某SUV車型麥弗遜式前懸架硬點優化分析

李喆 劉瑩 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

懸架是車輪與車身之間傳遞載荷的連接系統，由路面不平度引起的沖擊載荷，通過車輪傳遞至懸架進而傳遞至車身，懸架系統能夠衰減這些振動，并且保證車輛行駛的平穩性[1]。針對承載式車身的前置前驅車型大多采用麥弗遜式前懸架結構，其在設計過程中存在大量的逆向問題，需后期對結構參數進行調整，以達到優化懸架整體性能的目的[2]。懸架的K&C 特性對整車的操縱穩定性影響很大，硬點坐標參數對懸架系統的K 特性影響較大，通過對懸架關鍵硬點進行靈敏度分析，優化硬點坐標，能夠提升懸架系統的K 性能。文章針對某款SUV車型的麥弗遜式前懸架進行K&C 性能仿真，并利用Insight 進行關鍵硬點參數的靈敏度分析，制定優化方案，優化懸架的K 特性。

1 麥弗遜式前懸架剛柔耦合模型的搭建

利用ADAMS/Car 建立麥弗遜式前懸架多體動力學模型，該裝配體模型包括前懸架子系統、轉向子系統、穩定桿子系統及試驗臺子系統，如圖1所示。

圖1 麥弗遜式前懸架多體動力學模型圖

硬點位置是懸架各構件間連接的基礎，對懸架K特性影響較大。通過對懸架數模的測量及圖紙的標注位置，初步確定懸架各硬點的位置，并在多體動力學模型中建立硬點，某款SUV車型的部分初始硬點坐標，如表1 所示[3]。利用HyperWork 軟件對麥弗遜式前懸架各零部件進行網格劃分，并計算獲得模態中性文件，利用生成的模態中性文件在ADAMS/Car 中建立各零部件的柔性體構件。通過連接關系鉸鏈和襯套進行各構件間的連接，生成前懸架模板，進而建立懸架子系統，通過使用通信器與其他子系統連接，組成動力學裝配體模型，用于計算分析。

表1 某款SUV車型前懸架部分硬點坐標初始值匯總表 mm

2 懸架模型分析驗證

懸架K&C 特性是懸架系統在試驗臺上進行輪跳、側傾、縱向力加載、側向力加載及回正力矩加載5 種工況試驗所獲得的懸架特性曲線[4]。K&C 特性曲線的變化情況直觀地反映了懸架的性能，并作為車輛操縱穩定性能判斷的依據。

文章選擇滿載狀態下的麥弗遜式前懸架，對其進行同向輪跳分析，設置上下跳動行程為-60～60 mm，獲得車輪前束角、車輪外傾角、輪心縱向位移及輪心側向位移4 個參數的車輪跳動變化特性曲線。仿真特性曲線，如圖2～圖5所示。

圖2 某SUV車型車輪前束角變化曲線圖

圖3 某SUV車型車輪外傾角變化曲線圖

圖4 某SUV車型車輪輪心縱向位移變化曲線圖

圖5 某SUV車型車輪輪心側向位移變化曲線圖

車輪前束角是與外傾角匹配的角度參數，能夠抵消由于外傾角的存在而導致的輪胎磨損。汽車轉彎時，由于輪荷的側向轉移，導致外側懸架處于壓縮狀態，車輪上跳。為了使汽車在轉彎過程中存在一定程度的不足轉向特性，在車輪上跳過程中，汽車的前輪前束角應該具備減小趨勢。從圖2 可以看出，前束角為負斜率變化趨勢，但變化量應該在-0.005（°）/mm 內，需要進一步優化。

車輪外傾角的存在能夠使車輪在轉彎的過程中，擁有足夠的輪胎抓地力及轉彎側向力。汽車轉彎過程中，由于輪荷的轉移和側向加速度的存在，前懸架向外側車輪壓縮，車輪上跳，外側車輪的外傾角變化會影響輪胎與地面的接觸面積，進而影響輪胎的抓地力以及提供汽車轉彎側向力的大小。一般要求車輪外傾角在隨車輪上跳過程中存在一定的減小趨勢，這樣可以保證在輪荷增加時，輪胎能夠保持垂直于地面的趨勢，減少輪胎的磨損，保證輪胎具有足夠的抓地力以及提供轉向的側向力。但外傾角隨輪跳的變化值不宜過大，以防止汽車的行駛穩定性下降。從圖3 可以看出，外傾角為負斜率變化趨勢，變化量應該在-0.01（°）/mm 內，滿足要求，但仍存在進一步優化的空間。

在車輪上跳過程中，輪心縱向位移表征了軸距的變化情況，變化量的合理性有助于汽車在加減速行駛過程中，抑制制動點頭和加速后仰的作用，提高汽車的穩定性。在汽車制動過程中，前懸架處于壓縮狀態，車輪上跳，一般要求輪心縱向位移呈現減小趨勢，有利于提高汽車抗點頭能力。但輪心縱向位移變化不宜過大，否則會導致軸距變化過大，出現輪胎的異常磨損現象[5]。從圖4 可以看出輪心縱向位移隨輪跳的變化，其變化值一般取-0.05 mm/mm 內，需進一步優化。

在車輪上跳過程中，輪心側向位移表征了輪距的變化情況，一般希望輪心側向位移變化越小越好，能夠減小輪胎的磨損。

3 懸架硬點靈敏度分析

車輪跳動時，懸架運動學K 特性變化程度是懸架結構布置合理性的體現。懸架硬點的位置是懸架結構布置的重要參數，文章利用ADAMS/Insight 優化軟件，分析其對懸架運動學K 特性的影響程度。

3.1 設計變量及優化目標的選取

在硬點坐標靈敏度分析過程中，由于麥弗遜式前懸架涉及的硬點坐標參數過多，全部參數都進行優化會影響計算分析的時間和收斂性，所以要根據工程經驗對需要優化的對象進行初步判斷，篩選對其影響較大的硬點坐標。文章選取下擺臂外點、下擺臂前點、下擺臂后點、轉向橫拉桿內點及轉向橫拉桿外點的Z向坐標值作為優化變量，各變量的變化范圍為-5～5 mm；選取同向輪跳分析下的前束角、外傾角、輪心縱向位移及輪心側向位移的絕對值作為優化目標。

3.2 靈敏度分析

文章選擇響應曲面的靈敏度DOE 試驗分析方法，回歸模型采用二次方程模式，設計類型選擇全因子法進行靈敏度分析。獲得懸架關鍵硬點坐標靈敏度分析結果，如圖6～圖9所示。

圖6 某SUV車型懸架關鍵硬點坐標與前束角的靈敏度顯示界面

圖7 某SUV車型懸架關鍵硬點坐標與外傾角的靈敏度顯示界面

圖8 某SUV車型懸架關鍵硬點坐標與輪心縱向位移的靈敏度顯示界面

圖9 某SUV車型懸架關鍵硬點坐標與輪心側向位移的靈敏度顯示界面

從圖6 可以看出，轉向橫拉桿內外點以及下擺臂前外點Z向坐標的變化對前束角變化影響較大，下擺臂后點相對影響很小；從圖7 可以看出，下擺臂前點以及轉向橫拉桿內外點Z向坐標的變化對外傾角變化影響較大，下擺臂外后點相對影響較小；從圖8 可以看出，下擺臂前后點Z向坐標的變化對輪心縱向位移變化影響較大，其他因素影響較小且程度相當；從圖9 可以看出，下擺臂前外點Z向坐標的變化對輪心側向位移變化影響較大，其他因素影響相對較小。

4 懸架硬點優化分析

根據麥弗遜式前懸架K 特性的靈敏度分析結果以及對優化目標的要求，對關鍵硬點的坐標值進行調整，調整過程中需考慮單個坐標值對多個目標值的影響、相互作用以及影響程度的正負效應，綜合以上因素，獲得關鍵硬點的優化后坐標值，如表2所示。

表2 某SUV車型前懸架關鍵硬點優化后坐標值匯總表 mm

根據表2 的硬點坐標值調整，對麥弗遜式前懸架進行-60～60 mm 的同向輪跳分析，獲得懸架的K 特性曲線，如圖10～圖13所示。

圖10 某SUV車型車輪同向輪跳前束角優化曲線圖

圖11 某SUV車型車輪同向輪跳外傾角優化曲線圖

圖12 某SUV車型車輪同向輪跳輪心縱向位移優化曲線圖

圖13 某SUV車型車輪同向輪跳輪心側向位移優化曲線圖

根據圖10，前束角斜率變化從-0.006（°）/mm 優化為-0.004（°）/mm，滿足要求；從圖11 可以看出，外傾角斜率變化從-0.009（°）/mm 優化為-0.008（°）/mm，滿足要求；從圖12 可以看出，輪心縱向位移斜率變化從-0.06 優化為-0.05，滿足要求；從圖13 可以看出，當輪跳量為14 mm 時，輪心側向位移斜率為0，且整體位移變化量小于優化前，滿足要求。

5 結論

文章對某款SUV車型的麥弗遜式前懸架的關鍵硬點坐標進行了有關K 特性的靈敏度分析，根據K 特性目標值以及關鍵硬點靈敏度，制定了懸架硬點坐標的調整方案，并通過仿真分析驗證了新方案對懸架K特性的有效性。此優化方法有利于提高懸架的K&C 性能，解決由于逆向設計導致的性能問題，為懸架的初期設計開發以及后期改款提供了支持。