中級轎車E型多連桿后懸架結(jié)構(gòu)解析及特性分析

卓書亮

摘 要：本文主要通過對E型多連桿后懸架的結(jié)構(gòu)分析，基于ADAMS/Car模塊，建立E型多連桿后懸架參數(shù)化模型，通過仿真研究E型多連桿后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)與車輪定位參數(shù)、輪距等影響關(guān)系，利用 ADAMS/Insight建立E型多連桿后懸架優(yōu)化模型，并進(jìn)行懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：E型多連桿;后懸架;結(jié)構(gòu)分析;幾何定義;ADAMS

0 前言

E型多連桿后懸架是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種懸架結(jié)構(gòu)，與非獨(dú)立懸架相比，能同時(shí)兼顧更好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。

1 結(jié)構(gòu)特征

如圖1所見，后縱臂、后橫向拉桿、后上控制臂和后下控制臂形成“E”布置，故命名為E型多連桿后懸架。

2 功能分析

2.1 前束角控制

前束控制臂和下控制臂等長的情況，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡是半徑相同的圓弧，所以車輪在正常的平衡位置下設(shè)定的前束不會(huì)改變。前束控制臂和下控制臂不等長，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡是半徑不同的圓弧，假設(shè)前束控制連桿較短，則無論車輪如何跳動(dòng)，前束都會(huì)比平衡位置時(shí)增加。

2.2 外傾角控制

對于獨(dú)立懸架而言，合理的車輪外傾變化是必要的，對于該E型多連桿懸架因后縱臂襯套的扭轉(zhuǎn)剛度較大，外傾自由度無法全部通過襯套的扭轉(zhuǎn)變形來提供，為此該臂設(shè)計(jì)成片狀沖壓結(jié)構(gòu)，中間部位設(shè)計(jì)成狀，并設(shè)有開口和角線，從而給車輪提供適當(dāng)?shù)耐鈨A自由度。

2.3 側(cè)傾穩(wěn)定性

2.3.1 后縱臂對側(cè)傾轉(zhuǎn)向的影響

后縱臂是影響側(cè)傾轉(zhuǎn)向的重要因素，若鉸鏈點(diǎn)在前，且該點(diǎn)的位置比車輪中心高，則側(cè)傾后外輪后移，內(nèi)輪前移。若鉸鏈點(diǎn)比前輪中心低，則相反。

2.3.2 各橫向控制臂對側(cè)傾轉(zhuǎn)向的影響

（1）幾何特性轉(zhuǎn)向。因后橫向拉桿和后下控制臂非等長，非平行配置，通過運(yùn)動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，車輪上下跳時(shí)在后縱臂的影響下均趨于前束變化。

（2）側(cè)向力轉(zhuǎn)向（隨動(dòng)轉(zhuǎn)向）。當(dāng)后下控制臂的布置位置距離車輪中心較近，當(dāng)車輛曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)地面對輪胎產(chǎn)生側(cè)向反作用力F，傳遞到后橫向拉桿和后下控制臂上的力記作F1、F2，通過力矩平衡原理可得F1和F2。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，在地面?zhèn)认蛄Φ淖饔孟拢鈧?cè)車輪趨于前張，內(nèi)側(cè)車輪趨于前束。

2.4 縱向順從性（退化性）

2.4.1 縱向緩沖

車輛在道路上行駛時(shí)，會(huì)遇到凸起和凹坑而受到縱向沖擊力，設(shè)計(jì)時(shí)積極利用襯套撓曲變形的前后運(yùn)動(dòng)，即“縱向順從性”，從而可以起到降低懸架的前后剛性的目的。E型多連桿懸架縱向柔性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）襯套X方向在滿足縱向柔性要求的同時(shí)，不可過于柔軟，否則，當(dāng)汽車加速或制動(dòng)時(shí)，車輪在縱向力的作用下因位移過大而發(fā)生擺動(dòng)，從而影響操縱穩(wěn)定性。（2）襯套X方向通過合理的腰型孔設(shè)計(jì)用來保證所需要的斜率呈遞增變化的靜彈性特性。（3）拖臂襯套在Z方向上會(huì)承受一定的垂直載荷。同時(shí)為了能夠有效地傳遞橫向穩(wěn)定桿產(chǎn)生的力，在Fz方向上的彈性特性幾乎是線性的。

2.4.2 縱向力柔性轉(zhuǎn)向和幾何特性轉(zhuǎn)向

采用前束角變化來提高操縱穩(wěn)定性的方法，稱之為懸架的“車輪前束控制機(jī)能”，引起前束角變化的現(xiàn)象稱之為“柔性轉(zhuǎn)向效應(yīng)”，可分為縱向力柔性轉(zhuǎn)向和橫向力柔性轉(zhuǎn)向。

（1）縱向柔性轉(zhuǎn)向和幾何特性轉(zhuǎn)向。對該研究對象，在縱向力的作用下，由于后下控制臂的退讓性，車輪將向后方移動(dòng)。這時(shí)因后橫向拉桿比后下控制臂設(shè)計(jì)的較短，從幾何學(xué)上講，在縱向力作用下車輪將向前束方向回轉(zhuǎn)。

（2）橫向連桿和后下控制臂的柔性轉(zhuǎn)向。當(dāng)縱向力進(jìn)入后，前后力作用于縱拖臂，根據(jù)力矩的平衡，橫向連桿承受拉力，后下控制臂承受壓縮力，在各襯套的撓曲變形下，車輪將向負(fù)前束方向回轉(zhuǎn)。

3 運(yùn)動(dòng)特性分析

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

建立相應(yīng)的ADAMS仿真分析模型，如圖2。各零件連接關(guān)系如圖3，硬點(diǎn)坐標(biāo)如表1。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

ADAMS中輸入Vertical（Parallel）Mode，對于本文研究的車輛，取其跳動(dòng)范圍為常用的 -50～+50 mm，計(jì)算該E型多連桿式懸架的車輪外傾角、車輪前束、車輪輪距等的輪跳特性。

3.2.1 后輪前束角仿真

圖4為車輪前束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線。在車輪跳動(dòng)過程中，希望在車輪上跳時(shí)產(chǎn)生正的前束，下跳時(shí)產(chǎn)生負(fù)前束，這樣可以使得后軸具有側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向特性，有利于改善汽車操縱穩(wěn)定性能。從圖4中可以看出，在車輪跳動(dòng)±50 mm的行程內(nèi)，后輪前束角的變化范圍為-0.26～0.76，變化趨勢基本符合設(shè)計(jì)要求，但變化范圍有些過大。

3.2.2 后輪外傾角仿真

通常設(shè)計(jì)中車輪都具有一定的外傾角，當(dāng)車輪向上跳動(dòng)時(shí)，外傾角一般向負(fù)值方向變化，而下跳時(shí)向正值方向變化，這樣可以減小輪胎的磨損，提高汽車的操縱穩(wěn)定性。一般車輪的后外傾角的變化不宜太大，其范圍為-3°～3°，在車輪跳動(dòng)±50 mm的行程內(nèi)，外傾角變化量應(yīng)盡量小于±1°。從圖5中可以看出，后輪外傾角的變化范圍為-2.33°～0.22°，基本符合設(shè)計(jì)要求，但變化量有些過大。

3.2.3 后輪輪距仿真

輪距變化從側(cè)面反應(yīng)了輪胎的磨損情況，輪距變化越大，輪胎磨損越嚴(yán)重，反之，則越小。從圖6中看到在車輪上跳行程中，輪距變化從0增加到大約8 mm。而在下跳行程中，0減少到大約-13 mm，大于上跳行程。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

本文主要針對后輪前束角→后輪外傾角進(jìn)行優(yōu)化分析，此次優(yōu)化以各后拉桿坐標(biāo)和車身連接點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，每個(gè)坐標(biāo)值的變動(dòng)范圍為 - 10～10 mm之間，以車輪跳動(dòng)過程中車輪外傾角、前束和車輪輪距變化量平均值最小為優(yōu)化目標(biāo)。

車輪前束角優(yōu)化前后對比，如圖7，優(yōu)化后，前束角的變化量比之前大大的減小，這將對車輛直線行駛的穩(wěn)定性有顯著提高。

車輪外傾角優(yōu)化前后對比，如圖8，優(yōu)化后，外傾角的變化量為-1.25°～-0.1°，更接近于-1.0°～1.0°設(shè)計(jì)范圍。

車輪輪距優(yōu)化前后對比，如圖9，優(yōu)化后的輪距變化量比優(yōu)化前有所改善，輪距的變化范圍從-13～8 mm變?yōu)?9～5 mm，在一定程度上減小了輪胎的磨損，延長了輪胎的使用壽命。

4 結(jié)論

通過建立E型多連桿懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了E型多連桿懸架的車輪定位參數(shù)、輪距隨車輪跳動(dòng)量的變化規(guī)律及其對車輛性能的影響，為今后的進(jìn)一步分析提供了依據(jù)。同時(shí)對懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并取得了明顯的效果，符合獨(dú)立懸架的設(shè)計(jì)要求，為提高懸架的性能提供了有力的幫助。但是，由于建模時(shí)沒有考慮彈性元件的影響，會(huì)使結(jié)果精度略有降低。

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