麦弗逊悬架操稳性能优化与试验研究

张贵万，高发华，蒋兵，罗明军

(芜湖凯翼汽车有限公司,安徽芜湖 241006)



麦弗逊悬架操稳性能优化与试验研究

张贵万，高发华，蒋兵，罗明军

(芜湖凯翼汽车有限公司,安徽芜湖 241006)

为改善某麦弗逊悬架车辆的操稳性能，利用动力学分析软件ADAMS建立麦弗逊多体仿真模型；结合竞品车的K & C参数, 通过优化悬架前束角和外倾角等关键参数指标，对汽车行驶过程中的操稳性能进行仿真分析。结果表明：优化后，悬架的前束角得到有效改善，尤其是垂直平行工况前束角由-6.8(°)/m减小为-3.5(°)/m，降幅达到49%，大大改善了该车辆的操稳特性。最后通过K & C试验台试验对标CAE仿真结果，可知仿真结果与试验结果吻合较好，误差控制在15%内。

麦弗逊悬架；K & C特性；操稳性能；优化；试验研究

0 引言

麦弗逊悬架具有结构简单、响应较快、制造成本低、占用空间小、可以与多种型式的弹簧相匹配以及能够实现车身高度自动调节等优点，在轿车的设计开发中得到了广泛的应用。悬架系统性能是由悬架系统的运动学及弹性运动学(Kinematics and Compliance,K & C)特性综合表现的。运动学特性描述的是车轮上下跳动和转向时，车轮定位参数的变化；而弹性运动学特性则是描述悬架在承受外力及力矩作用下，车轮定位参数的一些变化特性。K & C特性作为悬架的重要性能，国内外对其进行了很多研究，国外研究的主要内容包括车轮外倾角、前束角、轮距、主销后倾角及主销内倾等对汽车稳态转向特性、直线行驶性能、轮胎磨损和滚动阻力、回正性等性能的影响[1-3]。刘拥军等[4]在时域和频域内进行整车操控性客观仿真试验，得到了麦弗逊式前悬架影响整车性能的关键总成参数及其贡献率。田海兰等[5]采用分段方法描述了悬架K & C非线性特性表达式,从而为研究车辆整体性能和进一步了解悬架非线性特性的时域性提供了思路。魏天将等[6]建立某乘用车非线性十四自由度整车动力学模型,并以模型为基础,采用模糊灰色关联分析模型对整车操纵稳定性的影响因素进行分析。

通过与竞品车型的对比，结合汽车整体布置与其余性能的要求，对开发车型进行改进优化,制定了开发车型K & C特性目标值，利用ADAMS/Car模块建立了麦弗逊前悬架模型，通过仿真及试验分析并优化K & C特性，提高工作效率。

1 麦弗逊悬架K & C参数

悬架K & C特性对操纵性中处于核心地位的不足/过度转向特性、直线行驶时的轮胎磨损有重要影响，同时可反映出悬架和轮胎刚度及迟滞特性[7]。K & C特性主要内容包含悬架几何运动学特性和悬架弹性运动学特性即车轮发生垂直位移时悬架几何引起的其他5个自由度定位变化，简称K特性；车轮受力(Fx，Fy，Fz，Mz)时衬套挠曲变形引起的车轮6自由度定位变化，亦称顺从特性，简称C特性。

对6款竞品车型进行K & C特性试验，主要试验工况有垂直运动、垂直侧倾、侧向力柔顺性、回正力矩柔顺性、纵向制动，得出K & C特性如表1所示。

表1 竞品车型K & C特性参数

综合竞品车的主观评价及K & C特性，拟定开发样车K & C特性目标值如表2所示。

表2 K & C特性参数目标值

2 操稳性能仿真及优化

2.1 悬架建模

根据开发车型硬点及悬架参数在ADAMS/Car中进行建模，在建立多连杆悬架运动学模型之前，应作如下简化和假设：所有结构简化为刚体，每个刚体在各方向的惯性力为0，且它们之间的连接都为刚性铰接，在动力学分析过程中忽略铰链在一些方向的力约束真值，运动副间的摩擦力忽略不计，轮胎简化为柔性体。建模的关键是部件之间的约束要正确，采用瞬时轴

线法确定其主销轴线，得到如图1所示的麦弗逊式悬架多体动力学仿真模型，满载时悬架各特性参数如表3所示。弹性元件简化为线性弹簧，减震器特性曲线如图2所示。

图1 麦弗逊式悬架ADAMS模型

轴荷/N7620主销内倾角/(°)11．5轮距/mm1537主销后倾角/(°)3．8前轮外倾角/(°)-1．85前轮前束角/(°)-0．5

图2 减震器特性曲线

2.2 悬架系统仿真

车轮的定位参数对车辆操稳性有很大的影响，因此建立麦弗逊式悬架系统模型后，对比优化前后前轮前束、车轮外倾角、主销内倾角以及主销后倾角的曲线，对麦弗逊式前悬架系统进行初步的评价。

操纵稳定性分析采用如下工况：垂直平行及侧倾工况、侧向力与回正力矩试验工况、纵向制动工况，结果与目标值对比如表4所示。

由表4可见该开发车型的K & C特性主要的不足之处是：

(1)在受垂直力作用的情况下，前束的变化趋于过度转向特性较多；

(2)在垂直侧倾工况下，前束趋于过度转向特性不足；

(3)受侧向力情况下，前束变化趋于不足转向过多；

(4)在回正力矩作用下，前束趋于过度转向特性过多，外倾角有增大趋势；

(5)纵向制动工况下，前轮有趋于过度转向的特性，外倾角有增大趋势。

表4 K & C特性仿真结果与目标值对比

2.3 悬架系统性能优化

目前对于整车操纵稳定性的优化主要分为两种:一种方法是通过建立数学模型，选择优化方法,利用计算机求解得到优化结果并进行试验验证。这种优化方法较为全面，可以得出各性能参数对操纵稳定性的影响。但是在实际生产实践中，部分汽车参数可改动的空间很有限，且会影响汽车整体布置与性能，加之优化设计时间较长、后期仍需试验验证，因此实用性并不高。还有另外一种优化方法就是通过开发车型与竞品对标车型的对比，提出整改调整方案并进行验证，这种优化方法效率较高。

因此采用第二种优化方法，通过与竞品车型的对比，结合汽车整体布置与其余性能的要求，对开发车型进行优化改善，主要采用如下优化方案：

方案一：调整连接杆上点；

方案二：转向拉杆外点下移；

方案三：调整弹簧刚度及T-bar刚度。

分别在ADAMS/Car中进行仿真分析，5种工况结果与原型车对比如图3—12所示。

(1)垂直平行工况

图3 前束角变化((°)/m)

图4 外倾角变化((°)/m)

(2)垂直侧倾工况

图5 前束角变化((°)/m)

图6 外倾角变化((°)/m)

(3)侧向力工况

图7 前束角柔顺性((°)/kN)

图8 外倾角柔顺性((°)/kN)

(4)回正力矩工况

图9 前束角柔顺性((°)/kN·m)

图10 外倾角柔顺性/((°)/kN·m)

(5)纵向制动工况

图11 前束角柔顺性((°)/kN)

从表5可知该车操稳性整体得到改善：

(1)前束角得到有效改善。在垂直平行工况由原来-6.8(°)/m降为-3.5(°)/m，降幅为49%，其他工况也都在比较合理的目标值范围。前束角的降低能够有效地改善轮胎的磨损，提高轮胎使用寿命，且达到了目标值。

(2)外倾角保持了合理效能。优化前后外倾角变化不大，都保证在目标值范围内，有利于降低汽车直线行驶时的轮胎磨损及保证汽车直线行驶的稳定性。

3 悬架性能试验

试验用K & C试验台采用MTS实验平台，如图13所示，试验台为轮胎表面提供了5自由度运动(垂直、侧向、纵向、侧倾、转动)，并安装5自由度的位移传感器和6自由度的力和力矩传感器用以测量轮胎位移及受力，同时还有可以测量车轮6自由度的车轮运动传感器[7-9]。

图13 K & C试验台

通过平台施加一系列载荷和位移来模拟垂直运动、垂直侧倾运动、回正能力、制动等工况，可以得到与车辆悬架性能相关的主要参数，包括前轮前束、车轮外倾角、主销内倾角以及主销后倾角等重要参数。

经过分析优化，结果如表5所示，可见按照方案三修改的悬架参数基本可达到目标范围值，且经过实车测试，测试结果与设计定义基本相符，见表6，考虑衬套刚度偏差，实测结果可接受。

表6 仿真优化值与试验值对比

依据表6，通过仿真与试验对比，虽然存在一定误差，但多个数据误差均在15%以内，最终的实测值均在目标值范围内，满足了设计要求。汽车性能提升主要为：轮心横向变形更利于车辆操控；前束/外倾的变化更利于汽车不足转向特性及直线行驶能力，衬套、弹簧、稳定杆及T-bar刚度的调整改善了悬架本身迟滞特性。基于前期的虚拟仿真分析，在后期的操稳调校摸底验证中，悬架硬点匹配基本满足K & C性能目标要求，未因硬点问题调整悬架结构，根据主观评价结果仅对弹簧和T-bar刚度等进行了调校及性能提升工作，大大缩短了操稳性能的开发周期，同时也为底盘零部件的提前开发降低了风险。4 结束语

通过对竞品进行K & C试验，准确开展开发车型悬架性能目标设定。结合CAE仿真和主客观评价测试、对标及仿真结果进行精准调校，对不合理部分进行优化，最终得到更加符合设计需要的参数值，提升了悬架的整体性能,减少了匹配周期。

(1)通过对竞品车的K & C特性试验，可以获取对标车辆悬架K & C特性参数范围，为制定开发样车的K & C特性目标提供支持与参考。

(2)通过动力学分析软件对悬架进行建模仿真，可以较好地进行模拟各种复杂工况的悬架K & C特性分析；通过对计算机模拟分析结果和K & C试验结果进行对比分析，相互验证，将计算机模型表达得更加准确，以便后期优化分析；

(3)通过计算机模拟结合试验调教悬架特性，其研究方法具有一定参考意义，提高了悬架开发效率，且大幅降低开发成本，完善产品质量。

【1】CASSARA S J,ANDERSON D C,OLOFSSON J M.A Multi-level Approach for the Validation of a Tractor-semitrailer Ride and Handling Model[R].SAE Paper,2004-01-2694.

【2】RAO P S,ROCCAFORTE D,CAMPBELL R,et al.Developing an ADAMS®Model of an Automobile Using Test Data[R].SAE Paper，2002-01-1567.

【3】MORSE P，SAE PA U W.Using K & C Measurements for Practical Suspension Tuning and Development[R].SAE Paper,2004-01-3547.

【4】刘拥军,王蠡,任凯,等.麦佛逊悬架总成参数对整车操控性能的影响分析[J].汽车技术,2011(8):22-28. LIU Y J,WANG L,REN K,et al.Analysis on Effect of McPherson Subsystem Parameters on Vehicle Handling Property[J].Automobile Technology,2011(8):22-28.

【5】田海兰,王东方,苏小平,等.车辆悬架K & C特性分析[J].机械设计与制造,2011,245(7):243-245. TIAN H L,WANG D F,SU X P,et al.Analysis of K&C Performances on Vehicle Suspension[J].Machinery Design & Manufacture，2011,245(7):243-245.

【6】魏天将,赵亮,韦宏法.汽车悬架对整车操纵稳定性影响的仿真研究[J].计算机仿真,2015,32(11):193-198. WEI T J,ZHAO L,WEI H F.The Simulation of Automotive Suspension Analysis to Vehicle Handing Stability[J].Compute Simulation,2015,32(11):193-198.

【7】管欣,逄淑一,詹军.悬架K & C特性在底盘性能分析中的研究[J].汽车技术,2010,413(2):4-8. GUAN X,FENG S Y,ZHAN J.Research of Suspension Kinematics and Compliance on Vehicle Chassis Performance Analysis[J].Automobile Technology,2010,413(2):4-8.

【8】MITSCHKE M,WALLENTOWITZ H.汽车动力学[M].北京:清华大学出版社,2009．

【9】郭孔辉．汽车操纵动力学[M]．长春：吉林科学技术出版社，1991．

Improvement and Experiment on Performance of Vehicle Handling Stability for MacPherson Suspension

ZHANG Guiwan, GAO Fahua, JIANG Bing, LUO Mingjun

(Cowin Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 241006, China)

In order to improve the performance of vehicle handling stability for MacPherson suspension, a multi-body simulation model for MacPherson was built with ADAMS software.The K & C parameters of competing vehicle were taken into account in the new vehicle, some key parameters of the suspension (toe angle, camber angle, etc.) were optimized, and the performance of vehicle handling stability was simulated. The results show that it is effective for toe angle of the suspension after optimization, especially in the vertical parallel condition. The toe angle is reduced from -6.8(°)/m to -3.5(°)/m (a drop of 49%). So the handling stability is greatly improved. Contrasting the K & C test with simulation results, the results show that the simulation results agree well with the experimental results, and the error is controlled within 15%.

MacPherson suspension；K & C characteristics; Handling stability; Optimization; Test research

2016-08-24

江西省自然科学基金项目(20142BAB216028)

张贵万(1981—)，男，研究方向为结构振动与力学分析。E-mail:zhangguiwan1@mychery.com。

罗明军，E-mail:zhangguiwan1@mychery.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.002

U461.99

A

1674-1986(2016)11-008-05