龐中華 樊利芳 趙亞利

（中原科技學(xué)院，鄭州 450000）

汽車作為人們?nèi)粘Ｉ畛鲂械谋仨毠ぞ?，其穩(wěn)定性和舒適性等性能指標(biāo)逐漸提高。汽車性能指標(biāo)中行駛的平順性是一個很重要的因素。平順性指在汽車行駛的過程中乘車人員對汽車顛簸的具體感受。它對汽車上的零件會產(chǎn)生明顯的疲勞損壞，并降低零件的使用年限。由于車輛震蕩而產(chǎn)生的噪聲，還可能會大大降低旅客的舒適度，從而對汽車動力學(xué)性能、制動穩(wěn)定性和操控的穩(wěn)定性造成影響[1]。

1 汽車懸架特性及參數(shù)確定

獨(dú)立懸架體系，即兩端車軸獨(dú)立于懸架，其4個車輪都分別獨(dú)立地連接到一個車架下面。當(dāng)一輛汽車一側(cè)的4個車輪因?yàn)榈孛姘纪共黄接绊懚匀坏匕l(fā)生跳動時(shí)，另一側(cè)的4個車輪不會因跳動而受到影響，從而保持了車輛的相對穩(wěn)定性以及駕駛的舒適性，其中的關(guān)鍵部件是由上A臂和下A臂組成的獨(dú)立前懸結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1中的獨(dú)立前懸架上A臂3和獨(dú)立前橋下A臂5組成了獨(dú)立前懸架，靈活度比剛性懸架高，且振動幅度大，因此研究由臂組成的前懸架以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的相關(guān)懸架特性尤為重要。主要研究參數(shù)為前輪的定位角、車輪的偏離角、導(dǎo)向桿系及轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動協(xié)調(diào)性等，而這些參數(shù)大多為影響操縱穩(wěn)定性的重要因素。汽車行駛的平順性與汽車四輪定位息息相關(guān)，其前束角和主銷傾角（主要包括主銷內(nèi)傾角和主銷外傾角）是影響四輪定位的一些因素，其中前束變化范圍的大小對該性能影響較大[2]。

圖1 懸架結(jié)構(gòu)

前束角是汽車縱向中心平面與車輪中心平面和地面的交線之間的夾角（與后束相對），能使汽車在制動過程中穩(wěn)定行駛。良好的直線行駛性能可以通過前束的彈性運(yùn)動變化來實(shí)現(xiàn)。在一定行駛穩(wěn)定性要求的情況下，前束角有著固定的變化范圍約束，但它的實(shí)際變化范圍越小，汽車行駛穩(wěn)定性能越好。懸架的特性主要表現(xiàn)在線剛度和角剛度方面[3]。

截取汽車的運(yùn)動過程中的某一節(jié)點(diǎn)，將其看做靜止?fàn)顟B(tài)，輪胎上的地面法向反作用力為FZ′，其大小為為懸掛質(zhì)量重力，Gu為非懸掛質(zhì)量重力。在輪胎上加上一個向上的微元力?FZ，由此引起車輪在垂直方向的微元位移?St和彈簧沿其中心線方向的微元位移?Ss，則彈簧力也相應(yīng)增加了?Q：

式中：KS為彈簧剛度。

由此可得：

式中：m為彈簧中心至橫臂鉸接點(diǎn)的距離；n為橫臂長。

另外，根據(jù)力矩平衡有：

整個懸架的線剛度Kl為：

當(dāng)車廂出現(xiàn)小側(cè)傾角dΦr時(shí)，等效彈簧的變形量為故車廂受到的彈性恢復(fù)力偶矩為：

式中：K1′為一側(cè)懸架的線剛度；B為輪距。

懸架側(cè)傾角剛度KΦr為：

參考車型主要參數(shù)如表1所示。

表1 參考車型主要參數(shù)

2 懸架特性仿真結(jié)果分析

2.1 仿真分析

通過UG/NX軟件進(jìn)行幾何和物理建模，并對部件間施加約束，最后得到虛擬的汽車前懸架模型。借助ADAMS有限元分析軟件對前橋剛度仿真分析，并添加硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，顯示前懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 雙叉臂前獨(dú)立懸架模型

改變整車輪子的半徑、輪胎質(zhì)量、重心高度、剛度、簧上質(zhì)量和軸距等數(shù)據(jù)。設(shè)置其跳動步數(shù)為40，上跳動行程為40，下跳動行程為-40，直接得出仿真結(jié)果如圖3所示。在軟件中打開“page_Kingpin_inclination_angle”，雙叉臂前懸架主銷內(nèi)傾角曲線如圖4所示，打開“page_caster_angel”，主銷外傾角曲線如圖5所示。由此得出仿真分析結(jié)果如表2所示。

圖3 雙叉臂前懸架前束曲線

圖4 主銷內(nèi)傾角曲線

圖5 主銷外傾角曲線

表2 仿真分析結(jié)果

基于表2得到了前束角參數(shù)變化值與角度變化的關(guān)系、主銷內(nèi)傾角變化值與角度變化的關(guān)系和外傾角與角度變化的關(guān)系。通過對前束角、內(nèi)傾角和外傾角進(jìn)行分析，由設(shè)計(jì)原則可知，其中前束角對前橋影響較大，其變化范圍越小，汽車行駛平順性越好，因此嘗試對前束角進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化分析

優(yōu)化前束角時(shí)，需要導(dǎo)入需要優(yōu)化的曲線和仿真優(yōu)化懸架，并進(jìn)入優(yōu)化頁面，然后添加X、Y、Z這3個硬點(diǎn)，再將其加入“Inclusions”，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向拉桿的外點(diǎn)對外束角是否有影響[5-7]。之后添加轉(zhuǎn)向拉桿相關(guān)參數(shù)，等待加載然后計(jì)算優(yōu)化懸架的硬點(diǎn)，其計(jì)算優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 計(jì)算優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果中共8個坐標(biāo)點(diǎn)，第一點(diǎn)數(shù)值最小，對應(yīng)前束變化最小，所以第一點(diǎn)是最優(yōu)點(diǎn)，之后進(jìn)入后處理界面，取最優(yōu)點(diǎn)的X坐標(biāo)為-105.672 2，如圖7所示；取最優(yōu)點(diǎn)的Y坐標(biāo)為-576.927 8，如圖8所示；取最優(yōu)點(diǎn)的Z坐標(biāo)為311.181 8，如圖9所示。

圖7 最優(yōu)點(diǎn)X坐標(biāo)

圖8 最優(yōu)點(diǎn)Y坐標(biāo)

圖9 最優(yōu)點(diǎn)Z坐標(biāo)

把最優(yōu)點(diǎn)帶入懸架建模界面表格，并改變硬點(diǎn)坐標(biāo)，然后進(jìn)行仿真并計(jì)算。進(jìn)入后處理頁面，對比分析前束優(yōu)化前后的仿真曲線如圖10所示，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比如表3所示。

表3 前束優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

圖10 前束優(yōu)化前后曲線對比

通過對比表3中優(yōu)化前后數(shù)據(jù)，基于以上仿真分析，對前束角度進(jìn)行調(diào)整，并對其有關(guān)硬點(diǎn)的X、Y、Z這3個坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，前束變化范圍明顯縮小，較優(yōu)化前縮小了11%。從仿真分析結(jié)果來看，該優(yōu)化是有效的。

3 結(jié)論

針對某SUV雙橫臂懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Adams Car建立了雙橫臂前懸架模型，并進(jìn)行了相應(yīng)仿真試驗(yàn)及硬點(diǎn)優(yōu)化，得到以下結(jié)論。

（1）通過平行輪跳試驗(yàn)仿真分析，分析了該懸架的主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、前輪前束值隨車輪跳動的變化，精準(zhǔn)確定了該懸架定位參數(shù)存在的問題。

（2）利用Adams/Insight模塊，選擇合適的硬點(diǎn)，對懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。前束優(yōu)化前角度為-1.7°～2.8°，優(yōu)化后為-1.5°～2.4°，懸架性能更加優(yōu)秀。同時(shí)，優(yōu)化后的懸架能夠滿足車輛對于直線行駛穩(wěn)定性、不足轉(zhuǎn)向特性等性能的要求。

（3）通過使用虛擬樣機(jī)，完成了對SUV雙橫臂懸架設(shè)計(jì)性能的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且虛擬樣機(jī)的使用可以有效縮短整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化周期。