基于某車型后扭力梁懸架K&C特性分析

吳利廣，景立新，李廣，李雪鵬，張雨，曹嬌嬌

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基于某車型后扭力梁懸架K&C特性分析

吳利廣1，景立新1，李廣2，李雪鵬1，張雨1，曹嬌嬌2

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.河北工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，天津 300130）

為了獲得扭力梁橫梁開口角度、橫梁位置、襯套安裝角度三個因素對于扭力梁懸架K&C性能的影響，通過HyperMesh軟件將建立的扭力梁柔性體導(dǎo)入ADAMS/CAR軟件中進行懸架K&C特性仿真分析，分析得到橫梁開口角度及位置對與懸架的K&C特性影響較大，尤其前束角和側(cè)傾中心高度的變化，為扭力梁前期設(shè)計提供參考，為后期懸架K&C特性優(yōu)化提供了方向。

梁橫梁開口角度；橫梁位置；襯套安裝角度；前束角；側(cè)傾中心高度

前言

汽車懸架是影響汽車行駛平順性與操縱穩(wěn)定性等整車性能的重要總成[1]，尤其是車輛經(jīng)過不平路面時，懸架對于整車的性能影響更加明顯。扭力梁懸架是界與非獨立懸架與獨立懸架之間的半獨立懸架，其扭力梁本身具有彈性，使左右兩側(cè)車輪動作具有一定的獨立性。由于扭力梁懸架節(jié)約空間、制造成本低等優(yōu)點，目前，被廣泛應(yīng)用于各種經(jīng)濟型轎車及SUV車型中。扭力梁懸架中橫梁起到穩(wěn)定桿作用，在惡劣工況下，對車身側(cè)傾及轉(zhuǎn)向側(cè)傾能力具有較穩(wěn)定作用[2]，當車輛遭受惡劣工況下的轉(zhuǎn)向、制動行駛時，考慮載荷轉(zhuǎn)移的作用，需要合理的橫梁開口方向及位置。

本文基于某車型的三維模型，通過模態(tài)分析法建立扭力梁柔性體，導(dǎo)入ADAMS/CAR軟件中建立后扭力梁懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分別分析了橫梁開口方向、橫梁位置、襯套安裝角度三個因素對于懸架K&C特性的影響。

1 扭力梁動力學(xué)分析

1.1 扭力梁后懸架模型

扭力梁式懸架中彈性元件為螺旋彈簧，有一根整體的V形斷面橫梁，橫梁兩端焊接上變截面的管狀縱臂形成一個整體構(gòu)架?？v臂前端通過橡膠襯套與車身作鉸接，縱臂后端與輪轂及減震器相連[3]。汽車行駛通過不同路面時，扭力梁懸架通過扭力梁彎曲與扭轉(zhuǎn)變形將力傳遞給車身。

車輛行駛時，車輪連同扭力梁后軸體相對車身以縱臂前端橡膠襯套為支點上下擺動，縱臂前端的橡膠襯套是不對稱的橡膠楔形結(jié)構(gòu)，徑向的剛度小，軸向剛度大；當橫梁兩側(cè)懸架變形量不相同時，扭力梁后軸體的V形斷面橫梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，因此，扭力梁懸架的V形斷面橫梁應(yīng)具有較大彈性，起到橫向穩(wěn)定桿作用。

1.2 扭力梁后懸架K&C特性分析

懸架系統(tǒng)的多體動力學(xué)主要包括懸架運動學(xué)與彈性運動學(xué)(Kinematics ＆Compliance)，其中懸架運動學(xué)指在懸架彈簧元件變形及車輪轉(zhuǎn)向時車輪定位參數(shù)與懸架垂直剛度的變化;彈性運動學(xué)(Compliance)指車輪和路面之間產(chǎn)生的力和力矩，導(dǎo)致的車輪定位參數(shù)與懸架剛度的變化[4]。懸架K特性主要影響車輛的平順性能，C特性主要影響車輛的操縱穩(wěn)定性能。懸架K＆C 特性主要工況包含平行輪跳工況、側(cè)傾工況、同向（反向）側(cè)向力工況、同向（反向）回正力矩工況、縱向力工況、轉(zhuǎn)向工況。相關(guān)參數(shù)主要涉及前束角變化、側(cè)傾剛度變化、懸架側(cè)傾中心高度等參數(shù)。

前束角是指從車輛縱向方向看的中心平面和輪輞的中心平面以及地面交線間的夾角。若車輪的前端向汽車縱向中心平面傾斜，則為正前束；反之為負前束。若從車輛行駛方向看，則前束角大小與車輪的側(cè)偏角一樣[5]。對于設(shè)置前束角的汽車，車輪的布置方式為：對稱于汽車縱向中心平面斜向布置，從而使汽車具有較好的直線行駛性能，避免發(fā)生車輛跑偏現(xiàn)象。輪胎發(fā)生跑偏會加劇輪胎磨損，導(dǎo)致車輛滾動阻力增加，為了避免發(fā)生跑偏現(xiàn)象，平行工況下，前束角變化應(yīng)該較小。對于后懸架來講，車輪上跳時前束角增大，車輪下調(diào)時，前束角減小，從而保證汽車轉(zhuǎn)彎時后軸產(chǎn)生不足轉(zhuǎn)向。與前輪相比，后輪前束角變化率對于汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的影響更大。

圖1 扭力梁側(cè)傾受力模型

懸架側(cè)傾中心指車軸橫斷面內(nèi)的一點，在懸架側(cè)傾中心處對車身施加側(cè)向力，汽車簧上質(zhì)量不會出現(xiàn)角位移變化，由于它是車軸處車身橫斷面轉(zhuǎn)動的瞬時中心，懸架側(cè)傾中心又被稱“瞬心”[6]。車輛轉(zhuǎn)彎時，車輛載荷產(chǎn)生橫向轉(zhuǎn)移，由于離心力的作用，車身會發(fā)生繞側(cè)傾中心的側(cè)傾，從而導(dǎo)致車身的側(cè)傾力矩發(fā)生變化。對于扭力梁懸架，當車輛進行曲線行駛時，扭力梁懸架的橫梁產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，增加了懸架側(cè)傾角剛度、減小車身側(cè)傾角，起到提高車輛操縱穩(wěn)定性的作用，扭力梁側(cè)傾受力如圖1所示。

扭力梁橫梁扭轉(zhuǎn)力矩T由兩對力偶產(chǎn)生：

式中：

a—橫梁距扭力梁與車身安裝點的縱向距離；

b—橫梁距后輪輪心得縱向距離；

C—為后輪輪距；

d—為扭力梁與車身連接點左右側(cè)距離；

θ—橫梁兩端相對扭轉(zhuǎn)角

側(cè)傾中心高度越大，側(cè)傾中心到質(zhì)心位置的距離越短，使側(cè)傾力臂和側(cè)傾力矩小，最終獲得較小的車身側(cè)傾角，減小汽車橫向的載荷轉(zhuǎn)移，有利于車輛的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向性能，但如果側(cè)傾中心過高，導(dǎo)致車身發(fā)生側(cè)傾時輪距變化過大，加劇了輪胎磨損，導(dǎo)致汽車直線行駛性能降低；側(cè)傾中心降低，輪距變化大，形成負外傾角，提高承受側(cè)向力能力，但會使懸架上跳極限減小。因此，懸架側(cè)傾中心高度需要有合理的范圍，一般前獨立懸架側(cè)傾中心高度范圍0~120mm，后獨立懸架范圍80~150mm，后扭力梁懸架側(cè)傾中心高度偏大，在100~150mm左右。

側(cè)傾中心高度H：

式中：

Δ—輪距變化；Δ—輪跳行程；—輪距

2 扭力梁懸架K&C仿真分析

基于某后懸架采用扭力梁的小型轎車，進行懸架K&C仿真分析，通過選取不同的橫梁開口角度、橫梁位置及扭力梁與車身襯套的安裝方向來進行對比分析，該樣車的后懸架主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)

本文通過CATIA軟件將已建立好的不同扭力梁的三維模型導(dǎo)入到有限元處理軟件Hypermesh中，對后扭力梁模型進行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置網(wǎng)格屬性。然后將建好的柔性體模型導(dǎo)入到ADAMS/CAR軟件中，建立后扭力梁懸架的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，進行K&C特性仿真。將K&C仿真結(jié)果與K&C試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模型的準確性。

原模型后扭力梁橫梁開口向下，將橫梁位置順指針轉(zhuǎn)動90度、180度；逆時針轉(zhuǎn)動90度進行K&C對比分析，將原橫梁位置沿車身縱向前移50mm、后移50mm進行K&C分析對比；將縱臂安裝襯套旋轉(zhuǎn)45度、90度、135度進行K&C分析對比。

2.1 橫梁開口方向

本節(jié)對不同開口方向的橫梁扭力梁懸架分別進行懸架K&C仿真分析，扭力梁懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示，對K&C仿真結(jié)果中相差較大的曲線進行分析：

圖2 不同開口方向橫梁的扭力梁懸架

圖3 平行輪跳工況前束變化

圖4 側(cè)傾工況輪胎接地點側(cè)向位移

圖5 側(cè)傾工況前束角變化

圖6 側(cè)傾工況側(cè)傾中心高度

圖7 反向側(cè)向力前束變化

圖8 同向側(cè)向力側(cè)傾中心高度變化

平行輪跳工況及側(cè)傾工況下，懸架前束角變化區(qū)別明顯，平行輪跳工況下橫梁開口方向向前和向后的前束角變化率明顯減小，不利于汽車的不足轉(zhuǎn)向；側(cè)傾工況中，前束角變化均與原變化方向相反，導(dǎo)致車輛的過度轉(zhuǎn)向，不利于車輛的換道行駛性能；輪胎接地點側(cè)向位移相差明顯，當橫梁開口方向向上時，輪胎接地點側(cè)向位移為正變化率，加劇輪胎磨損；側(cè)傾工況和反向側(cè)向力工況下，懸架側(cè)傾中心高度均降低，且橫梁開口方向向上時，側(cè)傾中心高度為零及負值，不利于汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能。

2.2 橫梁位置

扭力梁懸架為半獨立懸架，即復(fù)合式懸架，其中橫梁位置越靠前，懸架性能越接近于獨立懸架，反之，橫梁越接近輪心處，懸架性能越接近于非獨立懸架，由于受結(jié)構(gòu)限制，本節(jié)將橫梁位置前移50mm和后移50mm，與初始位置進行對比分析，結(jié)果圖如下：

圖9 反向側(cè)向力前束角變化

圖10 同向側(cè)向力側(cè)傾中心高度

同向側(cè)向力工況下，前束角及側(cè)傾中心高度變化明顯，結(jié)果可為模型優(yōu)化提供參考。

2.3 襯套安裝方向

車輛轉(zhuǎn)向時，如果不考慮側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移，即左右輪的輪胎接地點所受側(cè)向力相同，則作用在輪胎接地點的力可以分解為作用在連接車身的襯套處的側(cè)向力和作用在扭力梁橫梁的力矩，作用在襯套處的力有利于提高車輛的不足轉(zhuǎn)向。由于車身連接處的襯套采用大襯套，X向、Y向的剛度不同，本節(jié)通過將襯套轉(zhuǎn)動不同的角度，研究襯套對于后扭力梁懸架K&C特性的影響。

圖11 同向側(cè)向力工況前束變化

圖12 同向側(cè)向力工況側(cè)向柔度

圖13 同向縱向力工況縱向柔度

縱臂梁與車身連接處襯套的轉(zhuǎn)動角度對于懸架K特性影響非常小，對懸架C特性有影響，由上圖可知，襯套安裝方向?qū)τ趥?cè)傾工況下的前束角變化及剛度變化影響較大，側(cè)向力工況的前束角變化應(yīng)與側(cè)向力作用方向一致，變化梯度為正，有利于車輛的不足轉(zhuǎn)向?？v向工況的剛度變化影響車輛的俯仰姿態(tài)，影響整車的平順性能。

3 結(jié)論

（1）扭力梁懸架的橫梁開口方向?qū)τ趹壹躃&C特性影響明顯，可以通過調(diào)整開口方向，改善懸架前束角及側(cè)傾中心高度變化，從而優(yōu)化車輛的整車性能。

（2）扭力梁懸架的橫梁位置對于懸架的側(cè)傾中心高度影響較大，可以為前期懸架設(shè)計提供參考。

（3）本論文通過改變橫梁位置及開口方向，研究其對懸架K&C特性的影響，沒有對扭力梁進行強度及壽命分析，后期可以加入扭力梁的有限元分析，以及研究橫梁對于整車性能的影響。

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[2] 廖抒華,蘇海亮.扭力梁優(yōu)化分析及動特性研究[J].機械設(shè)計與制造,2015（4）:74-80.

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Analysis of K&C of Torsion Beam Suspension Based on a Vehicle Model

Wu Liguang1, Jing Lixin1, Li Guang2, Li Xuepeng1, Zhang Yu1, Cao Jiaojiao2

( 1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300; 2.School of mechanical engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130 )

In this paper, through the flexible body of torsion beam established by HyperMesh is introduced into ADAMS/CAR software for simulation of suspension K&C characteristics.The influences of three factors, such as the opening angle of the beam, beam position and bush installation angle, on the K&C performance of the suspension are obtained.The analysis shows that the opening angle and position of the beam have a great influence on the K&C characteristics of the suspension, especially the change of toe angle and height of the roll center,andprovides a reference for the design of the torsion beam at early stages and a direction for the suspension K&C characteristics optimization in late period.

the opening angle;beam position;bush installation angle;toe angle;height of the roll center

A

1671-7988(2018)18-132-04

U463

A

1671-7988(2018)18-132-04

CLC NO.: U463

吳利廣，工作單位：中國汽車技術(shù)研究中心、職稱：工程師研究方向：汽車底盤性能開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.045