基于ADAMS的双横臂式前悬架K＆C特性的仿真分析

阚 萍， 石 琴， 祝安定

（1.安徽交通职业技术学院 汽车与机械工程系，安徽 合肥 230051；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

汽车悬架是车架（或车身）与车桥（或车轮）之间一切传力连接装置的总称，它的作用是缓和、抑制由不平路面引起的振动和冲击，保证乘员乘坐舒适和所运货物完好，以及传递汽车各方向的一切力和力矩，保证车轮和车身（或车架）之间有确定的运动关系，使汽车具有良好的驾驶性能。近代汽车悬架设计是整车研发的关键之一，也由此被誉为是“汽车运动性能的灵魂”［1］。本文对某新开发车型的前悬架进行K＆C特性仿真，并对其结果进行分析。

1 前悬架K＆C模型的建立

该车前悬架为双横臂式，各部件拓扑连接如图1所示，当2个部件之间既有衬套又有铰链连接的时候，K特性使用铰链连接，C特性使用衬套连接。模型中所有部件的质量、质心和转动惯量均从Pro／E软件中获得，对弹簧、减震器和衬套进行相关实验，根据实验数据编写各自的属性文件，其中弹簧是线性的，减震器是非线性的。在Adams中建成的前悬架K＆C特性模型，如图2所示。

图1 前悬架各部件拓扑连接图

图2 Adams中前悬架K＆C特性模型

2 前悬架K＆C特性仿真

所谓悬架运动学特性（Kinematics，简称K特性）描述的是车轮在上下运动过程以及转向过程中，悬架的评价参数随车轮运动的关系，所谓悬架弹性运动学特性（Compliance，简称C特性）描述的是在轮胎受到来自地面的各种力或力矩作用时，悬架的评价参数随这些力或力矩的变化关系，两者统称为悬架运动学和弹性运动学特性（Kinematics＆Compliance，简称 K＆C特性）［2］。悬架K＆C特性的仿真试验与物理试验相仿，K特性主要包含左、右车轮平行轮跳试验、反向轮跳试验和单侧轮跳试验等几个仿真分析项目；C特性主要包括对车轮中心或接地点施加制动力、侧向力、回正力矩等力和力矩的仿真分析项目。本文由于篇幅限制，选取K＆C特性分析中最基本的左右车轮平行轮跳（对应K特性）和对轮胎接地点施加纵向力及侧向力（对应C特性）2个试验对悬架定位参数进行分析。

2.1 前悬架K特性仿真

左、右车轮平行跳动引起的悬架运动分析，是对车轮遇到障碍物时悬架的运动、路面不平引起的颠簸运动、汽车加减速时车身纵倾引起的悬架运动和车身侧倾时引起的悬架运动等较多运动的综合分析［3］。车轮跳动高度设置为上跳50mm，下跳45mm，由于悬架左右对称，只显示了左侧悬架的各参数。

车轮在运动过程中前束角的变化对汽车的制动性、操纵稳定性和轮胎的磨损有着重要的作用，因此设计时希望前束角在车轮跳动过程中变化量尽量小。前轮上跳时，为零至负前束，即弱负前束变化，下落的过程中应呈现较弱的正前束变化才比较合理［4］。一般取在零附近是为了控制直行时由路面的凹凸引起的前束变化，确保良好的行驶稳定性，取弱负前束变化是为了使车辆获得弱的不足转向特性，以使装载质量变化引起车高变化时也能保持不足转向。车轮前束角随车轮跳动的变化曲线，如图3所示。图3中前束角随车轮跳动的变化范围为－0.44°～0.80°，不满足－0.5°～0.5°的设计要求，需在后续的设计中对硬点位置进行调整，使车轮上跳时前束角小于0.5°。

图3 车轮前束角随车轮跳动的变化曲线

当车轮跳动（悬架压缩、伸张）时，车轮外倾角应该随着车轮向上跳动减小，随着车轮向下跳动增大，以使汽车转向行驶、车身侧倾时外侧车轮的外倾角保持为负值，以提高侧向附着力。车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线，如图4所示。

图4 车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线

由图4可知，车轮外倾角的变化范围为－0.59°～0.07°，满足上下跳动时变化2°的设计要求，但是在车轮下跳的过程中其变化趋势与所需的趋势略有不同，需要在后续的设计中对前悬架的硬点位置进行调整。

主销内倾角的存在产生了主销偏移距，使汽车直线行驶稳定性得到了改善，这也是主销内倾角的一个主要作用。其次，主销内倾角有使车轮自动回正的作用。主销内倾角越大前轮自动回正的能力就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的能力就越弱。一般认为理想情况下车轮上跳时，主销内倾角的增加应尽量减小，以避免主销内倾角变化过大。因此希望在车轮的跳动过程中，主销内倾角的变化量不要太大。为了得到较好的回正性能和稳定性能，一般取值范围在7°～13°。主销内倾角随车轮跳动的变化曲线，如图5所示。主销内倾角的变化范围是8.44°～9.14°，能够满足汽车直线行驶的稳定性和使车轮自动回正的作用。

图5 主销内倾角随车轮跳动的变化曲线

主销后倾的作用是当汽车直线行驶偶然受外力作用而稍有偏转时，将产生与车轮转向反方向的力矩使车轮自动回正，保证汽车直线行驶的稳定性。后倾角越大车速越高，稳定力矩越大，但后倾角不宜过大，否则在转向时会导致转向沉重，而且过大会造成外侧转向轮的外倾角向负方向变化，最终破坏汽车的行驶稳定性。主销后倾角一般要求在0°～3°范围内，主销后倾角随车轮跳动的变化曲线，如图6所示，可以看出主销后倾角在2.0°～2.53°范围内变化，满足汽车直线行驶的稳定性。

对于采用独立悬架的汽车，其轮距在悬架运动过程中是发生变化的，但不大的轮距变化在轮胎较软时可以由轮胎变形来适应，而不致沿路面滑移［5］。

当轮距变化较大时往往造成两侧轮胎的偏磨损，对于汽车的操纵稳定性是不利的，因此在体现独立悬架优越性的同时，往往希望轴距和轮距的变化越小越好。

图6 主销后倾角随车轮跳动的变化曲线

单侧轮距变化量随车轮跳动的变化曲线，如图7所示，单侧轮距变化量的范围是－0.35～5.38mm，这个轮距变化量可以由轮胎的变形来适应，不存在轮胎的偏磨损。

图7 单侧轮距变化量随车轮跳动的变化曲线

2.2 前悬架C特性仿真

在分析悬架的K特性时，各部件之间采用铰链连接，这样只能初步确定悬架杆系结构是否合理，这与实际各部件之间大多采用衬套连接并不相符，而且在运动过程中衬套的变形对车轮定位参数的影响（主要影响前束角、外倾角、主销内倾角和主销后倾角的大小，对曲线的变化趋势并无影响）也不可忽视，所以有必要对悬架进行C特性的分析。C特性分析时利用Adams软件中的bushing单元建立衬套，根据实车上的衬套实验数据修改单元的属性文件。

对车轮接地点同时施加0.7g纵向力和侧向力，单侧车轮纵向力和侧向力均从－7 851.27N线性增加到7 851.27N，模拟车辆高速转弯过程中加减速的工况，这比单独加纵向力或侧向力的工况更复杂，因此在这样复杂的工况下仿真得出的结果更具有说服力。由于C特性大多采用衬套连接，而且仿真的工况是在日常行车过程中很少遇到的，因此在仿真过程中各参数的变化范围要比K特性时略大。

车轮前束角随时间的变化曲线，如图8所示，从8.5～16s时车辆向右转向，承受的侧向力增大，左轮（外侧车轮）前束角向负方向增大，减小了原来转向的程度，即侧向力作用下车辆有不足转向的趋势，有利于汽车的稳态转向，但在整个过程中变化范围为0.91°～－2.21°，变化范围较大，加速了轮胎的磨损，需在后续设计中对硬点坐标进行调整。

图8 车轮前束角随时间的变化曲线

车轮外倾角随时间的变化曲线，如图9所示，从8.5～16s时车辆右转向，承受的侧向力增大，左轮（外侧车轮）外倾角增大（变化范围0.07°～2.29°），这种变化特性减小了原来转向的程度，即侧向力作用下车辆有不足转向的趋势，此时配合前束角的变化趋势，车辆的不足转向趋势更加明显，有利于车辆的稳态转向，保证了车辆在高速转弯过程中的行车安全性。

图9 车轮外倾角随时间的变化曲线

在车辆高速转弯的过程中，外侧悬架受压，内侧受拉，相当于K特性中双轮反向跳动的工况。在整个过程中车辆的质心下降，同时侧倾中心高度从83.29mm下降到65.50mm，质心和侧倾中心同时下降，这是比较安全的，减弱了驾驶员驾驶时“发漂”的感觉，保证了车辆的操纵稳定性。

3 结束语

双横臂独立悬架是一种普遍用于汽车前悬架的独立悬架形式［6－8］，对其进行 K＆C特性分析很有必要。文中建立了双横臂独立悬架的K＆C模型，并进行了2种特性的分析。有些参数虽然变化趋势符合设计要求，但其变化范围略大于要求范围，而且仿真分析本身存在一定的误差，就需要对结构的硬点坐标进行调整，尽量降低各参数的变化范围，从而提高汽车的操纵稳定性，减小轮胎的磨损。

通过双横臂悬架的K＆C分析，提高了结构设计的效率和准确度，为进一步的物理样机的结构设计改进和制造提供了可靠的依据。但是目前关于悬架C特性分析的相关资料较少，对于仿真分析的结果只能参考K特性进行评判，因此需要后续对样车进行悬架K＆C试验，将试验结果与仿真结果进行比较，从而积累悬架C特性仿真的经验数据。

［1］王学新.中气轿车多连杆悬架系统K＆C特性分析与操纵稳定性评价研究［D］.长沙：湖南大学，2010.

［2］王文彬.某车悬架刚柔耦合建模及整车性能分析与改进［D］.长春：吉林大学，2009.

［3］刘伟忠.基于虚拟样机技术的某车悬架K＆C特性仿真分析及硬点优化［D］.长春：吉林大学，2009.

［4］张承海.基于虚拟样机的多连杆悬架系统运动学仿真研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［5］王 爽.某微车悬架K＆C特性研究及其对整车操纵稳定性的影响［D］.长春：吉林大学，2008.

［6］王其东，赵 韩，李 岩，等.汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2001，24（6）：1066－1071.

［7］王其东，宋宜亮.车辆防抱制动系统与主动悬架系统集成协调控制算法的仿真［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2007，30（12）：1610－1614.

［8］方锡邦，王其东，关 柯.双横臂独立悬架转向传动机构的优化设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2001，24（5）：950－954.