基于K&C 試驗臺的扭力梁與多連桿懸架研究

田中靈， 高大威， 方 平， 林 陽， 李 杰

（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）

懸架系統的特性直接決定著汽車的操縱穩定性，為了精確比較某商務車新舊兩款懸架性能對操縱穩定性的影響，分析懸架特性參數，本文采用單軸式K&C 試驗臺對某商務車的懸架進行測試并獲取懸架系統的性能參數。根據懸架K&C 試驗結果對比分析部分K&C（kinematic and compliance）特性參數及差異，然后基于相關測試數據依托整車參數化仿真平臺Carsim進行建模仿真和操縱穩定性分析，對比兩款車的差異和特點，以及不同懸架對整車操縱穩定性的影響。

1 汽車懸架K&C 臺架試驗及結果分析

1.1 懸架K&C 臺架試驗

圖 1 K&C 試驗臺Fig. 1 K&C test bench

圖1 懸架K&C 試驗臺為單軸試驗設備，主要是一種將整車的懸架性能道路試驗轉變為臺架試驗，具有可重復性的操作和分析汽車底盤懸架預定義激勵來反饋性能的設備[1]。通過將車身固定的方式，對前、后懸架進行單獨試驗測試，并進行試驗數據的分析。

1.2 懸架K&C 試驗結果分析

通過對某商務車新舊兩款的基本信息的統計，前懸架均為麥弗遜式，后懸架舊款車為扭力梁式，新款車為多連桿式獨立懸架，所以，暫且不考慮前懸架對整車性能的影響，對后懸架扭力梁與多連桿的試驗數據進行分析。因為，平行輪跳試驗最能反映出懸架系統的運動學和彈性運動學性能的優劣，故研究懸架K&C 特性時，無論何種車型和懸架類型都需要進行平行輪跳分析試驗[2-3]，所以，對該新舊兩款商務車后軸進行平行輪跳試驗并對車輪外傾角與前束角分別進行對比分析。

1.2.1 車輪外傾角的對比分析

當車輪上跳時前輪外傾角向減小的方向變化，在下跳時朝正值方向變化，則汽車具有較好的操縱穩定性，可以防止制動時因左右制動力誤差造成的直線行駛穩定性變差，有利于減小因外傾角而引起的地面對輪胎的側向力使汽車跑偏的趨勢。

圖 2 扭力梁式懸架車輪外傾角隨輪跳變化曲線Fig.2 Wheel camber angle versus wheel jump in the vehicle using torsion beam suspension

圖 3 多連桿式獨立懸架車輪外傾角隨輪跳變化曲線Fig.3 Wheel camber angle versus wheel jump in the vehicle using multi-link independent suspension

由圖2 和圖3 可知，扭力梁式懸架在車輪上下跳動過程中整體變化趨勢符合懸架的設計規律，左右外傾角的變化率大致相等，但是，在車輪上跳80～90 mm 處，以及下跳60～70 mm 處，外傾角隨位移的變化有一個突變，斜率突然變得較大，這樣將較為明顯地影響車輛的穩定性，從而使車輛產生不穩定工況。多連桿式懸架在車輪上下跳動過程中，外傾角的變化趨勢符合車輛內外傾角的設計規律且變化趨勢比較平滑，沒有突變的情況出現。

扭力梁式懸架左后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為?0.001 7° /mm，右后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為0.001 2° /mm，多連桿式懸架左后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為0.028 2° /mm，右后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為0.026 9° /mm。多連桿式懸架外傾角的變化量比扭力梁式懸架的變化量大，多連桿式懸架可以更有效地控制外傾角在車輪跳動過程中的變化，且多連桿式懸架的變化趨勢更為合理，可以減少輪胎的磨損和提高輪胎的側偏性能。

1.2.2 車輪前束角的對比分析

當車輪上下跳動時，前束角會相應改變，其變化趨勢對車輛的穩態響應特性（不足轉向或過度轉向）有較大的影響，是汽車懸架設計的重要參數之一[4]。設計后懸架時，車輪上跳工況下的前束角經常設計成向負前束角變化的趨勢，前束值的變化量與輪心上跳的行程值應盡量趨于一條直線，這樣可以方便調整車輛的不足轉向度，而且前束角變化量不宜過大，否則會使車輛直行過程中前束角變化較大而導致車輛不穩定并且增加輪胎磨損[5]。

通過觀察圖4 與圖5，發現扭力梁式懸架和多連桿式懸架曲線變化趨勢大致相同，但是，扭力梁式懸架在上跳80～85 mm 處有突變，會影響車輛的穩定性。在車輪上跳過程中，產生負的前束角，車輪下跳時，產生正的前束角，由此可以改善車輛的綜合行駛性能。而多連桿式懸架則符合此設計規律，有利于保持車輛的操縱穩定性。由圖4可以看出，扭力梁式懸架整體的變化量較小。兩種懸架左右輪都存在差異，將會造成汽車左右后車輪磨損不一，并且可能會造成整車左轉彎和右轉彎的轉向特性的差異而降低整車的操縱穩定性。

圖 4 扭力梁式懸架車輪前束角隨輪跳變化曲線Fig.4 Wheel toe angle versus wheel jump in the vehicle using torsion beam suspension

圖 5 多連桿式獨立懸架車輪前束角隨輪跳變化曲線Fig.5 Wheel toe angle versus wheel jump in the vehicle using multi-link independent suspension

2 轉向盤轉角階躍輸入仿真分析

為了分析兩種不同的懸架在整車中對操縱穩定性的影響，根據整車基本信息（表1），運用Carsim整車建模，依據我國現行整車操縱穩定性試驗國家標準，對整車分別進行了轉向盤轉角階躍輸入、轉角脈沖輸入、轉向回正、穩態回轉、轉向輕便性及蛇形虛擬試驗的仿真分析[6]，本文只對最具代表性的轉向盤轉角階躍輸入試驗進行對比分析[7]。

表 1 仿真車輛基本信息Tab.1 Basic information of the testing vehicle

仿真過程中整車為滿載狀態，整車模型按照該車型最高車速的70%（四舍五入取10 的整數倍）沿直線行駛，在預定的時刻快速使轉向盤達到預定的轉角并保持住，在此過程中，保持恒定車速[8]。讀取新舊兩款車型的側向加速度和橫擺角速度等運動參數的仿真結果。

2.1 整車側向加速度

該車新舊兩款車型的側向加速度響應曲線如圖6 所示。g為重力加速度。

圖 6 側向加速度響應曲線Fig. 6 Lateral acceleration response curve

對比圖中數據可知，在同樣的轉向盤轉角輸入的前提下，兩款車型的側向加速度穩態值有明顯差異，采用扭力梁式懸架的舊款車型的側向加速度穩態值為3.37 m/s2，而采用多連桿式獨立懸架的新款車型的側向加速度穩態值為3 m/s2，比舊款車少了0.37 m/s2。而且在轉角階躍輸入后，兩款車的最大超調量也有不同，舊款車型約為0.4 m/s2，而新款車型可忽略不計。多連桿式懸架車型的過渡過程時間也比扭力梁式懸架車型的要小，轉向盤轉動之后，雖然新款車的諧振幅度比舊款車的大一些，但是，在其達到穩態值之后就基本不再變化，說明相較于扭力梁式懸架的舊款車，多連桿式懸架的新款車的穩定性更好一些，響應也更快些。

2.2 整車橫擺角速度

該車新舊兩款車型的橫擺角速度響應曲線如圖7 所示。

圖 7 橫擺角速度響應曲線Fig. 7 Yaw rate response curve

觀察仿真結果可知，在輸入相同的轉向盤轉角之后，新舊兩款車型的過渡過程時間差別不明顯，但是，橫擺角速度的最大值與穩態值都是有差異的。新款車型的橫擺角速度的穩態值為8.84° /s，超調量可以忽略不計。舊款車型的橫擺角速度的穩態值為9.73° /s，超調量為0.59° /s。舊款車的橫擺角速度的穩態值比新款車的高0.89° /s，該差值與舊款車橫擺角速度的超調量0.59° /s 相差很小，說明多連桿式后懸架的車型穩定性更好，在相同的轉向盤轉動角度下，側傾現象相對于舊款車型要弱一些，側傾穩定性較好。而且，新款車型的諧振幅度比舊款車的要小，說明多連桿式后懸架整車的響應速度較快。

根據中華人民共和國汽車行業標準QCT480?1999《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》[9]中所規定的汽車橫擺角速度的評價方法，分別計算該新舊兩款車型橫擺角速度的評價分值

式中：T60為汽車橫擺角速度響應時間的下限值，為0.20 s；T100為汽車橫擺角速度響應時間的上限值，為0.06 s；T 為側向加速度為2 m/s2時的汽車橫擺角速度響應時間，新款車為0.10 s，舊款車為0.14 s。

經計算得出新款車橫擺角速度的評價分值為88.57，舊款車為77.14，該評價分值也論證了新款車型的操縱穩定性要優于舊款車型。

3 結 論

a. 對比分析扭力梁和多連桿后懸架的平行輪跳試驗結果，對部分特性參數如車輪外傾角和車輪前束角的試驗數據進行分析，可以看出，多連桿懸架的K&C 特性參數變化較為合理，可以更有效地控制外傾角在車輪跳動過程中的變化，可以減少輪胎的磨損和提高輪胎的側偏性能，但是，兩種懸架左右輪前束角都存在差異，將會造成汽車左右后車輪磨損不一。

b. 基于懸架K&C 試驗數據，使用仿真軟件Carsim 建立整車動力學模型，進行了轉向盤轉角階躍輸入仿真分析，得出采用多連桿式后獨立懸架的新款車型要比采用扭力梁式后懸架的舊款車型的穩態響應快、諧振幅度小、過渡過程時間少。在特殊工況下，側傾現象明顯更小，響應速度更快。

綜上所述，相對于扭力梁式后懸架，多連桿式后懸架的K&C 特性的變化更為合理，有利于保持良好的整車操縱穩定性。但是，由于扭力梁式后懸架工藝簡單、成本比較低，而且可以滿足轎車大部分的行駛工況，所以，在中低端轎車上得到了廣泛使用。雖然多連桿式后懸架有著較高的生產制造成本，相信隨著技術的進步以及人們對舒適性要求的進一步提高，多連桿式后懸架會在更多的車型上得到進一步推廣使用。