钢板弹簧卷耳形式对悬架运动学特性的影响分析

袁文强，刘 盼，李潇宁

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

随着GB 1589新法规的实施，商用汽车轻量 化技术越来越得到主机厂的重视，少片变截面钢板弹簧作为商用车轻量化手段之一，在商用汽车中广泛使用，其卷耳在车辆中的应用主要有上卷耳和平卷耳两种结构（如图1所示），卷耳结构差异影响钢板弹簧运动学特性。基于上述原因，本文结合理论分析和仿真模拟方法，重点分析了两种钢板弹簧卷耳对悬架系统运动特性的影响，为钢板弹簧卷耳选型提供设计参考。

1 相关参数设计

某车型前悬架相关参数如表1所示，本文基于表中参数研究上卷耳和平卷耳板簧两种卷耳形式对悬架性能的影响。

2 变截面少片簧悬架运动轨迹

国际汽车工程学会（Society of Automotive Engineers, SAE）圆弧理论是20世纪60年代美国汽车工程协会推荐的圆弧近似法，即钢板弹簧主片中心轨迹用3/4（为钢板弹簧半长）为半径，圆心在比主片卷耳中心高/2处（为主片中心到卷耳中心距离）。以某车型前板簧为研究对象，按照SAE理论画出钢板弹簧主片中心的SAE圆弧轨迹，再结合悬架系统上、下跳动极限，上卷耳和平卷耳前少片板簧主片中心SAE圆弧跳动轨迹如图2所示，按照SAE圆弧理论采用作图法，分析悬架跳动±100 mm时，钢板弹簧主片中心运动轨迹如图3所示，结果显示下跳极限到上跳极限行程范围内，平卷耳相比上卷耳的板簧向位移变化小。

3 基于Adams前悬架运动学特性分析

3.1 钢板弹簧建模

在Adams建立钢板弹簧的模型，进一步分析两种卷耳板簧结构对悬架系统的影响。钢板弹簧的建模方法包括有限元法、离散梁法和SAE三连杆法等。本文采用LeafTool钢板弹簧工具箱建立某前悬架的变截面板簧模型，先用预先采集的板簧lef数据快速生成板簧的轮廓，经过设置板簧安装、属性文件和施加预载荷生成板簧装配和建模模板，建立满载状态的板簧模板如图4所示，对建立的板簧进行加载分析，经验证板簧的刚度公差满足±6%设计要求，满足悬架系统仿真精度。

3.2 前悬架运动学模型建立

根据搭建的整车1/2模型，采集前悬架硬点数据，在Adams Car/Template 模块中分别建立前悬架模板、转向系统模板、稳定杆模板，建立好模型后在悬架模板中输入前束角和外倾角设计参数，再利用已生成的板簧模板和Template 模块中建立的系统模板在Adams Car/Standard标准界面建立各子系统，然后将前悬架、前钢板弹簧、转向系统、稳定杆子系统和悬架试验台装配起来后即完成前悬架仿真模型建立，如图5所示。

3.3 平行轮跳工况分析

3.3.1 车轮外倾角

图6为车轮外倾角与车轮跳动行程关系，车轮外倾角初始值为0.5°，在轮胎跳动行程范围，平卷耳板簧方案的车轮外倾角变化范围为0.45°～0.54°，上卷耳板簧方案的车轮外倾角变化范围为0.437°～0.547°，平卷耳板簧的车轮外倾角比上卷耳车轮外倾角相对外倾角初始值的变化量小，平卷耳板簧方案能较好抑制车轮外倾角的变化，使车轮能很好与地面接触，减少轮胎磨损。

3.3.2 车轮前束角

轮胎的偏磨与前束角大小有关，前束角过大或过小都会加剧轮胎的偏磨程度，也使轮胎的滚动阻力增加，降低车辆的直线行驶能力。车轮前束角初始值为0.13°，图7为车轮前束角与车轮跳动行程关系，平卷耳板簧方案在轮胎跳动行程范围内的车轮前束角变化范围为-0.826°～1.11°，上卷耳板簧方案在轮胎跳动行程范围内的车轮前束角变化范围为-0.99°～1.4°，结合图7可知，平卷耳板簧方案的前束角变化量小于1°，相对于上卷耳板簧能更好地保证车辆行驶性能。

3.3.3 主销后倾角

主销后倾角是主销轴线在汽车纵向平面内向后倾斜产生的角度，主销轴线在地面的交点，使轮胎产生主销拖距，该拖距的大小影响车辆回正性能和转向轻便性，从图8分析可知，上卷耳板簧方案在轮胎跳动行程范围内的主后倾角变化范围为2.76°～3.22°，平卷耳板簧方案在轮胎跳动行程范围内的主销后倾角变化范围为2.85°～3.23°，轮胎跳动行程范围内主销后倾角变化量均小于0.5°，对于车辆转向回正波动小，说明板簧卷耳形式对主销后倾角无影响。

3.3.4 车轮纵向位移

轮胎纵向位移大小影响轮胎磨损和转向悬架干涉量大小，从图9可知，上卷耳板簧方案在轮胎跳动行程范围内的车轮纵向位移变化范围为-12.4 mm～10.58 mm，平卷耳板簧方案在轮胎跳动行程范围内的车轮纵向位移变化范围为-10.2 mm～8.97 mm，在车轮跳动行程范围内，平卷耳比上卷耳板簧方案车轮纵向位移小2 mm，因此平卷耳板簧有利于减少轮胎磨损和转向悬架干涉量。

3.4 双轮反向轮跳工况分析

3.4.1 侧倾中心高度

侧倾中心高度是影响转向时侧倾角大小的主要因素，侧倾中心越大，其越趋近于簧上质量质心，有利于减小转向时的侧倾力矩和侧倾角，从而增加车辆舒适性和操稳性能，且增加前悬架侧倾中心高度时，使前悬架趋于不足转向特性。图10为侧倾中心高度与车轮跳动行程关系，分析结果显示在设计状态时平卷耳板簧方案相比上卷耳板簧方案侧倾中心高10 mm左右，平卷耳板簧方案利于改善车辆操稳性能。

3.4.2 车轮轮距变化量

车辆转向侧倾时，轮距随着悬架的压缩和伸张发生变化，会引起轮胎的侧偏角和侧向力变化，可能会进一步影响汽车直线行驶稳定性，增加轮胎阻力和轮胎磨损风险。图11为车轮轮距变化量与车轮跳动行程关系，分析结果表明，平卷耳板簧方案相比上卷耳板簧方案的车轮轮距变化量稍大，不利于减小轮胎磨损。

4 结论

（1）本文基于SAE近似圆弧理论，先通过作图解析方法，得出平卷耳板簧对悬架运动性能影响较小，为进一步验证分析结论，在Adams中建立车辆1/2前悬架仿真模型详细分析两种板簧卷耳形式对悬架运动特性的影响，模拟平行轮跳和双轮反向跳动两种工况，综合对比结果表明平卷耳板簧方案有利于改善车轮定位参数，可提高车辆操稳性能。

（2）本文得出的结论可为工程实践提供较好理论支撑，为板簧方案设计选型提供理论依据，在设计初期就确定板簧卷耳方案，避免设计方案的反复，提高设计开发效率。