某轎車的懸架K&C特性分析

鄭松林，胡先龍，林 陽，李 軍

（1.上海理工大學機械工程學院，上海200093；2.上海匯眾汽車制造有限公司，上海200122）

0 引 言

懸架是車架與車橋之間的一切連接裝置的總稱，把路面作用于車輪上的支撐力、驅動力和制動力以及側向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架上，以保證汽車的正常行駛，使駕駛者在駕駛汽車時感受到駕駛的舒適感。懸架上的彈性元件起緩沖的作用，減振器起減振的作用，導向機構起導向作用，但它們的共同任務是傳力。近代汽車懸架設計是整車研發的關鍵之一，是汽車設計的靈魂。本文對某轎車的懸架進行K&C仿真，并對其K&C特性仿真的結果進行分析。由懸架和簧上質量、簧下質量構成的一個隨機振動系統，會對汽車行駛平順性、操縱穩定性、通過性等性能都有很大影響，而這些評價指標和懸架有直接關系，那么要研究懸架必須對懸架的K&C特性進行理論研究分析，這對提高汽車總體性能有著重要的意義。

所謂懸架運動學特性（Kinematics，簡稱K特性）描述的是車輪在上下運動過程以及轉向過程中，懸架的評價參數隨車輪運動的關系。所謂懸架彈性運動學特性（Compliance，簡稱C特性）描述的是在輪胎受到來自地面的各種力或力矩作用時，懸架的評價參數隨這些力或力矩的變化關系，兩者統稱為懸架運動學和彈性運動學特性（Kinematics&Compliance，簡稱K&C特性）。懸架K&C特性的仿真試驗與物理試驗相仿，K特性主要包含左、右車輪平行輪跳試驗、反向輪跳試驗和單側輪跳試驗等幾個仿真分析項目；C特性主要包括對車輪中心或接地點施加制動力、側向力、回正力矩等力和力矩的仿真分析項目。

本文所用的車型是某汽車生產廠商的某款汽車，通過ADAMS／Car建立其汽車懸架的多體動力學模型，進行輪跳實驗、側向力實驗、縱向力實驗這三種工況下的K&C仿真計算，得出其前束角、外傾角、輪距的測試數據，并且對K&C的實驗數據進行比較，得出其在許可誤差范圍內的正確性。

1 模型的建立

本模型是根據某款車型而建立的汽車前懸架，當2個部件之間既有襯套又有鉸鏈連接的時候，K特性使用鉸鏈連接，C特性使用襯套連接。模型中所有部件的質量、質心和轉動慣量均從Pro／E軟件中獲得，對彈簧、減震器和襯套進行相關實驗，根據實驗數據編寫各自的屬性文件，其中彈簧是線性的，減震器是非線性的。圖1為在Adams中建成的前懸架K&C特性模型。

圖1 模型

2 懸架的K特性

2.1 K特性車輪前束角

在汽車行駛中保持前束不變或變化幅度較小比在汽車靜止時有一個正確的前束更為重要，設計上希望前輪上跳時車輪呈弱負前束變化。在汽車的前軸，如果上跳的車輪產生后束角，下落的車輪產生前束角，則在車身側傾時，轉向輪轉角會發生輕微回轉，從而使汽車具有不足轉向特性。

對于實驗選擇的參數，選擇同向輪跳的幅值范圍是-60 mm～60 mm，同理反向的幅值范圍也是-60 mm～60 mm，得出圖2與圖3所示左輪的輪心垂直位移與其前束角的關系。

圖2 平行輪跳前束角特性

圖3 反向輪跳前束角特性

由圖2、圖3可知：前懸架模型與對標車的輪跳前束角特性都具有相同的變化趨勢，都是使得整車具有一定的不足轉向特性，一般前懸架的前束輪跳系數應該保證有利于不足轉向的趨勢，即為負值。對于轎車其幅度在-0.001～-0.008 b／mm區間，若前懸架跳動量為100 mm，則前輪轉角變動量在0.1 b～0.8 b之間。從特性曲線中可以看出，仿真值變化趨勢在上跳到一定輪跳處特性系數略大于對標車型，這可能是因為轉向橫拉桿斷開點垂向位置偏低引起，但總體上平行及反向輪跳特性值都能較好的滿足設計條件。

2.2 車輪外傾角

車輪外傾角是通過車輪中心的汽車橫向平面和車輪平面的交線與地面垂線的夾角，即由車前方看輪胎中心線與垂直線所成的角度，向外為正，向內為負。車輪外傾角不但可以適應道路的拱形路面，而且其角度的不同可以直接改變輪胎與地面的接觸情況，影響輪胎的磨損狀況，同時它的存在還可以抵消車身載重后懸架系統的變形量，進而減少輪胎的偏磨損。此外，如前所述還可以提高輪轂外端小軸承的壽命以及減小輪轂緊固螺母的負荷。為了使汽車具有較好的操縱穩定性，應盡量減少車輪相對車身跳動時的外傾角變化。本測試項目同上一測試項目相同，也是輪跳在-60 mm～60 mm的范圍內做同向和反向平行輪跳實驗。實驗結果如圖4和圖5。

圖4 平行輪跳外傾角特性

圖5 反向輪跳外傾角特性

如圖4、圖5可看出前懸架的外傾輪跳系數隨輪跳增加呈減小的趨勢，對于轎車其特性數值幅度在-0.003～-0.015 b／mm區間。原型車及對標車的外傾輪跳特性系數都分布在這一區間，滿足了設計條件，同時原型車與對標車保持了較好的一致性。

2.3 輪距

汽車直線行駛過程中，如果輪距變化過大就會引起滾動輪胎的側偏甚至輪胎的側滑，這不僅加劇了輪胎的磨損，而且損害了汽車的直線行駛性能。汽車轉彎行駛時，由于載荷轉移車身發生側傾，由懸架變形產生的輪距變化直接決定了側傾中心的高度，這對汽車的穩態轉向特性產生很大影響。此外，輪距變化引起的側向力增加了行駛阻力，所以設計時應盡可能地減小由于車輪跳動引起的輪距變化。

輪距的測試項目同上，在這就不重復論述了。實驗結果如圖6和圖7。

圖6 平行輪跳輪距變化特性

圖7 反向輪跳輪距變化特性

前懸架的軸距變化隨懸架壓縮向前移動的趨勢變動，這種趨勢有利于獲得較好抗點頭能力。對于轎車其特性數值幅度在0.02～0.05 mm／mm區間，原型車及對標車都遠小于這個特性數值，軸距變化較小，與對標車的實驗數據趨勢一致，軸距對獨立懸架而言對性能影響很小。

3 懸架的C特性

懸架C特性主要考查懸架系統在側向力和縱向力以及回正力矩等作用下車輪的前束角、外傾角、縱向剛度和側向剛度等特性。懸架的C特性由輪胎及彈性襯套決定，其中襯套六個方向的剛度特性對C特性很關鍵，合理設計襯套特性有利于匹配K與C特性的協調。

3.1 C特性車輪前束角

縱向力同向加載為左右輪同時加同向縱向力，縱向力為：-1 800 N～1 800 N，其實驗結果如圖8和圖9所示。

圖8 同向縱向力前束特性

從圖8前束縱向力特性的仿真與對標車的曲線對比可以看出，模型前束隨著制動力（負值）的增加，前束也相應增加，這正好滿足了上述所分析的效果，有利于制動穩定性。模型前束變化率相對對標車稍小，但相差不大，汽車駛過道路突包或凹坑時，輪心受到向后縱向力，為了緩和縱向沖擊，提高乘坐舒適性，可以對懸架安裝點襯套剛度進行調節，以降低懸架的縱向剛度。但是調節比較復雜，在設計時應盡量兼顧主要考慮的特性為懸架的縱向位移變化特性，車輪隨縱向力（驅動力）加大而向前移動。

圖9 前懸架同向側向力前束特性

從圖9中前束隨平行側向力呈減小趨勢，新開發車型與對標車有相同的變化趨勢，在側向力作用下有自動回正的效果，使汽車具有不足轉向的趨勢。從對比曲線中可以看出，模型仿真值偏大約為對標車的兩倍，前懸架前束側向力系數應趨向有利于不足轉向特性，對于轎車其特性系數的幅度在2.14E-05～1.5E-04b／N區間。可以看出，前束雖然較對標車較大，但還在合理的設計范圍內。

3.2 C特性車輪外傾角

如圖10所示為外傾與同向側向力的變化關系。左輪外傾角隨側向力加大而增大，仿真值與對標車試驗值趨勢一致但有一定差距，對標值是模型仿真值的4倍左右。前懸架外傾側向力系數應傾向于當向外拽車輪時使外傾減少的趨勢，一般希望能獲得更小的這種側向力外傾變化趨勢，因為這種趨勢削弱了輪跳外傾負特性，不利于輪胎彎道行駛的抓地。

圖10 同向側向力外傾角特性

4 總 結

分析懸架K&C關鍵特性的作用機理，有助于合理匹配懸架硬點坐標和襯套剛度特性以取得理想的特性。對建立的懸架模型，利用有限元計算，Adams仿真對標車試驗值及理論計算進行剛度及側傾剛度驗證，驗證結果表明，所建立的模型精度較高，對K&C特性研究有一定的指導意義。

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