整體橋五連桿后懸架與操縱穩定性的動力學分析

李中好，許國興，韓記宗，趙運強

Li Zhonghao，Xu Guoxing，Han Jizong，Zhao Yunqiang

（北汽福田汽車股份有限公司汽車研究院 商務車中心，北京 102206）

整體橋五連桿后懸架與操縱穩定性的動力學分析

李中好，許國興，韓記宗，趙運強

Li Zhonghao，Xu Guoxing，Han Jizong，Zhao Yunqiang

（北汽福田汽車股份有限公司汽車研究院 商務車中心，北京 102206）

基于剛體運動學的機械原理，論述整體橋五連桿后懸架性能參數的穩定性和可控性。應用ADAMS動力學軟件，分析整體橋五連桿后懸架軸轉向的特點和抗側傾能力，并結合經典的汽車理論做出解釋和評價，為整車的懸架匹配設計提供參考依據。

懸架；整體橋；軸轉向特性；側傾中心

0 引 言

五連桿整體橋顧名思義就是把整體式車橋用五根桿件與車身（或車架）連接起來的一種懸架結構，既能保證強度又能滿足乘坐舒適性，最初應用在越野車上，現在在微面、MPV及小于 11座的商務車上頻繁采用，其應用范圍還有進一步擴大的趨勢；因此，認識和解讀五連桿整體橋的特點，分析它的特性對于汽車研發工作很重要。

利用ADAMS軟件對五連桿懸架系統應用在后橋上的轉向特性進行分析，量化設計中的軸轉向特性，并對該懸架固有的特性（抗側傾能力）進行理論分析和CAE仿真分析。

1 整體橋五連桿后懸架的穩定性與可控性

整體橋五連桿后懸架的一般結構如圖1所示。2件上縱拉桿UL1、UL2，2件下縱拉桿LL1、LL2，1件橫拉桿CL1，2個左右彈簧K1、K2，2個左右減振器D1、D2，2個左右緩沖塊共同構成整體車橋五連桿后懸架的基本結構。車橋、五連桿和車身（車架）之間都是通過橡膠襯套的圓柱鉸接副連接，如圖2所示。

圖1 五連桿虛擬模型(含試驗臺)

圖2 拉桿橡膠襯套鉸接副結構

2個物體之間存在相互運動，必然存在至少1個自由度。車橋與車身（車架）之間通過 5個桿件連接，相互之間全部采用限制 5個自由度的圓柱副進行鉸接。上、下縱臂鉸接副軸線不平行及橫拉桿的空間結構和位置決定了整個系統處于過約束的穩定狀態。可見，五連桿懸架的上下運動過程都是通過鉸接副（橡膠襯套）的變形來實現，橡膠襯套的變形量決定了懸架性能參數的變化區域。這種由懸架結構過約束產生的穩定性與橡膠襯套微量變形產生的可控性會使整車的操縱穩定性比較容易得到有效控制。

因操縱穩定性是汽車主動安全的重要組成部分，而汽車彎道行駛處于微量不足轉向的運動狀態，是操縱穩定性的核心內容。汽車整體趨于微量不足轉向是指前懸架、后懸架、轉向系統、輪胎及整車的驅動方式等所有因素分別產生的不足轉向或者過度轉向求代數和的結果，因此對任何能夠引起轉向特性變化的因素都需要考慮。

另外，懸架本身的抗側傾能力也是操縱穩定性中重要的評價指標。側傾中心高度及其變化梯度是懸架抗側傾能力的具體量化指標，側傾中心越高，變化梯度越小，抗側傾能力越強。通過CAE仿真結果分別對這兩方面進行詳細闡述。

2 整體橋五連桿后懸架軸轉向特性的仿真分析

汽車轉彎時，整體橋后懸架的車軸發生繞垂直于地面的軸線旋轉，稱為軸轉向[1]。如圖3所示，后軸逆時針的轉角方向即為整車趨于不足轉向的轉角方向，若順時針則為過度轉向的轉角方向。為了便于理解，人為地把軸轉向角分成2個部分：（1）側向力和縱向力引起五連桿懸架系統襯套變形，導致后軸出現一個旋轉角度稱之為懸架彈性力的軸轉向角[2]；（2）車輛轉彎時懸架處于外側車輪上跳，內側車輪下跳狀態，此時懸架的運動軌跡同樣引起后軸轉動，這個變化角度稱之為懸架幾何軌跡的軸轉向角[3]。

圖3 整車后軸軸轉向示意圖

針對上述的理論分析，采用ADAMS軟件建立一個五連桿后懸架 CAE虛擬樣機模型。因ADAMS軟件的懸架KC（Kinematics Compliance）分析是準靜態的過程，在研究懸架的運動特性時，減振器不起作用，實物模型進一步簡化如圖 4和圖5所示。

圖4 簡化實體模型軸側圖

圖5 簡化實體模型俯視圖

假設汽車左轉，車身向右側傾斜，左側懸架拉伸狀態，右側壓縮狀態，同時由于離心力的作用，左右輪胎都受到了由右輪指向左輪的地面摩擦力。根據汽車左轉彎五連桿后懸架的實際狀態，可以確定該懸架在 KC試驗臺上的虛擬狀態—懸架的左右輪胎分別處在左低右高的反向激振位置，同時，試驗臺對輪胎接地點施加一個橫向力。據此，可以對五連桿懸架虛擬模型搭建KC試驗臺進行虛擬仿真分析。

雙輪反向激振（Opposite Wheel Travel）和雙輪反向激振加橫向力的自定義靜載分析（Static Loads）仿真結果如圖6所示。

圖6 反向跳動及自定義載荷仿真分析左右側軸距變化量

實線代表單純的反向跳動（車輛理想轉彎狀態—單純幾何軌跡軸轉向），左側軸距隨左輪跳動的變化曲線。當左側車輪處于-80 mm時，左側軸距減少0.714 mm；長虛線代表右側軸距隨左輪跳動的變化曲線，當左側車輪處于-80 mm時，右側軸距減少4.27 mm，可見，單純的反向跳動就可以引起軸轉向，左輪向下跳，右輪向上跳，軸轉向是逆時針，與圖3所示的轉角方向相同；該五連桿后懸架在轉彎時的軸轉向角趨于不足轉向，此時懸架幾何軌跡軸轉向角促使增大不足轉向度。

短虛線代表反向跳動加橫向力的復合工況（車輛實際轉彎狀態），左側軸距隨左輪跳動的變化曲線。當左側車輪處于-80 mm時，左側軸距增加0.03 mm；點畫線代表車輛轉彎時，右側軸距隨左輪跳動的變化曲線，當左側車輪處于-80 mm時，右側軸距減少4.88 mm。可見車輛左轉彎的復合工況，軸轉向角的方向為逆時針，與圖3方向相同，與單純的反向跳動工況相比，軸轉向角加大，導致不足轉向度增加。但是，總的來說該值較小，稱之為五連桿整體橋軸轉向的中性特征，仿真結果驗證了該懸架性能參數的穩定性。

3 五連桿后懸架的側傾中心

圖7 五連桿懸架模型后視圖

圖8 五連桿懸架側傾中心位置理論分析示意圖

簡化的理論分析模型如圖 8所示。由五連桿懸架的對稱性及二力桿的受力特性可知，側傾中心即為橫拉桿與對稱平面的交點。圖8中點O即為五連桿懸架的側傾中心。

由圖7～9可以得出結論：側傾中心高度在懸架反向跳動時，基本不變，這是五連桿懸架結構固有的優點。

圖9 反向跳動側傾中心高度變化曲線圖

圖10 單輪跳動簡化模型運動分析示意圖

圖11 車身側傾時側傾中心水平位移變化曲線圖

汽車轉彎時的側傾工況中，整車的側傾中心位置較高且變化不大，這樣大大降低了轉彎過程中由于慣性力引起的整車側傾角，提高了汽車的操縱穩定性。避免了麥弗遜式懸架和雙橫臂式懸架的缺點—隨著車身側傾，側傾中心位置高度變小，其優化設計也只是調整硬點參數減緩變小。

由圖10和圖11可以看出：為提高整車的抗側傾能力，過分提高橫拉桿受力元件位置（目的是提高側傾中心高度），會使汽車在不平路面上行駛時懸架上下跳動（車身側傾），會增加車身受到的橫向沖擊力，因而車橋的上下跳動會迫使車身橫向運動。從理論上分析，只有當橫拉桿軸線平行于車橋軸線時，車身的瞬時橫向擺動位移為0。人體對橫向的振動更加敏感，更容易引起疲勞，因此常在良好路面行駛的車輛更側重平順性和舒適性，側傾中心設定得低一些，比如現代品牌某車型其側傾中心高度基本與車橋軸線高度相同；側重越野性能的車型側傾中心定的高一些，比如PRADO和陸地巡洋艦（Land Cruiser）側傾中心的高度位置明顯高于后橋軸線。因此，在整車設計時，要根據目標車輛適用區域的路面狀況，對懸架抗側傾的穩定性及平順性進行折中匹配，優化該懸架的結構硬點來滿足整車性能的需要。

根據文中所涉及的五連桿懸架模型，分析可知：

1）懸架的側傾角剛度大（反向跳動的扭矩由車橋殼體承擔），這樣可以降低懸架垂向線剛度的空間來提高整車行駛平順性。

2）懸架結構本身側傾剛度較大，可以通過改變橫拉桿安裝點的位置，調整后懸架側傾中心的高度，影響整車側傾中心線的位置角度，實現前后軸荷的重新分配，最后再根據輪胎本身的負荷特性和側偏特性，調整輪胎側偏角的變化來實現提高或降低整車的不足轉向度。

3）整體橋五連桿懸架除了上述優點外，還具有結構簡單、剛度高、強度大、可靠耐久性好和易維修的特點。定義靜載荷分析，結合汽車經典理論，能夠比較精確地分析五連桿后懸架對整車操縱穩定性的影響。另外還可以根據設計的需要比較不同懸架的優缺點，根據目標市場和區域道路特點找出適合該車型的最優結構形式的懸架，提升產品品質，滿足市場用戶的需求。

[1]余志生. 汽車理論（第五版）[M]．北京：機械工業出版社，2009.

[2]郭孔輝. 汽車操縱動力學[M]. 長春：吉林科學技術出版社，2012.

[3]王賀豐，李中好. 五連桿整體橋的軸轉向特性動力學分析[J].計算機輔助工程，2013（S1）：149-153.

4 結 論

通過采用ADAMS軟件的車輪激振分析和自

U463.33

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.010

1002-4581（2017）01-0035-04

2016? 08? 15