鋼板彈簧卷耳形式對懸架運動學特性的影響分析

袁文強，劉 盼，李瀟寧

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

隨著GB 1589新法規的實施，商用汽車輕量 化技術越來越得到主機廠的重視，少片變截面鋼板彈簧作為商用車輕量化手段之一，在商用汽車中廣泛使用，其卷耳在車輛中的應用主要有上卷耳和平卷耳兩種結構（如圖1所示），卷耳結構差異影響鋼板彈簧運動學特性。基于上述原因，本文結合理論分析和仿真模擬方法，重點分析了兩種鋼板彈簧卷耳對懸架系統運動特性的影響，為鋼板彈簧卷耳選型提供設計參考。

1 相關參數設計

某車型前懸架相關參數如表1所示，本文基于表中參數研究上卷耳和平卷耳板簧兩種卷耳形式對懸架性能的影響。

2 變截面少片簧懸架運動軌跡

國際汽車工程學會（Society of Automotive Engineers, SAE）圓弧理論是20世紀60年代美國汽車工程協會推薦的圓弧近似法，即鋼板彈簧主片中心軌跡用3/4（為鋼板彈簧半長）為半徑，圓心在比主片卷耳中心高/2處（為主片中心到卷耳中心距離）。以某車型前板簧為研究對象，按照SAE理論畫出鋼板彈簧主片中心的SAE圓弧軌跡，再結合懸架系統上、下跳動極限，上卷耳和平卷耳前少片板簧主片中心SAE圓弧跳動軌跡如圖2所示，按照SAE圓弧理論采用作圖法，分析懸架跳動±100 mm時，鋼板彈簧主片中心運動軌跡如圖3所示，結果顯示下跳極限到上跳極限行程范圍內，平卷耳相比上卷耳的板簧向位移變化小。

3 基于Adams前懸架運動學特性分析

3.1 鋼板彈簧建模

在Adams建立鋼板彈簧的模型，進一步分析兩種卷耳板簧結構對懸架系統的影響。鋼板彈簧的建模方法包括有限元法、離散梁法和SAE三連桿法等。本文采用LeafTool鋼板彈簧工具箱建立某前懸架的變截面板簧模型，先用預先采集的板簧lef數據快速生成板簧的輪廓，經過設置板簧安裝、屬性文件和施加預載荷生成板簧裝配和建模模板，建立滿載狀態的板簧模板如圖4所示，對建立的板簧進行加載分析，經驗證板簧的剛度公差滿足±6%設計要求，滿足懸架系統仿真精度。

3.2 前懸架運動學模型建立

根據搭建的整車1/2模型，采集前懸架硬點數據，在Adams Car/Template 模塊中分別建立前懸架模板、轉向系統模板、穩定桿模板，建立好模型后在懸架模板中輸入前束角和外傾角設計參數，再利用已生成的板簧模板和Template 模塊中建立的系統模板在Adams Car/Standard標準界面建立各子系統，然后將前懸架、前鋼板彈簧、轉向系統、穩定桿子系統和懸架試驗臺裝配起來后即完成前懸架仿真模型建立，如圖5所示。

3.3 平行輪跳工況分析

3.3.1 車輪外傾角

圖6為車輪外傾角與車輪跳動行程關系，車輪外傾角初始值為0.5°，在輪胎跳動行程范圍，平卷耳板簧方案的車輪外傾角變化范圍為0.45°～0.54°，上卷耳板簧方案的車輪外傾角變化范圍為0.437°～0.547°，平卷耳板簧的車輪外傾角比上卷耳車輪外傾角相對外傾角初始值的變化量小，平卷耳板簧方案能較好抑制車輪外傾角的變化，使車輪能很好與地面接觸，減少輪胎磨損。

3.3.2 車輪前束角

輪胎的偏磨與前束角大小有關，前束角過大或過小都會加劇輪胎的偏磨程度，也使輪胎的滾動阻力增加，降低車輛的直線行駛能力。車輪前束角初始值為0.13°，圖7為車輪前束角與車輪跳動行程關系，平卷耳板簧方案在輪胎跳動行程范圍內的車輪前束角變化范圍為-0.826°～1.11°，上卷耳板簧方案在輪胎跳動行程范圍內的車輪前束角變化范圍為-0.99°～1.4°，結合圖7可知，平卷耳板簧方案的前束角變化量小于1°，相對于上卷耳板簧能更好地保證車輛行駛性能。

3.3.3 主銷后傾角

主銷后傾角是主銷軸線在汽車縱向平面內向后傾斜產生的角度，主銷軸線在地面的交點，使輪胎產生主銷拖距，該拖距的大小影響車輛回正性能和轉向輕便性，從圖8分析可知，上卷耳板簧方案在輪胎跳動行程范圍內的主后傾角變化范圍為2.76°～3.22°，平卷耳板簧方案在輪胎跳動行程范圍內的主銷后傾角變化范圍為2.85°～3.23°，輪胎跳動行程范圍內主銷后傾角變化量均小于0.5°，對于車輛轉向回正波動小，說明板簧卷耳形式對主銷后傾角無影響。

3.3.4 車輪縱向位移

輪胎縱向位移大小影響輪胎磨損和轉向懸架干涉量大小，從圖9可知，上卷耳板簧方案在輪胎跳動行程范圍內的車輪縱向位移變化范圍為-12.4 mm～10.58 mm，平卷耳板簧方案在輪胎跳動行程范圍內的車輪縱向位移變化范圍為-10.2 mm～8.97 mm，在車輪跳動行程范圍內，平卷耳比上卷耳板簧方案車輪縱向位移小2 mm，因此平卷耳板簧有利于減少輪胎磨損和轉向懸架干涉量。

3.4 雙輪反向輪跳工況分析

3.4.1 側傾中心高度

側傾中心高度是影響轉向時側傾角大小的主要因素，側傾中心越大，其越趨近于簧上質量質心，有利于減小轉向時的側傾力矩和側傾角，從而增加車輛舒適性和操穩性能，且增加前懸架側傾中心高度時，使前懸架趨于不足轉向特性。圖10為側傾中心高度與車輪跳動行程關系，分析結果顯示在設計狀態時平卷耳板簧方案相比上卷耳板簧方案側傾中心高10 mm左右，平卷耳板簧方案利于改善車輛操穩性能。

3.4.2 車輪輪距變化量

車輛轉向側傾時，輪距隨著懸架的壓縮和伸張發生變化，會引起輪胎的側偏角和側向力變化，可能會進一步影響汽車直線行駛穩定性，增加輪胎阻力和輪胎磨損風險。圖11為車輪輪距變化量與車輪跳動行程關系，分析結果表明，平卷耳板簧方案相比上卷耳板簧方案的車輪輪距變化量稍大，不利于減小輪胎磨損。

4 結論

（1）本文基于SAE近似圓弧理論，先通過作圖解析方法，得出平卷耳板簧對懸架運動性能影響較小，為進一步驗證分析結論，在Adams中建立車輛1/2前懸架仿真模型詳細分析兩種板簧卷耳形式對懸架運動特性的影響，模擬平行輪跳和雙輪反向跳動兩種工況，綜合對比結果表明平卷耳板簧方案有利于改善車輪定位參數，可提高車輛操穩性能。

（2）本文得出的結論可為工程實踐提供較好理論支撐，為板簧方案設計選型提供理論依據，在設計初期就確定板簧卷耳方案，避免設計方案的反復，提高設計開發效率。