控制臂后衬套开口角度对悬架零件及性能的影响分析

李中洋　钟杰铭　刘仕冬　林建华

摘 要：基于ABAQUS软件分析控制臂后衬套开口角度对衬套受力、控制臂强度的影响，为控制臂及衬套的结构设计和空间布置提供指导，提高零件设计的可靠性。基于Adams/Car軟件在建立的麦弗逊前悬架弹性连接运动学模型中分析控制臂后衬套开口角度对车轮定位参数的影响，为悬架的性能优化设计提供理论依据。梳理后衬套开口角度对衬套受力、控制臂强度、悬架性能的影响，为悬架零件设计及性能优化提供借鉴经验。

关键词：后衬套 开口角度 强度 车轮定位参数

Impact Analysis of Control Arm Rear Bushing Opening Angle on Suspension Parts and Performance

Li Zhongyang Zhong Jieming Liu Shidong Lin Jianhua

Abstract： The influence of control arm rear bushing opening angle on the bushing strength and control arm strength was analyzed based on ABAQUS software， which can provide guidance for design and arrangement of control arm and bushing to improve reliability design of parts. The influence of control arm rear bushing opening angle on wheel positioning parameters was analyzed by the multi-body dynamics software Adams/Car in the kinematics model of McPherson front suspension elastic connection， which can provide theoretical foundation for the optimization design of suspension performance. The influence of rear bushing opening angle on the bushing strength， the strength of the control arm and the performance of the suspension was analyzed to provide reference experience for design and performance optimization of suspension part.

Key words：Rear bushing; Opening angle; Strength; Wheel positioning parameters

1 前言

悬架K特性是车轮在弹簧变形过程和转向时的运动;悬架C特性是轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位参数的变化，二者统称为悬架运动学与弹性运动学[1]，简称K&C特性。作为汽车悬架的弹性连接元件，橡胶衬套可以有效缓和路面不平传给车架（或车身）的冲击，降低来自地面、轮胎输入的噪声。橡胶衬套的安装位置、方向、结构等不仅影响控制臂的强度及模态，也影响着车辆系统的悬架刚度和悬架K&C特性[2]。

梁家玮[3]等通过分析汽车悬架分体式衬套下控制臂的约束模态，对控制臂及衬套总成的薄弱环节提出优化思路。袁世林[4]等通过对摆臂的强度分析进行结构优化，满足摆臂静刚度和屈曲设计要求。杨新军、陈宝[5-6]等在建立的麦弗逊前悬架刚柔耦合模型中，利用Adams /Insight对悬架部分硬点进行灵敏度分析并优化硬点坐标，实现车轮定位参数在合理范围内的变化，改善悬架性能。XIN-TIAN LIU[7] 等研究了悬架的轮跳和载荷工况下，橡胶衬套刚度对悬架特性的影响。

本文在解决某车前麦弗逊独立悬架控制臂后衬套因摩擦接触异响的过程中，分别通过ABAQUS软件和多体动力学Adams/Car软件分析了衬套开口角度对衬套受力、控制臂强度、车轮定位参数的影响，其中衬套受力、前束、后倾、纵向刚度受衬套开口角度影响较大。

2 衬套开口角度对衬套受力的影响

2.1 衬套开口角度

某国产车低速过扭曲路或减速带时，控制臂衬套受力变形时产生摩擦异响，通过更改衬套开口角度、胶料摩擦系数、增大开口方向的接触面积等措施解决衬套异响。如图1为左前下控制臂后衬套在整车坐标下的初始开口角度。分别在控制臂后衬套4种开口角度下计算衬套受力、控制臂强度、四轮定位参数的变化。

2.2 衬套受力分析

控制臂橡胶衬套为6面体C3D20H橡胶杂交单元，通过优化识别的橡胶衬套Mooney-Rivlin模型C10、C01参数[8]对衬套进行受力分析。表1为相同台架试验条件下，控制臂衬套4种开口角度下的衬套应力图。由表1知，开口角度2下的衬套受力为3.3MPa，相比开口角度1（初始角度）下的衬套受力3.9MPa，下降了0.6MPa，下降比例15.4%，耐久可靠性高。开口角度4下的衬套受力最小为3.1MPa，相比开口角度1（初始角度）下的衬套受力3.9MPa，下降了0.8MPa，下降比例20.5%，耐久可靠性高。开口角度2和4都可以提升衬套的耐久可靠性。

3 衬套开口角度对控制臂强度的影响

3.1 麦弗逊前悬架系统有限元模型

基于ABAQUS分析软件，在搭建的某车型单边前麦弗逊悬架有限元模型中，通过改变后衬套的开口角度对控制臂进行强度分析。麦弗逊悬架系统有限元模型如图2所示。

3.2 控制臂强度分析结果

分别在单侧过深坑、向前紧急制动、极限转向三个典型工况下输入轮心载荷，得到控制臂应力分析结果。如表2，控制臂在向前紧急制动工况下的受力最大，同一工况下，衬套不同开口角度对控制臂强度影响不大。

4 衬套开口角度对车轮定位参数的影响

4.1 麦弗逊前悬架弹性连接运动学模型

如图3，在Adams/Car中建立的麦弗逊前悬架运动学模型由刚性连接和弹性连接构成：下控制臂的外侧通过球铰与转向节相连，内侧通过前、后两个衬套与副车架相连;减振器下端与转向节为刚性连接，减振器上端与车身通过衬套连接;横向稳定杆与减振器以球铰连接，与副车架通过衬套连接;副车架与车身刚性连接;转向节与转向横拉杆之间通过球铰连接，转向节与车轮之间通过转动铰连接。

悬架K&C特性对汽车操纵稳定性有直接影响，其评价指标包括车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角、前束角对整车性能的影响等。进行纵向力平行加载对比，左、右轮胎印迹上纵向力同时从-1000N（负号表示指向车尾，为制动力）加载至+1000N，观察左前轮定位参数随纵向力的变化。

4.2 前束角的变化

汽车俯视图上，车轮前束角是车轮中心线与汽车纵向对称轴线之间的夹角。图4为衬套不同开口角度下的车轮前束/纵向力的变化曲线对比图，车轮前束/纵向力变化范围为-0.0955°～-0.0374°。与开口角度1相比，开口角度4的前束角变化最大，前束角在负方向上减小了0.0581°，变化范围减小60.8%，车轮与路面接触面积减小，转弯制动时的摩擦力减小，导致车辆转弯制动的稳定性变差;开口角度2的前束角几乎无变化。

4.3 主销后倾角的变化

汽车侧视图上，主销后倾角是主销轴线（转向车轮的旋转轴线）和地面垂直线的夹角。图5为不同衬套开口角度下的车轮后倾/纵向力的变化曲线对比图， 车轮后倾/纵向力变化范围为0.306°～0.21°。与开口角度1相比，开口角度4的后倾角变化最大，后倾角减小了0.096°，变化范围减小31.2%，后倾角/纵向力（制动力）特性随着衬套开口角度的变化呈减小趋势，有利于保持轉弯制动时的方向盘回正力感;开口角度2的后倾角几乎无变化。

4.4 轮心纵向刚度的变化

图6为不同衬套开口角度下的轮心纵向刚度变化曲线对比图，轮心纵向刚度变化范围为396N/mm～614N/mm。与开口角度1相比，开口角度4的轮心纵向刚度变化最大，增大了0.096°，变化范围增大54.9%，轮心纵向刚度随着衬套开口角度的变化呈增大趋势，会减弱车辆过坎的舒适性;开口角度2的轮心纵向刚度几乎无变化。

5 结论

本文通过多体动力学软件Adams/Car及ABAQUS软件分析了前麦弗逊独立悬架控制臂后衬套开口角度对衬套受力、控制臂强度、车轮定位参数的影响，主要得到以下结论：

1、衬套开口角度对衬套受力影响较大：开口角度4下的衬套受力比开口角度1下降了20.5%，有利于耐久可靠性，但车轮定位参数变化很大，影响K&C特性。开口角度2下的衬套受力比开口角度1下降了15.4%，耐久可靠性高，且对控制臂强度、车轮定位参数影响很小，可用于解决衬套摩擦接触异响的措施。

2、衬套开口角度对控制臂强度几乎无影响。

3、与开口角度1相比，衬套开口角度4下的车轮定位参数变化最大：

车轮前束/纵向力减小了60.8%，导致车辆转弯制动的稳定性变差;

车轮后倾/纵向力减小了31.2%，转向回正力矩减小，有利于保持转弯制动时的方向盘回正力感。

轮心纵向刚度增大了54.9%，轮心纵向刚度随着衬套的安装角度变化而呈变大趋势，会减弱车辆过坎的舒适性。

参考文献：

[1]Jornsen Reimpell， HelutStoll. Automotive Chassis： Engineering Principles [M]. London： Arnold，1996.

[2]彭福泰，师国靖.衬套刚度对悬架运动学特性参数影响分析[J]. 汽车实用技术. 2020（7）：156-161.

[3]梁家玮，李凯，陈艺航，李登科.分体式衬套下控制臂模态特性研究[J]. 现代机械.2019（4）：39-41.

[4]袁世林，宛银生，周磊，许生.麦弗逊悬架下摆臂分析及优化[J]. 汽车实用技术. 2017，20：111-113.

[5]杨新军，康峰，蔡维，谭芬，谭宇文. 麦弗逊前悬架的刚柔耦合模型仿真及优化分析[J]. 计算机辅助工程，2013，22：102-106.

[6]陈宝，张瑞，付江华，等.面向多工况性能匹配的汽车悬架衬套多因素联合优化[J]. 重庆理工大学学报（自然科学），2019，33（5）：17-26.

[7]X.-T. Liu，H. Hu，Y. Yang，Performance Analysis of Rear Rubber Bushing Stiffness of Lower Control Arm on McPherson Suspension，International Conference on Apperceiving Computing & Intelligence Analysis IEEE，2009.

[8]马良灿，纪浩，陈小燕，李小珊. 麦弗逊悬挂的摆臂橡胶衬套优化分析[J]. 汽车实用技术. 2020，15：105-108.