麥弗遜前懸系統模塊化設計及應用

黃曉珍，宋建新，李家烽,秦海濱,韋春萍

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車懸掛系統是車架與車橋或車輪之間傳力連接裝置的總稱，其功能是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，緩沖路面的沖擊力，并衰減由此引起的振動，以保證汽車平順行駛。麥弗遜式懸掛系統是一種獨立式的汽車懸掛系統，以結構簡單、成本低廉、舒適性佳的優點而被廣泛運用。麥弗遜前懸系統由減振器支柱總成及副車架總成組成，包含了前減振支柱座總成、平面軸承、彈簧上座、緩沖塊、彈簧、減振器、轉向節、副車架、下擺臂、穩定桿等零部件。本文作者論述了對某汽車平臺前懸系統制定模塊化策略，并在此基礎上進行前懸系統硬點以及各零部件模塊化設計，實現了前懸系統零部件在轎車、WAGON、SUV差異化的車型中最大化共用[1]。

1 某汽車平臺前懸系統模塊化布置策略

文中研究的前懸系統模塊化設計是基于某汽車平臺，該平臺包含轎車、WAGON、SUV 3款基本車型。這3款車型具有不同的整車基本尺寸參數、不同的質量參數、不同的輪胎參數，并且搭載了多種動力總成。

文中采用的前懸系統模塊化布置策略為：(1)不同輪胎采用不同車輪偏距，以滿足不同車型的要求；(2)減振器、輪轂軸承、轉向節、下擺臂、副車架等共用部件均通過有限元分析優化保證強度、剛度、模態等滿足各個車型的要求；(3)制動器、彈簧、穩定桿、橡膠襯套、減振器閥系結構等采用差異化設計，滿足不同車型的使用要求，并體現不同車型的調試風格； (4)差異化的零件接口一致，以滿足差異化的總成裝配。文中研究的某汽車平臺麥弗遜前懸系統硬點布置如圖1所示，該平臺包含的轎車、WAGON、SUV 3款基本車型的前懸系統硬點相同[2]。

圖1 麥弗遜懸架系統硬點布置

2 某平臺前懸系統模塊化設計及性能分析

2.1 前支柱總成模塊化設計及分析

前支柱總成是麥弗遜式懸架的主要結構，起懸架運動導向及吸收衰減振動作用，主要由減振器、上襯套、平面止推軸承、彈簧座、緩沖塊及彈簧組成，如圖2所示。通過差異化的減振器行程，減振器壓縮、拉伸阻尼，螺旋彈簧剛度實現平臺轎車、WAGON、SUV各車型不同性能匹配調校風格。該平臺各車型除螺旋彈簧差異化設計外, 減振支柱座總成、平面軸承、緩沖塊、減振器、轉向節均實現設計共用。

圖2 前支柱總成結構

2.1.1 前減振支柱座模塊化設計及分析

前減振器支柱座的作用是集成彈簧、緩沖塊、減振器，通過襯套連接到車身上，起到吸收和衰減振動、緩和沖擊、限制懸架跳動行程作用，通過襯套連接允許減振器有一定的相對運動擺角，以使轉向或車輪跳動時支座橡膠襯套存在變形退讓，釋放運動自由度。

滿載工況時,WAGON前軸載荷最大，為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 前減振器支柱座按照最大載荷設計(文中是基于某個平臺的轎車、WAGON、SUV 3個車型同時進行設計，此3款同平臺的車型最大載荷相差不大，某些零件按其中最大載荷的車型設計，不會有很大的設計冗余，下同)。靜剛度特性曲線如圖3所示，公差在±15%以內。

圖3 Top mount靜剛度特性曲線及疲勞試驗

如圖4所示，CAE強度分析顯示向前緊急制動工況最大應力值、過單側深坑工況最大應力值均小于材料屈服極限，滿足設計要求。

圖4 Top mount CAE強度分析

2.1.2 前螺旋彈簧模塊化設計及分析

轎車及WAGON以舒適性為主，SUV偏重操控性能。對彈簧剛度進行差異化設計，考慮減振器的模塊化設計，彈簧與減振器的接口完全相同。設計得到的前螺旋彈簧結構參數見表1。

表1 前螺旋彈簧結構參數

2.1.3 前減振器模塊化設計及分析

滿載工況時,WAGON前軸載荷最大,為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 前減振器按照最大載荷設計。Car、WAGON、SUV減振器行程平臺化設計結果如表2所示。

表2 前減振器設計參數 mm

分別對減振器儲油筒、活塞桿、彈簧上座及彈簧下座在單側過深坑工況(左側)、向前緊急制動工況、極限轉向工況(右轉)進行虛擬強度分析，其中以單側過深坑工況下減振器強度最大。對于減振器儲油筒材料屈服強度的安全系數，要求不小于1.2，否則會有彎曲漏油風險。減振器總成強度分析結果如表3所示，滿足設計要求。

表3 減振器總成強度分析結果

2.1.4 緩沖塊模塊化設計及分析

滿載工況時,WAGON前軸載荷最大,為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 前緩沖塊按照最大載荷設計。Car、WAGON、SUV前緩沖塊長度參數平臺化設計為58 mm，空載緩沖塊間隙為30 mm，減振器與緩沖塊起碰時輪跳量為32 mm，緩沖塊壓縮2/3時輪跳量為75 mm，減振器與緩沖塊座接觸(鐵碰鐵)時輪跳量為100 mm。緩沖塊間隙及特性如圖5所示。

圖5 緩沖塊間隙及特性

2.1.5 轉向節模塊化設計及分析

為滿足Car、WAGON、SUV共用轉向節要求,在進行轉向節設計時采用軸荷最大的WAGON的載荷工況進行設計。輪胎力邊界條件見表4。

表4 輪胎力邊界條件 N

根據輪胎力邊界條件分析向前緊急制動工況(載荷工況系數為1倍)、單側過深坑工況(載荷工況系數縱向為2倍、垂向為6倍)、極限轉向工況(載荷工況系數為1.2倍)，分析和校核轉向節設計是否滿足材料的屈服極限和抗拉極限。轉向節強度分析結果如表5所示，滿足設計要求。

表5 轉向節強度分析結果

2.2 副車架總成模塊化設計及分析

2.2.1 副車架模塊化設計及分析

副車架是前后懸架擺臂的安裝支架，是前后車橋的重要組成部分。一般副車架通過4點橡膠襯套與車身連接，與動力懸置一樣,襯套起隔振作用。副車架不僅可提高懸架整體剛度，還能提升整車的乘坐舒適性。依據公司技術成熟適用原則及小型車平臺的特點選用成本低、質量輕蝶形副車架結構。在該平臺中，由于滿載工況時WAGON前軸載荷最大,為滿足Car、WAGON、SUV共用要求, 副車架按照最大載荷設計。經過CAE模擬仿真，副車架模態200 Hz，滿足設計要求；單側過深坑工況最大應力值159 MPa，向前緊急制動工況最大應力值204 MPa，均小于材料屈服強度，滿足設計要求，如圖6所示。

圖6 副車架應力云圖

2.2.2 擺臂模塊化設計及分析

麥弗遜懸架下擺臂一般為三角形結構，主要起到對懸架的導向和支撐作用。下擺臂需要具有足夠的剛度以免由于變形影響車輪與地面的接觸情況，保證行駛穩定性。該平臺車型采用上下兩片焊接而成的剛性臂結構。如表6所示，單側過深坑工況最大應力值為175 MPa，向前緊急制動工況最大應力值為247 MPa，極限轉向工況最大應力值為184 MPa，均小于材料屈服強度305 MPa，安全系數大于1.2，均滿足設計要求。

表6 下擺臂強度分析結果

2.2.3 橫向穩定桿模塊化設計及分析

在麥弗遜懸架中，穩定桿兩端一般通過帶有球銷的推桿連接在左右懸架上，中間部分通過兩個橡膠襯套連接在副車架或者車身上。穩定桿控制車身的側傾,避免由于車輛行駛過程中產生的軸荷轉移影響車輛操縱穩定性[3]。為了保證穩定桿、推桿等部件的共用性，將穩定桿形狀及接口設計成一致，穩定桿直徑差異化設計使得穩定桿能夠提供不同的扭轉剛度，以滿足各個車型的要求。經計算，Car、WAGON、SUV的穩定桿直徑分別為17、19、21 mm。對Car、WAGON、SUV車型穩定桿在極限轉向工況、對角扭曲工況分別進行強度校核，均滿足強度要求，如圖7所示。

2.3 前懸系統平臺化

文中研究的前懸系統模塊化設計是基于某汽車平臺，該平臺包含轎車、WAGON、SUV 3款基本車型。這3款車型具有不同的整車基本尺寸參數、不同的質量參數、不同的輪胎、人機工程及方向盤位置差異化，并且兼容了多種動力總成。在諸多條件限制下，通過以上的模塊化設計，該汽車平臺車型麥弗遜前懸系統零件共用率達到了70%～80%，模塊化架構如圖8所示。

2.4 前懸系統總成臺架實驗

為模擬乘用車客戶實際使用，以評估結構件在使用壽命內的可靠性，將整個前懸系統裝在臺架實驗臺上，依據試驗場采集的實際路譜，分別完成壞路、坡道、16°倒車臺、13°倒車臺、側向力、L轉向、直角轉向、方坑、搓板路制動等子系統實驗規范。前懸系統總成試驗臺架見圖9。

圖9 前懸系統總成臺架實驗

實驗完成后，前減振支柱座總成無破損、開裂和其他損壞，靜剛度、動剛度變化均滿足設計要求；平面軸承未出現破損、開裂和明顯磨損等異常現象；Car、WAGON、SUV前螺旋彈簧均無斷裂、裂紋，空載高度損失、永久變形量均滿足設計要求；減振器測試全程無漏油現象，無永久變形或結構失效,無異響；緩沖塊無裂紋，轉向節完好，滿足設計要求；副車架、下擺臂、穩定桿、壓塊均無斷裂與裂紋，襯套無破裂、擠爛現象，滿足設計要求。

3 結束語

文中論述了基于某汽車平臺上麥弗遜前懸系統的模塊化設計。通過前懸硬點以及各系統零部件的模塊化設計，該汽車平臺前懸系統零部件共用率達到了70%～80%。這種基于多車型差異化需求的麥弗遜前懸系統模塊化設計，實現了整車開發從產品到產品群的突破，減少了設計及驗證工作，降低了研發成本。