麦弗逊悬架硬点设计对轮胎磨损的影响分析

2022-11-01荣兵鞠道杰石向南唐龙川

农业装备与车辆工程 2022年10期

荣兵，鞠道杰，石向南，唐龙川

（610041 四川省成都市凯翼汽车技术有限责任公司）

0 引言

麦弗逊悬架由于构造简单、成本低廉、布置空间大等特点，被广泛应用。国内通常采用逆向工程进行硬点设计，重点关注影响操控及舒适性的K&C 指标，往往忽略轮胎磨损或让步妥协。针对轮胎磨损问题，文献[1-2]对影响轮胎磨损的前束角变化、外倾角变化、阿克曼误差等进行了分析及优化；文献[3]以提高悬架抗点头率和减小轮胎磨损为目标进行硬点优化。但上述研究均缺少优化后对整车操控稳定性及舒适性能的影响研究。本文以某成熟车型的前麦弗逊悬架为研究对象，在不影响整车操稳及舒适性能的前提下，通过优化硬点降低轮胎磨损程度。

1 麦弗逊悬架特性及磨胎影响参数

1.1 麦弗逊悬架结构特点及动力学建模

前麦弗逊悬架系统主要组成部分包括下摆臂总成、转向节及减震器滑柱总成、稳定杆总成、转向系总成。其中，减震器与转向节固定连接形成上下运动的滑柱；转向系是对转向节进行约束，满足前束角设计要求以及实现前悬的转向功能；摆臂为L 型设计，与副车架通过两个衬套连接，用于支撑纵向和横向力，衬套按其功能分为操控性衬套和舒适性衬套。麦弗逊悬架的C 特性主要受到舒适性衬套的影响，但部分C 特性也同时受到硬点和悬架弹性元件耦合的影响，主要原因在于悬架舒适性衬套刚度较低，在外部载荷作用下会产生较大的变形，从而改变悬架部件间的连接中心，故在C 特性中的部分指标可通过调整硬点进行优化，下文进行详细阐述。

本文研究车型的衬套布置如图1 所示，舒适性衬套在整车纵向和横向具有较小刚度，对来自路面的纵向和横向冲击起到较好的缓冲作用，提升舒适性。

研究车型前悬为麦弗逊悬架，后悬为E 型多连杆悬架。前后悬架模型以及整车动力学模型精度在研发前期均得到了验证，且模型精度问题不是本文的重点研究内容，故不赘述。悬架及整车多体模型分别如图2 和图3 所示。

1.2 影响轮胎磨损的悬架关键指标

文献[1]指出了外倾角、前束角、阿克曼误差对轮胎磨损的影响。文中重点分析麦弗逊悬架的前束角、轮心纵向位移对磨胎的影响，同时确保外倾角和阿克曼误差引起的磨胎程度不恶化。麦弗逊悬架中转向拉杆与摆臂的空间布置角度和长度主要影响前束角梯度；摆臂的空间布置角度以及摆臂前后硬点的轴线布置角度主要影响轮心侧向位移和纵向位移梯度。以上梯度的变化对轮胎磨损都存在较大的影响。

垂跳工况下，轮胎磨损的影响需关注悬架行程中轮心纵向位移和前束角的曲线变化趋势，其中前束角梯度对轮胎偏磨影响较大。由于确保操控稳定性的不足转向度需要设计较大的前束梯度，为降低轮胎偏磨，前束角梯度的优化只能针对不足转向特性影响较小的悬架行程区域。

纵向力工况下，前束角梯度越小，轮胎偏磨程度越低。然而在较差的麦弗逊硬点设计下，小的前束角梯度与大的轮心纵向柔度不可兼得，为缓冲路面纵向冲击，轮心纵向柔度设计一般较大。

下文将对该问题的平衡及优化进行详细阐述。

2 垂跳工况轮心纵向位移梯度优化

原方案垂跳工况下的前束角、轮心纵向位移、抗点头率分别如图4、图5、图6 中实线所示。其中，前束角梯度为-6.83 (°)/m（梯度取值范围±10 mm），悬架行程内前束角的变化趋于线性（如图4 所示），轮胎偏磨严重。分析图5 可知：（1）轮心纵向位移变化趋于线性，轮胎磨损严重；（2）轮心纵向位移梯度为29.37 mm/m，遇路面凸包时，悬架纵向冲击会增大，影响乘坐舒适性。图6 中，原方案的抗点头率为29.69%，在悬架-100～50 mm行程中斜率保持不变，不利于抵抗制动点头效应。

转向过程中，由于离心力作用，悬架外侧受到压缩，内侧受到拉伸作用，同时轴荷往悬架外侧转移，悬架外侧轮胎将承受更大的侧向力，整车更趋向于外侧轮的运动轨迹进行转向，所以保持悬架压缩行程中前束角梯度，将对确保整车不足转向提供较大的贡献度，故考虑优化悬架拉伸行程中的前束角梯度来降低轮胎偏磨特性。

通过摆臂后点Y 向坐标往车辆中心移动，增加摆臂前后点横向距离，优化轮心纵向位移梯度；通过转向拉杆外点Y 向坐标往车辆中心移动，缩短拉杆长度，优化前束角梯度，详见图7。

优化后的前束角如图4 中虚线所示。悬架行程-50 mm 以下的前束角梯度趋近于0，轮胎偏磨程度显著降低。悬架行程零点的前束角梯度优化后由-6.83 (°)/m 降低到-4.43 (°)/m，整车不足转向度略有影响，整车不足转向度为前后悬侧偏角之差，适当提升后悬前束角梯度，降低后悬侧偏角，既保证整车不足转向度，又提升整车操稳特性，下文将对此进行验证。目前较多日系车型采用该设计理念。

优化后的轮心纵向位移如图5 中虚线所示。悬架行程-50 mm 以下，优化后的梯度由29.37 mm/m降为0，大幅降低轮胎磨损程度。悬架行程零点位置的梯度优化后由29.37 mm/m 降低到25.50 mm/m，悬架纵向冲击舒适性能得到提升。

优化后的抗点头率如图6 中虚线所示。悬架行程零点的抗点头率为26.54%，相比原方案略有降低，但随悬架行程的压缩变化，抗点头率急剧增加，更能有效地抵抗制动点头效应。下文将通过整车的制动俯仰梯度进一步验证。

3 纵向力工况前束角梯度优化

麦弗逊悬架在纵向力工况下的前束角梯度会受到硬点布置的影响，故硬点调整同样会对C 特性产生较大的影响。原方案纵向力工况下前束角、轮心纵向位移分别如图8、图9 中实线所示。从图8、图9 可知，原方案轮心纵向柔度4.77 mm/kN，前束角梯度为-0.26 (°)/kN，纵向柔度适中，但前束角梯度较大，轮胎偏磨严重。不优化硬点，通过增加摆臂后点衬套的刚度降低前束角梯度，但这会大幅降低轮心纵向柔度，削弱悬架冲击舒适性。在前期硬点设计存在缺陷、后期又无法调整的情况下，为保证悬架冲击舒适性，只好对轮胎偏磨妥协。

针对以上问题，本文基于硬点优化，解决轮胎偏磨与悬架冲击舒适性之间的冲突，为后期新车型开发提供方案。通过影响纵向力前束梯度的运动几何分析可知，转向拉杆与摆臂前外两点连线越趋近于平行，则轮心在前后运动过程中，拉杆与摆臂在横向方向产生的位移差将越小，前束角变化也就越小。故结合悬架空间对转向拉杆内外点在纵向上进行调整，让转向拉杆与摆臂前外两点连线趋近于平行。调整方案如图10 所示。

优化后的前束角、轮心纵向位移分别如图8、图9 中虚线所示。通过优化硬点，轮心纵向柔度基本一致，而前束梯度由-0.26 (°)/kN 降低到-0.12 (°)/kN，性能提升约53.85%，在确保悬架冲击舒适性的前提下，大幅降低了轮胎偏磨程度。

对前麦弗逊悬架的硬点优化后，同时需要验证外倾角和阿克曼误差对轮胎磨损程度的影响。垂跳工况下外倾角和转向工况下阿克曼误差分别如图11 和图12所示，优化前后变化较小。以上变化相比前束角和轮心纵向位移的优化可以忽略。另外，对其余K&C 指标进行验证分析，均满足设计要求，且与原方案结果基本一致，不赘述。

4 整车操稳和舒适性能仿真验证

考察硬点优化后对整车操稳性能的影响，仿真工况如下：（1）角阶跃；（2）定半径稳态回转；（3）中心区转向；（4）正弦扫频；（5）直线制动。按照GB/T 6323-2014 《汽车操纵稳定性试验方法》[4]要求，各工况考察指标的仿真值详见表1。

表1 操稳工况分析结果对比Tab.1 Comparative analysis for handling condition

相比原方案，差值百分比为正时硬点优化后的操稳性能为提升，为负时硬点优化后的操稳性能为下降：（1）稳态回转和中心区转向工况中操稳性能保持一致（其中不足转向度偏向于主观感觉，不做对比评估）；（2）角阶跃工况中操稳性能得到明显的提升，操稳响应更快，侧向加速度峰值响应时间提升达21.43%，侧向加速度响应曲线及峰值区域局部放大详见图13；（3）正弦扫频工况中横摆角速度增益、横摆角速度峰值与稳态值之比分别有3.23%、1.55%的降低，但0.2 Hz 横摆角速度和侧向加速度响应时间提升分别为7.50%、10.84%，横摆角峰值频率提升3.67%，故操稳性能提升较明显；（4）对比图14 和图6，直线制动工况下，整车俯仰梯度提升1.17%，进一步验证了抗点头率更优的结论。

依据文献[5-6]中定义的舒适性客观指标以及相应工况，进行整车舒适性仿真分析，本文主要进行优化前后对比，对具体的工况设置以及考察指标定义不做阐述。对比仿真工况包括：（1）初级舒适性仿真；（2）次级舒适性仿真；（3）减速带冲击仿真。各工况考察指标的仿真值详见表2。相比原方案，差值百分比为正时硬点优化后的舒适性能为提升，为负时硬点优化后的舒适性能为下降：（1）初级舒适性略有提升；（2）次级舒适性保持一致；（3）减速带冲击工况下，纵向冲击指标提升较为明显，其中前排座椅滑轨X 向加速度峰值降低，舒适性能提升4.92%，从而也验证了垂跳工况下轮心纵向位移梯度（见图5）与该指标的关联性，其余指标虽对舒适性能有降低的影响，但降低率均小于1%。综上可见，麦弗逊悬架硬点优化后对舒适性能起到了提升作用。