基于离散梁模型的麦弗逊悬架减振器侧向力分析

廖抒华，王小东，钟金志

（1.广西科技大学汽车与交通学院，广西 柳州 545006；2. 柳州孔辉汽车科技有限公司，广西 柳州 545006）

基于离散梁模型的麦弗逊悬架减振器侧向力分析

廖抒华1，王小东1，钟金志2

（1.广西科技大学汽车与交通学院，广西 柳州 545006；2. 柳州孔辉汽车科技有限公司，广西 柳州 545006）

本文以某A级车前悬架为例，建立了麦弗逊悬架多体动力学模型。在分析由于结构特点引起的减振器侧向力基础上，结合Adams宏命令建立了离散梁的C型螺旋弹簧模型。讨论了C型弹簧在不同曲率的中心线下的侧向力效果，并进行了仿真分析。对麦弗逊悬架减振器侧向力优化具有重要的意义。

麦弗逊悬架；侧向力；离散梁；C型螺旋弹簧

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

1、麦弗逊悬架结构分析

麦弗逊悬架又称滑柱摆臂式悬架, 其主要结构特征是螺旋弹簧与减振器设计成一体作为前支柱，减振器兼做转向主销。 这种结构具有前轮定位变化小、行驶稳定性好、结构紧凑、成本低而在轿车中得到广泛应用。传统的麦弗逊悬架使用普通圆柱螺旋弹簧作为弹性元件，由于减振器支柱确定后，主销参数和弹簧作用力线也随之确定，但此时的弹簧力作用线与理想位置力作用线有一定角度的偏置。

图1为麦弗逊悬架前支柱受力简图，轮胎受到由于轴荷产生的轮胎力F_tire，下摆臂连接转向节和副车架，转向节受下摆臂的拉力为F_lca，减振器上支柱点处所受力与此两力形成力的平衡。如果减振器处在F_top力作用线上，

则减振器仅受到沿压缩伸张方向的力，为减振器受力的理想状态。由于受到转向节车轮等布置方面的影响，实际减振器不可能布置在理想受力线上。当减振器轴线与理想受力线成某一角度时，弹簧受力作用线F_spring也随之偏转，此时为了满足F_top大小方向不变，需要额外提供F_damper使得F_top能与F_tire、F_lca的合力平衡，保证悬架受力平衡。此F_damper即是减振器提供的额外侧向力。若能优化减振器提供的额外侧向力，则减振器内部活塞杆以及油封处的受力也随之改善[1]。

当减振器处受到额外侧向力过大时，会导致活塞杆及油封的磨损加剧，引起减振器漏油。另外由于活塞杆处侧向力曾加，减振器工作时阻力增加。当路况较好时，地面冲击载荷可能无法克服减振器摩擦阻力，进而将冲击而传递至车身；路况较差时，减振器无法及时回复，造成减振器发涩，影响整车行驶平顺性[2-3]。

目前主要有四种方案解决麦弗逊式悬架减振器的侧向力[4-6]：倾斜安装弹簧；倾斜弹簧支座；偏置弹簧缩小圈；使用侧载弹簧。其目的都是要调整弹簧在工作状态时的受力轴线，尽可能地靠近理想力作用线。考虑到制造工艺、成本以及实际中由于受布置限制，所能偏转的角度有限，往往结合弹簧倾斜安装和调整弹簧支撑来综合处理弹簧作用力轴线，或者直接使用侧载弹簧。

2、麦弗逊前悬架模型建立

麦弗逊式悬架模型可以使用ADAMS软件的模板，通过定义硬点的坐标，以及各弹性元件的参数来快速完成建模[7]。悬架硬点参数由数模测得，弹性元件等参数由实验或设计确定。如图2所示：

由于adams/car中的弹簧为一维线性模型，不能反映出弹簧的侧向力作用，所以弹簧模型需要额外修改。本文采用由有限元软件计算得到螺旋弹簧柔性体文件（图3左）和离散梁的螺旋弹簧模型（图3右），分别装配到悬架模型中。按照悬架跳动范围，取值-50mm至50mm。

对比柔性体文件和离散梁模型，在空载状态下进行仿真，如表1所示，计算结果基本吻合。

表1 两种弹簧模型对比

减振器处所受侧向力、绕X方向的转矩值，如图4所示，也具有较高的可信度。可以使用

离散梁代替柔性体建立弹簧模型。

3、C型螺旋弹簧建模

C型螺旋弹簧在工作状态所提供的侧向力的大小主要由其中心线的曲率决定，本文主要讨论当中心线为圆的一部分时，曲率为定值时，参数取值对C型弹簧所能提供侧向力的影响。

弹簧中心线弯曲后，整体弹簧长度会有变化，但为了保证悬架高度不变，故作简化，认为中心线弯曲后弹簧长度还是保持不变。原弹簧参数见表2：

表2 普通圆柱螺旋弹簧参数

参照原弹簧参数，使用不同曲率的圆弧作为中心线，做出C型弹簧螺旋线轨迹，再以此螺旋线建立离散梁的弹簧模型装配到麦弗逊前悬架中，如图5所示。参照使用普通圆柱螺旋弹簧时的悬架行程，做平行轮跳仿真[8]。

有计算结果可知，随着中心线圆弧段的曲率不断增加，弹簧所能提供的侧向力加大，与使用直弹簧相比，当使用半径为400mm圆弧段作为中心线时，侧向力由1300N下降到了850N，沿X向的力矩由135N·m下降到了50N·m，如表3所示：

表3 普通圆柱螺旋弹簧参数

减振器侧向力随悬架行程变化趋势，见图6所示：使用C型弹簧后侧向力改善明显，但继续增加中心线曲率时，改善效果减缓。

减振器纵向扭矩值随悬架行程变化趋势，见图7所示：使用C型弹簧后扭矩值改善明显，继续增加中心线曲率时，改善效果任可持续。

实际设计布置弹簧时，中心线曲率也不可能取的过大，还要考虑到弹簧中径的大小。当取值过大时，会造成悬架跳动过程中弹簧与减振器的干涉，另外曲率过大也会造成垂直刚度的减小以及弹簧失稳。一般在解决减振器侧向力过大问题的过程中，需要综合考虑中心线曲率和托盘的倾角，使得减振器在悬架常用工况下的侧向力最优化。

4、结果分析

在分析麦弗逊悬架减振器侧向力产生的基础上，对使用C型弹簧来减小减振器侧向力的方法进行了研究。应用多体动力学软件，对不同曲率的C型弹簧建立了离散梁模型，进行了仿真分析。相较传统使用有限元生成柔性体的建模方法，使用离散梁模型更加有利于弹簧的参数化设计，为C型弹簧的设计提供了新的思路。

[1] 耶尔森.赖姆帕尔.汽车悬架.李旭东.译.北京：机械工业出版社.2013.

[2] 景立新,郭孔辉,卢荡.麦弗逊悬架减振器侧向力优化[J].科学技术与工程,2011,01∶71-75.

[3] 张元胤,雷雨成,王小琼.螺旋弹簧悬架安装倾角分析[J].机械设计与制造,2004,01∶61-63.

[4] 李明喜,柳江.基于麦弗逊式悬架侧载弹簧的应用分析[J].汽车科技,2005,04∶7-10.

[5] 柳江,喻凡,楼乐明.麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计[J].汽车工程,2006,08∶743-746.

[6] 柳江,王玉顺,喻凡.麦弗逊悬架侧载弹簧多目标优化方法[J].上海交通大学学报,2011,04∶464-469+474.

[7] 廖抒华,段守焱,成传胜.悬架K&C试验台在底盘开发中的技术应用[J].汽车科技,2010,05∶66-68.

[8] 段守焱.某乘用车悬架K&C特性分析及匹配研究[D].广西工学院,2011.

Analysis of lateral force based on discrete beam model in shock absorber of Macpherson suspension

Liao Shuhua1, Wang Xiaodong1, Zhong Jinzhi2
（1. College of Automobile and Transportation Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006; 2. KH Automotive Technologies (Liuzhou) Co. Ltd., Guangxi Liuzhou 545006）

in this paper,taking a A-class passenger car as example, a multi-body dynamics model for MacPherson suspension is built. The C type helical spring model is also built in Adams software with the Macro command with discrete beam model, after analysing the reason of shock absorber lateral force caused by its fundamental structure characteristics. Discussion the lateral force of C type spring effected in different curvature of the center line, and a simulation is performed. It has the vital significance to the Mcpherson suspension shock absorber lateral force optimization

MacPherson suspension; Lateral force; discrete beam; C type helical spring

U463.3

A

1671-7988(2015)03--

廖抒华，就职于广西科技大学汽车与交通学院，主要研究方向汽车动态仿真与控制。