麥弗遜懸架前輪外傾角偏差分析

王小海，張少雄，居 坤，李 明

（廣州汽車集團股份有限公司工程研究院，廣州 511434）

0 引言

在消費者購車過程中，整車行駛過程中的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性感受成為消費者購車驅動的重要因素。懸架系統(tǒng)作為汽車底盤的核心總成，很大程度上決定著汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性[1]。本文中的麥弗遜式（McPherson）懸架系統(tǒng)與其他懸架系統(tǒng)相比，具有結構簡單緊湊、占用空間少以及車輪外傾角與主銷內傾角變化小的特點，易于保證整車行駛性能要求，但是在汽車制造過程中，存在多種影響因素導致外傾角變化使其偏離設計值。麥弗遜懸架的外傾角參數(shù)對汽車的性能非常重要，如果控制不好，會使汽車出現(xiàn)駕駛時方向盤過重或漂浮發(fā)抖、直行時汽車向左或向右跑偏等行駛問題，懸架的運動學性能直接影響操縱穩(wěn)定性等汽車使用性能，懸架的性能取決于懸架的開發(fā)設計水平[2]。因此分析懸架結構關鍵部件的尺寸公差對解決麥弗遜懸架前輪外傾角制造偏差帶來的行駛性能問題非常重要。

1 麥弗遜式懸架結構

汽車前麥弗遜懸架系統(tǒng)主要由螺旋彈簧、副車架、減震器、制動器、轉向節(jié)、連接桿、橫向穩(wěn)定器、擺臂8個主體部分組成[3]，如圖1所示。

圖1 麥弗遜前懸構造示意圖

圖2 麥弗遜式懸架的外傾角示意圖

2 麥弗遜式懸架外傾角

從車輛正后方觀察車輪中心線與鉛垂線之間的夾角，如圖2 所示。當輪胎中心線與鉛垂線重合時，稱為零外傾角，其作用是防止輪胎不均勻的磨損[4]。

3 外傾角偏差

現(xiàn)狀描述：左前外傾角NG的情況為超出上限值超差（超出10′），右前外傾角NG的情況為超出下限值超差（超出-50′），圖3 及圖4 所示為左/右前輪外傾角NG時，外傾角的分布情況。據(jù)目前統(tǒng)計為左右外傾角同時NG 的情況，左前外傾NG 的情況下，右前外傾角在-20′～-50′范圍分布（偏離中值往負外傾趨勢）；右前外傾NG 的情況下，左前輪在0′～10′范圍分布（偏離中值往正外傾趨勢）。

圖3 左前外傾NG情況下左右外傾角分布情況示意圖

圖4 右前外傾NG情況下左右外傾角分布情況示意圖

從趨勢上看，左前外傾角往正外傾方向NG的情況下，右前外傾有偏向負外傾靠近下限的趨勢；右前外傾角往負方向NG的情況下，左前外傾角有偏向正外傾靠近上限的趨勢?？梢缘贸鲆?guī)律，左前外傾往正外傾方向超差時，右前外傾會往負方向增大，左右外傾角受到相互影響。

4 問題分析

通過分析，外傾角偏差問題原因主要在以下3個方面：（1）設計因素；（2）加工制造因素；（3）工藝方案因素。如表1所示。

表1 影響對前輪外傾角因素構成表

4.1 二維尺寸鏈分析

尺寸鏈的定義，由相互關聯(lián)的一組尺寸組成的封閉尺寸組合就是一個尺寸鏈[5]通過二維尺寸鏈分析找出重要零部件對外傾角偏差影響貢獻度計算，如表2所示。

圖5所示為麥弗遜懸架結構幾何簡圖。首先定義主銷上的點C（下球頭銷的中心）；點D 為主銷上控制點；點CD 連線即是主銷軸線；點E 為轉向節(jié)與減震器安裝點，F(xiàn)為車輪中心線與減震器軸線交點；點G為車輪中心；點P為車輪軸線與主銷軸線在后視圖上的交點，點A、B 為下擺臂與副車架安裝點，從3D 數(shù)模上分別測量了相關硬點連線在YZ平面上的投影尺寸，按照圖2～3 可以得到上述各零部件的位置度公差（±T/2）對外傾角的影響量

表2 影響外傾角尺寸功能因素

式中：P為外傾角偏差值；Lz為零件幾何尺寸主銷軸線在YZ 平面內的投影，mm；T 為硬點位置度差值，mm。

圖5 麥弗遜懸架結構幾何簡圖

下擺臂作為汽車懸架系統(tǒng)中傳力和導向的重要部件，其一端通過橡膠襯套與副車架連接，另一端通過球鉸與轉向節(jié)連接，將作用在車輪上的各種力傳遞給車身，并保證車輪按照一定軌跡運動[7]。

總成中前擺臂總成影響外傾角的尺寸為（311.7±0.5）mm，投影在YZ 平面后，其對外傾角的影響量P擺臂=arctan±0.52Lz=2.76′。

副車架安裝到車身上的4 個孔位位置度公差為2.0 mm，工裝定位銷與車架定位孔的孔銷浮動公差為0.5 mm，副車架總成對外傾角的影響量為白車身減震器安裝孔與工裝在車身上定位孔Y 向距離公差為±0.7，P白車身=±arctan(0.7/2Lz)≈4.3′。

減震器孔位為?14.2±0.1，轉向節(jié)孔位尺寸為?14.2±0.05，連接二者的螺栓為M14。減震器與轉向節(jié)采用兩孔連接，所以需要考慮兩孔的位置度，則轉向節(jié)與減震器裝配引起的左右偏移量為：±（0.2+0.2+0.1）=±0.5 mm。因此，減震器與轉向節(jié)裝配對外傾角的影響量P2=arctan（±0.5）/2L1≈12.27′，上式中L1為零件幾何尺寸在YZ 平面上的投影，此處取值70 mm，為轉向節(jié)與減震器連接孔直線投影，如圖6所示。

圖6 減震器與轉向節(jié)連接處

從計算分析的結果來看，減振器與轉向節(jié)的連接位置對外傾角出現(xiàn)偏差的影響最大，其次分別是白車身的精度及副車架的精度對外傾角的影響最大。

4.2 三維尺寸分析

（1）前輪外傾角參數(shù)目標創(chuàng)建

前輪外傾角度為從車輛前方觀察車輪中心線與鉛垂線之間的夾角，向外為正，向內為負。在3DCS中創(chuàng)建前輪外傾角參數(shù)的測量。使用3DCS中的角度測量工具創(chuàng)建外傾角測量(通過DCS的功能在虛擬的環(huán)境下，對已有的三維模型進行分析，用來模擬實際裝備時可能發(fā)生的尺寸匹配問題[6])，如圖7所示。

圖7 3DCS虛擬裝配示意

（2）零件裝配關系創(chuàng)建

3DCS 可以采用多種裝配方法來模擬實際的裝配方式，可采用傳統(tǒng)3-2-1定位原理來約束零件的6個自由度，也可通過機械運動模塊中的運動副和約束來建立零件間的裝配關系，根據(jù)實車裝配工藝，選擇不同的裝配方式，并定義不同的裝配順序，如圖8所示。

圖8 前懸裝配流程示意

（3）零件公差輸入

根據(jù)零件及產(chǎn)品GD&T圖紙輸入產(chǎn)品公差，進行尺寸鏈公差分解，如表3所示。

表3 影響外傾角尺寸功能要素公差表

（4）3DCS仿真分析

圖9所示為3DCS分析結果。

取樣次數(shù)為5 000次；所有零件作為剛體，即不考慮零件變形；所有零件的輪廓度公差分布類型為正態(tài)分布；所有零件的位置度公差分布類型為RightSkew 分布；單件及供貨狀態(tài)總成生產(chǎn)能力達到6Sigma水平。

（5）仿真分析目標

前輪外傾角規(guī)格范圍為-20′±30′。

圖9 3DCS分析結果

5 關鍵影響因素貢獻度對比及驗證

（1）二維計算分析結果

二維計算分析結果如表4所示。

表4 二維分析結果

（2）軟件三維計算分析結果

軟件三維計算分析結果如表5所示。

表5 三維計算分析結果

（3）裝車驗證結果

裝車驗證結果如表6所示。

表6 裝車驗證結果

6 解決措施

6.1 敏感產(chǎn)品精度控制-減震器

如圖10 所示。減震器中心線與滑柱軸線無平行度要求，上下與轉向節(jié)安裝孔無孔徑公差要求及同軸度要求。具體方案如下。

（1）中心線M與軸線N距離為42±0.3；

（2）中心線M與軸線N平行度為//0.3；

（3）B孔與C孔的同軸度為0.2；

（4）B孔與C孔孔徑公差為?14.2（0-0.1）。

圖10 減震器公差控制圖

6.2 敏感產(chǎn)品精度控制-轉向節(jié)

轉向節(jié)兩安裝孔對外傾角極為敏感，必須嚴格控制加工兩孔的誤差，如圖11所示。

圖11 轉向節(jié)公差控制圖

轉向節(jié)與與減震器安裝連心軸線與剎車盤安裝面的夾角公差±0.2 mm控制；轉向節(jié)與與減震器安裝孔中心距公差±0.1控制。

6.3 敏感產(chǎn)品精度控制-副車架

圖示圈位置是M10的安裝螺栓對應?12 mm的過孔，供應商副車架此兩孔精度不穩(wěn)定。如圖12所示。

圖12 副車架公差控制圖

（1）現(xiàn)場此兩安裝孔易造成遮孔（三維尺寸鏈校核分析滿足要求），目前乘用車因遮孔對副車架合車采用預緊，后續(xù)再調整對準裝配打緊，造成副車架與車身無定位效果。

（2）前副車架焊接定位孔與檢具主副定位孔不統(tǒng)一，造成誤差累計大。

具體方案如下。

（1）將此兩孔孔徑由?12增大至?14；

（2）要求副車架供應商焊接定位孔調整至與檢具定位孔統(tǒng)一；

（3）圖示副車架與車身6個安裝孔位置度必須控制在2.0以內。

6.4 敏感產(chǎn)品精度控制-白車身

白車身GD&T圖紙未要求對白車身上副車架安裝孔及工裝定位孔構建局部基準進行檢測控制，未對建立白車身上工裝定位孔與減震器安裝孔Y向功能尺寸要求（通過產(chǎn)品功能尺寸的定義，可確定總成、分總成和零件的設計目標，驅動總成或分總成中所有零件的結構關系、定位策略、工藝過程、公差要求等的設計[8]）。如圖13所示。

圖13 白車身公差控制圖

具體方案如下：

（1）白車身GD&T圖紙要求對白車身上副車架安裝孔及工裝定位孔構建局部基準進行檢測控制；

（2）白車身GD&T圖紙要求對白車身上工裝定位孔與減震器安裝孔Y向相對尺寸檢測控制。

7 結束語

本文通過對麥弗遜懸架的結構機理進行幾何關系的轉化，運用了三維尺寸分析模擬實際裝配狀態(tài)的尺寸偏差，得到影響外傾角偏差的關鍵貢獻因子的零件，并對關鍵零件的公差要素進行專項管控。

研究結果說明，在前期圖紙設計開發(fā)工作中，就需要提前識別影響外傾角的關鍵公差要素因子，并在圖紙中進行公差分配設計，才能保證麥弗遜懸架在制造過程中外傾角偏差在要求范圍內。