基于CATIA快速完成汽車懸架硬點調整與驗證

田雅楠

(大慶油田裝備制造集團研究院，黑龍江 大慶 163411)

0 引 言

目前，國內外汽車制造企業競爭激烈。汽車懸架系統作為影響車輛動態特性的重要子系統，其優化更是亟待解決的重要問題之一。懸架系統采用不當會導致行車跑偏、輪胎偏磨、轉向不回正、回正力大等問題，一定程度上制約了我國汽車裝備制造企業發展。筆者選擇使用上下橫臂和不等臂式雙橫臂獨立懸架作為建立汽車三維前懸架的模型，并對其三維數模進行裝配，通過DMU仿真運動詳細分析了汽車懸架的運動特點和雙叉臂獨立懸架的優勢。

1 雙叉臂懸架模型的建立

1.1 類型選擇及相關計算

雙叉臂獨立懸架按照上下臂不同而分為等長雙叉臂型和不等長雙叉臂型。根據我國汽車設計經驗理論，此次雙叉臂采用上短下長的布置方案，且上臂L1與下臂L2長度之比為0.65。

車輪具有外傾角，使輪胎與地面的交點，主銷與地面的交點更靠近，從而減小轉向扭矩Mr=FxC，讓轉向毫不費力。但若外傾角不受限制，則可將其視為前輪的圓錐運動，如圖1所示。也就是說，以Ra為半徑的圓錐和偏離汽車行駛方向的關系為：

(1)

式中：Ra為前輪純滾動時轉向半徑，mm；α為前輪外傾角，rad。

隨著車速及路面平滑度的提升，汽車前輪外傾角越來越小，約為1°左右。因此上式可寫為：

(2)

圖1 外傾角變化示意圖

事實上，由于前輪有拉桿限制，汽車必須沿行駛方向移動，導致前輪易打滑，增加輪胎的磨損[1]。因此，預先在車輪前設置偏角以減小前輪外傾的影響。可以說，前束角就是因前輪外傾而存在的。

(3)

結合公式(2)、(3)，可得：

(4)

實踐應用中，前束角變化示意圖如圖2所示，前束角可近似看作：

-δ=A-B=2Dsinβδ

(5)

式中：D為前束角測量直徑，mm；δ為前束角，rad。

由此可得：

(6)

圖2 前束角變化示意圖

1.2 懸架的三維建模

根據Auto CAD設計的二維圖紙數據，建立CATIA三維數模，部分主要零部件截圖如圖3～5所示。

圖3 前上叉臂 圖4 前下叉臂

圖5 實際前懸架裝配圖

2 雙叉臂懸架運動學仿真分析

2.1 仿真平臺的建立與驅動

為建立完整的懸架系統運動仿真平臺，需收集相關車輛原始數據，如硬點坐標數據，零件尺寸和裝配尺寸等參數，然后利用CATIA軟件中的設計模塊對組件進行3D數字建模，集成到裝配文件中，導入DMU求解器，增加適當約束、驅動和測量要素后進行運動學模擬仿真分析，最終形成仿真平臺。

該平臺可完成較多工作，如間隙檢查、球銷裕度校核、形成輪胎運動包絡、車輛四輪定位參數校核與分析等[2]。在此次車輛輪胎偏磨問題整改過程中，建立以上完整仿真平臺必要性不強，且項目周期所不允許，故出于懸架系統運動學仿真平臺特點，輪胎偏磨問題只需對車輪定位參數進行校核與分析。首先將各零部件的3D數據完整繪制，不需建立完整的驅動和測量要素，將零部件的基本要素提取，即可完成仿真平臺的建立，基本要素如擺輪中心點，擺臂球銷的中心，擺臂的擺動軸線，轉向桿的內外球鉸點等，根據組件的組裝關系，使用這些元素完成仿真平臺的構建[3-4]。由于建立此仿真平臺的目的是為了完成車輪定位參數的校核與分析，整個仿真平臺的驅動或輸入只需滿足該功能即可，如懸架的垂向運動行程只按照通常懸架試驗測試要求設定為-50～50 mm 即可，該功能不需車輪轉向，可將轉向齒條的行程設定為任意值，如-30～30 mm，而無需探討懸架的實際垂向運動行程和實際的轉向齒條行程。

對樣車雙叉臂前獨立懸架零部件完成實件測量，測量項目包括：輪心位置，上、下橫臂尺寸及安裝點、球鉸點位置，轉向拉桿內、外球鉸點位置等。提取以上測量項的基本要素完成建立懸架系統運動仿真平臺，并加以觀察，每個組件元素都會加載一個運動對，是以在懸架彈跳時定義每個組件的運動狀態。考慮到左/右彈跳的對稱性，只需完成側懸架的組裝和動作子設置即可。形成只包含基本要素的雙叉臂懸架運動仿真DMU如圖6所示。

圖6 左側前懸架結構簡圖

2.2 參數輸出與分析

在CATIA仿真平臺中，加入相關條件進行懸架跳動模擬，導出仿真結果，車輪前束角(單邊)、外傾角(單邊)隨車輪跳動變化量的趨勢如圖7、8所示。

圖7 前束角(單邊)變化曲線圖

圖8 外傾角(單邊)變化曲線圖

分析曲線可知：前束角(單邊)的變化范圍約為2.4°～-0.3°，車輪外傾角的變化范圍約為1.3°～-1.3°其變化范圍涵蓋大，且隨車輪上跳有弱負前束變化趨勢。

3 雙叉臂懸架硬點調整與驗證

綜合樣車的前束角和車輪外傾變化曲線，選擇降低下橫臂內側安裝點的Z向高度，縮小前束角和車輪外傾角變化范圍，從而減輕輪胎偏磨嚴重問題。經對該仿真DMU的分析與驗證，下橫臂內側安裝點的Z向高度降低20 mm可以取得較好效果。重新生成前束角及車輪外傾角的變化曲線，并與修改前的趨勢曲線對比見圖9、10。

圖9 前束角(單邊)變化曲線圖

圖10 外傾角(單邊)變化曲線圖

由圖9、10曲線對比可知，單邊前束角變化范圍由2.4°～-0.3變為1.488°～0.035°，變化值由2.7°減小至1.453°；車輪外傾角變化范圍由1.3°～-1.3°變為1.025°～-0.984°，變化值由2.6°減小至2.009°。所考察的兩項車輪定位角變化范圍與極值均減小，達到了優化車輪定位角變化趨勢目的，從理論上解決輪胎偏磨問題。

對完成改進后的樣車更換輪胎并進行約500 km的實車道路試驗，經試驗驗證，將下橫臂內側安裝點Z向高度降低20 mm可有效解決車輛在道路行駛期間輪胎內側不均勻磨損問題。

4 結 語

通過操作CATIA軟件對汽車懸架進行三維數模裝配與運動學仿真分析，形象描繪了汽車懸架的運動特點和雙叉臂獨立懸架特有的好處。最后，本次論述的汽車雙叉臂獨立懸架硬點調整與驗證，不僅減弱輪胎偏磨，對于提高我國汽車制造企業技術也具有重要意義。