麥弗遜懸架K&C仿真分析

靳瑩　張俊

摘 要：懸架系統(tǒng)的K&C特性對于汽車的整車性能有著重要的影響。文章針對麥弗遜懸架系統(tǒng)建立相應的虛擬樣機模型并利用ADAMS/CAR進行仿真，通過比較和分析模型參數(shù)的運動學特性和彈性運動學特性，探究各參數(shù)對該模型K&C特性的影響。相關結論可以在工程應用中為此類懸架的優(yōu)化設計提供一定的參考。

關鍵詞：汽車;懸架;K&C特性;ADAMS/CAR

1 引言

懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其作用是彈性連接車架（或車身）與車軸（或車輪）并傳遞作用于其間的一切力和力矩，減緩由路面帶來的振動與沖擊，從而保證汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，以期使得汽車具有優(yōu)良的行駛能力[1-2]。近年來，對于汽車懸架系統(tǒng)的研究主要針對以下兩方面：一是懸架系統(tǒng)的設計，包括懸架結構形式的設計、懸架元件傳遞特性的確定等;二是懸架系統(tǒng)性能的評價，即運用何種基本參數(shù)來系統(tǒng)地評價其性能的優(yōu)劣，如何評價基本參數(shù)的變化特性的合理性等[3]。如前所述，懸架系統(tǒng)的設計與研究主要影響了汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，因此可將對汽車懸架系統(tǒng)的研究分為對汽車平順性產生主要影響的懸架特性研究和對汽車操縱穩(wěn)定產生主要影響的懸架特性研究，也即汽車懸架運動學特性（K特性）研究和汽車懸架彈性運動學特性（C特性）研究[4-5]。

計算機模擬仿真和K&C臺架試驗兩種方法是常用的對汽車懸架運動學與彈性運動學特性進行研究的一般方法[6]。本文采用的仿真分析通過計算K&C特性來判斷懸架的特性是否合適，來確定車輛前期和中期的生產方案，這也是目前在工程應用中關于車輛設計的一個重要手段[7]。

2 懸架硬點空間坐標計算

如圖1所示，取與汽車前進方向相反的方向為X軸正方向，輪心處為X軸零點;取汽車右側方向為Y軸正方向，汽車的縱向對稱面為Y軸零點;應用右手螺旋定則確立空間直角坐標系，則Z軸正方向垂直向上，原輪胎接地點為Z軸零點。

懸架模型中的下擺臂與車身的鉸鏈點A、B，減振器的上支點H，以及轉向器與轉向橫拉桿的鉸鏈點F，在懸架模型中是固定鉸鏈點，相對于其它鉸鏈點無相對運動，可作為已知點。

麥弗遜懸架模型減振器上支點H點與下擺臂鉸鏈點C點的連線為主銷軸線而主銷后傾角、主銷內傾角、C點空間坐標已知，依據(jù)已知參數(shù)可得如下方程

在三角形的下擺臂結構中，與車身相連的固定鉸鏈點A、B的空間坐標系均已知。設定直線CP與直線k的距離t為P點相對于AB垂直平分線的偏移量，假設P點分直線AB的比例q為

同時，P點坐標在過C點作直線AB的法平面內，即P點坐標同時滿足該法平面方程，即

聯(lián)立式（1）、（2）和（6）可求得下擺臂球頭鉸鏈點C點的空間坐標。

K點為主銷軸線HC與車輪軸線DM在后視圖投影的交點，計算時可將其投影到 Y-Z面上。已知H點到車輪軸線的Z向距離和H點到C點的Z向距離，因此可以算出KC的空間距離，且由于K點空間坐標滿足主銷軸線的空間直線方程，因此可得K點的空間坐標如下式

其中。

3 建立懸架仿真模型

通過樣車模擬以及計算得到了懸架主要硬點C和K的空間坐標，根據(jù)麥弗遜懸架的實際結構和相關建模數(shù)據(jù)，利用ADAMS/CAR建立懸架虛擬樣機模型如圖2所示，其坐標系為：X軸正向為汽車前行方向的反方向，Y軸正向為面對汽車正面的左側，Z軸垂直地面指向上方。

根據(jù)相關設計要求對初始懸架部分參數(shù)進行調整[8]，圖3和圖4分別是調整前后的硬點數(shù)據(jù)

4 懸架雙輪同向激振試驗的K&C特性分析

以下各圖曲線為前懸架左右車輪的輪跳在-100mm～100mm的跳動過程中懸架的運動學分析特性曲線。各圖中紅色、黑色分別代表調整前后的懸架模型。

（1）車輪外傾角

如圖5-1所示，輪跳量的大小在-100～30mm變動過程中，懸架模型調整前后的車輪外傾角都在減小，30～100mm過程中又逐漸增大，且調整后的懸架模型變化幅度較大。將調整前后的懸架模型曲線相比較可以看出，調整后的懸架模型車輪外傾角的變化小，這對于汽車操縱穩(wěn)定性有很大幫助。

（2）車輪前束角

如圖5-2所示，隨著車輪輪跳量的增加，調整前的懸架模型前束角由正至負有較大的變動，而調整后的懸架模型變動范圍較小而且曲線比較平緩，因此更能夠適應路面的要求，在-60～0mm階段，前束角幾乎沒有改變，可見調整后的懸架對于汽車行駛的穩(wěn)定性和輪胎的偏磨損有幫助。

（3）主銷后傾角和主銷后傾拖距

圖5-3、5-4分別表示主銷后傾角與主銷后傾拖距，可以看出，調整后懸架模型的主銷后傾角和主銷后傾拖距均大于調整前的懸架模型。主銷后傾角越大則車輛的直線行駛性越好，轉向后方向盤的回復性也越好，但是調整后的懸架模型主銷后傾角在輪跳的后段值偏大，這會使得轉向變得沉重，駕駛員容易疲勞?，F(xiàn)代高速汽車由于降低了輪胎氣壓使得其彈性增加，進而引起穩(wěn)定力矩增加。因此，懸架主銷后傾角可以減小到接近于零，甚至為負值。

5 結論

文章運用ADAMS/CAR模塊建立了麥弗遜獨立懸架仿真模型，利用虛擬實驗臺架進行了雙輪同向激振的仿真實驗，并對調整前后的懸架模型進行仿真實驗分析。通過試驗曲線對于調整前后的懸架模型的運動學和彈性運動學特性進行分析，根據(jù)車輪定位參數(shù)等重要指標對調整前后的模型做出了直觀的評價。綜合各仿真曲線可以看出，調整后的懸架模型在操縱穩(wěn)定性和平順性上相較于基于原始參數(shù)的懸架模型有一定的改進。但是具體的整車性能則需要完整的整車模型和整車試驗才能最終得出結論。

參考文獻：

[1]王望予.汽車設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]楊樹凱.獨立懸架性能評價指標與評價方法及其在雙橫臂與多連桿式懸架上的仿真實現(xiàn)[D].吉林大學碩士學位論文，2005：4.

[4]Cai Zhang lin，Song Chuan xue，An Xiao juan.Virtual Simulation Research on Compliance Measuring and Simulation[C]//SAE paper，2006.

[5]馬濤峰，薛念文，李仲星，周孔康.對汽車操縱穩(wěn)定性的影響因素分析及對操縱穩(wěn)定性的研究評價[J].機械設計與制造，2005年第4期：122-124.

[6]姬鵬，孫振軍，崔國華.ADAMS在汽車操縱穩(wěn)定性評價中的應用[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2006年第5期：32-35.

[7]伊鴻慧，許滄栗.車輛操縱穩(wěn)定性評價方法及其在車輛基本結構參數(shù)設計中的應用[J].機械設計與制造，2006年第11期：1-3.

[8]Andrew Middleton.懸架系統(tǒng)模擬測試[J].汽車制造業(yè)，2005年第4期：12-23.