麦弗逊式悬架与车身安装点动载荷研究

熊 飞，兰凤崇，李 罡，魏 丹

（1.广州汽车工业集团汽车工程研究院，广东 广州 5 114341；2.华南理工大学机械与汽车学院，广东 广州 510640）

1 引言

道路激励产生的车辆部件动载荷是造成车辆在实际使用过程产生疲劳破坏的外在主要原因，对车辆动载荷规律的研究有利于车辆结构件抗疲劳特性设计。实际行驶车辆是非常复杂的振动系统，基于实车的载荷规律研究是比较困难的。文献[1]基于用户关联的整车道路谱采集和处理，总结了载荷处理方法，主要有时域、频域、雨流统计分析，主要包括最大值、最小值、均方根值、伪孙伤等。文献[2]提出运用轮心位移反求法求取车身载荷谱的方法。通过采集试验场各种典型道路的载荷谱，根据整车和悬架参数建立完整的整车动力学模型，然后将采集的路谱加载到多体模型上，对车身受的载荷进行分解。目前国内外对车辆载荷谱的研究主要集中在载荷谱采集[4-5]和载荷谱获取方法[6-7]方面。但是对载荷谱规律的研究开展较少。不同于常见的对车身振动响应特性研究，通过建立车辆振动简化模型，开展车辆载荷规律研究。同时，通过虚拟样机整车动力学模型随机道路模拟，来研究车辆关键连接位置载荷的传递特性。通过开展的车身载荷谱规律研究，可以对车辆和悬架参数匹配设定提出约束，从优化载荷的角度为车辆抗疲劳设计提供解决思路。

2 理论建模及分析

在以往研究中，常选择二自由度双质量系统振动模型进行车身垂向振动进行研究，没有考虑了前后悬架激励相互关联和车身的俯仰运动的影响。由于车辆左右车轮悬架方式和弹性件一般是对称的，因此垂直振动和俯仰振动对车辆的载荷影响较大。为了使研究的振动模型与实际情况更加接近，进一步建立四自由度半车身振动模型。四自由度半车系统振动模型将车辆简化为4个自由度的平面模型，分别为车身垂直振动、俯仰振动、前后车轮垂向振动，模型如图1所示。

图1 车辆4自由度振动模型Fig.1 Vibration Model of Vehicle with 4 Degrees of Freedom

根据以上车辆振动模型可以得到以下运动方程式，如式（1）～式（4）所示。

以研究的目标车型的参数，如表1所示。代入公式，令mwf、Kt f、Kt f、CSf ɑ、mhb、Ihp变化±10%，考查这些参数对前悬架力Ff的影响，结果如图2～图5所示。从图2～图5可以看出，前悬力的响应曲线都有两个峰值，这两个峰值分别对应横坐标为前后悬架的簧上和簧下偏频。

表1 某轿车半车模型参数Tab.1 Model Parameters of a Car

图2 前悬架刚度变化±10%对前悬架力影响Fig.2 Effect of Front Suspension Stiffness Change 10% on Front Suspension Force

图3 前轮胎刚度变化±10%对前悬架力影响Fig.3 Effect of Front Suspension Stiffness Change 10% on Front Suspension Force

图4 前悬架阻尼变化±10%对前悬架力影响Fig.4 Effect of Front Suspension Damping Change 10% on Front Suspension Force

图5 簧上质量±10%对前悬架力影响Fig.5 Effect of Spring Mass 10% on Front Suspension Force

将图2～图5中峰值变化情况进行汇总，如表2所示。可以看出，在整车模型各参数变化±10%的条件下：对簧上偏频影响较大的主要有Ksf、Ksr、mhb等参数，在簧上偏频处的支座力增益影响较大的有悬架参数Ksf、Csf和车身参数Ihp、ɑ、mhb。

表2 前悬力频率响应影响Tab.2 Effect of Front Suspension Force Frequency Response

3 物理样机建模及标定

为了建立适合进行抗侧倾性能研究的多体模型，基于该SUV整车和悬架参数在ADAMS/Car中建立车辆的各个子系统模型（包括前后悬架、前后稳定杆、前后车轮、制动、转向、动力子系统、车身子系统），然后由各系统组装成整车多体模型，如图6所示。

图6 整车多体动力学模型Fig.6 Multi-Body Dynamics Model of Whole Vehicle

在研究中，通过对凸块路面整车振动加速度测试，测得前后轮心、减振器塔座等位置振动加速度信号，为整车多体动力学模型标定提供参考数据，凸块路的尺寸，如图7所示。

图7 凸块路尺寸Fig.7 Bump Road Size

根据经验数据分析频率范围为（0.5～80）Hz，得到结果。凸块路面平顺性测试设备及传感器布置，如图8所示。

表3 试验设备Tab.3 Test Equipment

图8 凸块路面振动测试Fig.8 Bump Road Vibration Test

凸块路平顺性车辆各测量位置加速度仿真与试验对比，从时域加速度振动幅值对比结果看，仿真与试验误差较小，说明搭建的整车动力学模型能够较准确的模拟实车动态性能，可以用于后面的分析，如图9～图12所示。

图9 前减振器座Z向加速度 Fig.9 Z Acceleration of Front Shock Bbsorber Tower

图10 后减振器座Z向加速度Fig.10 Z Acceleration of Rear Shock Absorber Tower

图11 前轮心X向加速度 Fig.11 Front Wheel Center X Acceleration

图12 前轮心Z向加速度Fig.12 Front Wheel Center Z Acceleration

4 动载荷影响规律研究

车辆各部件载荷变化主要受路面不平度、车速、整车重量、悬架系统参数的变化的影响。通过建立虚拟样机整车动力学模型，使车辆行驶在随机路面上，研究弹簧刚度、减振器阻尼、车身簧上质量等参数对车辆载荷变化的规律。

4.1 随机路面选择

根据《车辆振动输入—路面不平度表示方法》标准，路面功率谱密度可表示，如式（18）所示。

式中：n—空间频率，单位m-1每米长度中包含的波数；n0—参考空间频率，n0=0.1m-1；分级路面谱的频率指数W=2；Gq(n0)—参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数。各级路面不平度系数Gq(n0)的变化范围及其几何平均值，如表4 所示。中国的高等级公路路面谱基本为A、B、C三级范围之内，其中B、C级路面占的比重比较大。在这里选择C级路面作为路面激励[8]。

表4 路面不平度ABC级分类标准Tab.4 ABC Classification Criteria for Road Roughness

4.2 麦弗逊悬架与车身连接动载荷规律分析

研究的目标车型前悬架采用麦弗逊悬架，麦弗逊悬架一般有两条路径将路面的激励传递给车身，第一条是激励从车轮、转向节、下摆臂、副车架传到车身，第二条是激励从车轮、转向节、减振器弹簧总成、减振器塔座传到车身。一般第二条路径是激励传递到车身的主要路径。以前悬架麦弗逊悬架的减振器弹簧总成传递载荷为研究对象，主要讨论悬架刚度增加10%，减振器阻尼增加20%簧上质量增加10%，各连接处载荷变化规律。

（1）减振器受力

（2）弹簧受力变化

（3）减振器塔座受力

将图13～图17的载荷进行统计，对减振器作用力影响较大主要是减振器阻尼的变化，其中减振器阻尼增加10%，减振器受力均方根值变化达到14%。对弹簧作用力影响较大有弹簧刚度和簧上质量两个因素。对减振器塔座受力影响较大时簧上质量变化，簧上质量增加10%，减振器塔座受力均方根值变化8%。

图13 弹簧刚度增加10%对减振器受力影响Fig.13 Effect of 10% Increase in SpringStiffness on Shock Absorber Stress

图14 减振器阻尼增加10%对减振器受力影响Fig.14 Effect of 10% Increase in Damping of Shock Absorber on Stress of Shock Absorber

图15 弹簧刚度增加10%对弹簧受力影响Fig.15 Effect of 10% Increase in Spring Stiffness on Spring Force

图16 簧上质量增加10%对弹簧受力影响Fig.16 Effect of 10% Increase in Spring Mass on Spring Force

图17 簧上质量增加10% 对减振器塔座受力影响Fig.17 Effect of 10% Increase in Spring Mass on Shock Absorber Tower

5 总结

主要通过车辆简化的多自由度振动系统理论解析方法和虚拟样机随机道路模拟方法研究麦弗逊式悬架与车身连接安装点载荷谱影响规律。

（1）建立了四自由度半车身振动模型，通过理论解析得到车身载荷频谱响应关系。研究表明：对簧上偏频影响较大的主要有Ksf、Ksr、mhb等参数，在簧上偏频处的支座力增益影响较大的有悬架参数Ksf、Csf和车身参数Ihp、ɑ、mhb。

（2）建立了完整的整车动力学模型，通过凸块路平顺性试验验证了整车动力学模型准确性。然后将整车动力学模型行驶在C级随机路面上，开展了悬架弹簧刚度、减振器阻尼、簧上质量变化对车身载荷的影响分析，通过分析再一次证明了车身载荷主要簧上质量、悬架刚度、悬架阻尼等参数的影响。

通过研究成果既可以为整车疲劳开发提供较好的经验借鉴，也从影响车身疲劳性能的角度为整车参数和悬架参数定义提出一定的要求。