麦弗逊悬架K&C仿真分析

靳莹 张俊

陆军装甲兵学院车辆工程系 北京市 100072

1 引言

悬架系统是汽车的重要组成部分，其作用是弹性连接车架（或车身）与车轴（或车轮）并传递作用于其间的一切力和力矩，减缓由路面带来的振动与冲击，从而保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，以期使得汽车具有优良的行驶能力[1-2]。近年来，对于汽车悬架系统的研究主要针对以下两方面：一是悬架系统的设计，包括悬架结构形式的设计、悬架元件传递特性的确定等；二是悬架系统性能的评价，即运用何种基本参数来系统地评价其性能的优劣，如何评价基本参数的变化特性的合理性等[3]。如前所述，悬架系统的设计与研究主要影响了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，因此可将对汽车悬架系统的研究分为对汽车平顺性产生主要影响的悬架特性研究和对汽车操纵稳定产生主要影响的悬架特性研究，也即汽车悬架运动学特性（K特性）研究和汽车悬架弹性运动学特性（C特性）研究[4-5]。

计算机模拟仿真和K&C台架试验两种方法是常用的对汽车悬架运动学与弹性运动学特性进行研究的一般方法[6]。本文采用的仿真分析通过计算K&C特性来判断悬架的特性是否合适，来确定车辆前期和中期的生产方案，这也是目前在工程应用中关于车辆设计的一个重要手段[7]。

2 悬架硬点空间坐标计算

如图1所示，取与汽车前进方向相反的方向为X轴正方向，轮心处为X轴零点；取汽车右侧方向为Y轴正方向，汽车的纵向对称面为Y轴零点；应用右手螺旋定则确立空间直角坐标系，则Z轴正方向垂直向上，原轮胎接地点为Z轴零点。

图1 悬架模型结构简图

悬架模型中的下摆臂与车身的铰链点A、B，减振器的上支点H，以及转向器与转向横拉杆的铰链点F，在悬架模型中是固定铰链点，相对于其它铰链点无相对运动，可作为已知点。

麦弗逊悬架模型减振器上支点H点与下摆臂铰链点C点的连线为主销轴线而主销后倾角γ、主销内倾角β、C点空间坐标已知，依据已知参数可得如下方程

在三角形的下摆臂结构中，与车身相连的固定铰链点A、B的空间坐标系均已知。设定直线CP与直线k的距离t为P点相对于AB垂直平分线的偏移量，假设P点分直线AB的比例q为

则P点坐标可表示为

同时，P点坐标在过C点作直线AB的法平面内，即P点坐标同时满足该法平面方程，即

整理可得

联立式(1)、(2)和(6)可求得下摆臂球头铰链点C点的空间坐标。

K点为主销轴线HC与车轮轴线DM在后视图投影的交点，计算时可将其投影到 Y-Z面上。已知H点到车轮轴线的Z向距离和H点到C点的Z向距离，因此可以算出KC的空间距离，且由于K点空间坐标满足主销轴线的空间直线方程，因此可得K点的空间坐标如下式

3 建立悬架仿真模型

通过样车模拟以及计算得到了悬架主要硬点C和K的空间坐标，根据麦弗逊悬架的实际结构和相关建模数据，利用ADAMS/CAR建立悬架虚拟样机模型如图2所示，其坐标系为：X轴正向为汽车前行方向的反方向，Y轴正向为面对汽车正面的左侧，Z轴垂直地面指向上方。

根据相关设计要求对初始悬架部分参数进行调整[8]，图3和图4分别是调整前后的硬点数据

4 悬架双轮同向激振试验的K&C特性分析

以下各图曲线为前悬架左右车轮的轮跳在-100mm～100mm的跳动过程中悬架的运动学分析特性曲线。各图中红色、黑色分别代表调整前后的悬架模型。

(1)车轮外倾角

如图5-1所示，轮跳量的大小在-100～30mm变动过程中，悬架模型调整前后的车轮外倾角都在减小，30～100mm过程中又逐渐增大，且调整后的悬架模型变化幅度较大。将调整前后的悬架模型曲线相比较可以看出，调整后的悬架模型车轮外倾角的变化小，这对于汽车操纵稳定性有很大帮助。

(2)车轮前束角

图2 组装前后的虚拟样机模型

图3 调整前的硬点数据

图4 调整后的硬点数据

图5-1 车轮外倾角仿真曲线

图5-2 车轮前束角的仿真曲线

如图5-2所示，随着车轮轮跳量的增加，调整前的悬架模型前束角由正至负有较大的变动，而调整后的悬架模型变动范围较小而且曲线比较平缓，因此更能够适应路面的要求，在-60～0mm阶段，前束角几乎没有改变，可见调整后的悬架对于汽车行驶的稳定性和轮胎的偏磨损有帮助。

(3)主销后倾角和主销后倾拖距

图5-3、5-4分别表示主销后倾角与主销后倾拖距，可以看出，调整后悬架模型的主销后倾角和主销后倾拖距均大于调整前的悬架模型。主销后倾角越大则车辆的直线行驶性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但是调整后的悬架模型主销后倾角在轮跳的后段值偏大，这会使得转向变得沉重，驾驶员容易疲劳。现代高速汽车由于降低了轮胎气压使得其弹性增加，进而引起稳定力矩增加。因此，悬架主销后倾角可以减小到接近于零，甚至为负值。

图5-3 主销后倾角仿真曲线

5 结论

文章运用ADAMS/CAR模块建立了麦弗逊独立悬架仿真模型，利用虚拟实验台架进行了双轮同向激振的仿真实验，并对调整前后的悬架模型进行仿真实验分析。通过试验曲线对于调整前后的悬架模型的运动学和弹性运动学特性进行分析，根据车轮定位参数等重要指标对调整前后的模型做出了直观的评价。综合各仿真曲线可以看出，调整后的悬架模型在操纵稳定性和平顺性上相较于基于原始参数的悬架模型有一定的改进。但是具体的整车性能则需要完整的整车模型和整车试验才能最终得出结论。

图5-4 主销后倾拖距仿真曲线