎半徑，m；

R0——初始轉彎半徑，m；

L——軸距，m。

曲線α1-α2與αy的關系曲線主要反映不足轉向度，如圖12所示。當側向加速度絕對值＜4 m/s2時，優化前后整車前后側偏角之差相對于側向加速度為近似線性關系；當側向加速度絕對＞4 m/s2時，呈非線性增長，這時汽車不能維持圓周行駛，出現轉向半徑迅速增大的情況。這是輪胎側偏特性已進入明顯的非線性區域的緣故。另外可以看出，優化后的關系曲線在線性段斜率較大，較優化前不足轉向趨勢得到顯著改善。

4 結論

文章通過精確建立扭轉梁柔性模型，并進行側向力C特性的研究發現：原型車側向力C特性存在較大的過多轉向趨勢。通過對扭轉梁安裝襯套剛度的優化，使得側向力前束柔性與試驗一致，削弱了過多轉向趨勢，提高了整車的不足轉向度。研究表明：側向力前束特性對后懸基于扭梁結構的整車穩態轉向特性影響較大，設計盡可能設計為具有不足轉向特性，同時為提高整車不足轉向提供了優化方向。