麦弗逊悬架参数变化对整车平顺性影响分析

高岩

麦弗逊悬架参数变化对整车平顺性影响分析

高岩

（宿州职业技术学院 机电工程系，安徽 宿州 234000）

设计了某车型前麦弗逊式悬架，通过搭建麦弗悬架动力学模型并对其进行动力学仿真及平顺性仿真分析，得到车辆以不同车速通过随机路面的振动分析数据，以此评价车辆行驶平顺性。通过逐步改变悬架刚度和阻尼值分析对车辆行驶平顺性的影响，进而得到提高车辆行驶平顺性的方法。

麦弗逊悬架；平顺性；动力学；运动仿真

汽车悬架作为底盘系统的重要组成部分之一，主要作用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证汽车的正常行驶[1]。

不平路面给车轮造成的冲击和振动会直接传递给车身，会引起车身机构的早期损坏，还会给驾乘人员带来极度不适。为了缓和振动，悬架中采用了弹性元件吸收振动。但弹性元件吸收振动后，持续的振动依然会使驾乘人员感到不适和疲劳，所以悬架还要具有减震器，用于快速衰减振动[2]。

此外，悬架的振动直接会影响到车辆行驶的稳定性和平顺性，更关系到驾乘人员的乘坐舒适性。因此，本文选择汽车常用的麦弗逊悬架作为研究对象，建立悬架的动力学模型，对悬架进行动力学特定分析，以及确定减震器最佳阻尼参数、螺旋弹簧的刚度和横向稳定杆的刚度等参数，优化麦弗悬挂振动性能，提高整车行驶平顺性。

1 研究主要内容

（1）给定某车型设计参数，设计前麦弗逊悬架系统，通过计算确定前麦弗逊悬架的弹性元件和减震器的结构参数以及导向机构的布置形式，并分析判断是否合理。

（2）应用CATIA软件建立麦弗逊悬架三维模型，并导出悬架系统各部件连接硬点坐标。

（3）应用ADAMS/Car搭建麦弗悬架动力学模型，并进行双轮同向±30mm激励振动仿真试验，在后处理界面中得到前轮各定位参数变化曲线，并判断是否合理。

（4）将麦弗逊悬架动力学模型导入到整车模型中，并将其置于四柱仿真振动实验台架上进行平顺性仿真，模拟车辆以不同车速通过随机路面的振动情况并得到振动加速度变化曲线。

（5）将不同车速下的加速度功率谱密度PSD曲线导入到MATLAB中，应用编程求解驾驶座椅面处三个轴向振动总加权加速度均方根值，以此评价车辆行驶平顺性。

（6）逐步改变悬架刚度和阻尼值，并进行动力学仿真，研究分析悬架刚度和阻尼值对车辆行驶平顺性的影响规律，进而得到提高车辆行驶平顺性的方法。

2 悬架设计

2.1 悬架基本参数的确定

本研究选取普通型桑塔纳世纪新秀1.8L车型为研究对象，具体技术参数如表1所示。

表1 整车主要技术参数[3]

2.1.1 计算前悬架静挠度

（2）计算前悬架静挠度。根据悬架静挠度计算公式：

2.1.2 计算前悬架动挠度

为了提高车辆适应不同粗糙路面行驶的平顺性，要求悬架要有足够大的动挠度，对于乘用车一般选择70～90mm[5]。本次设计选择悬架动挠度为80mm。

2.2 弹性元件的设计

根据弹簧强度计算公式：

（6）弹簧疲劳强度校核。计算最大工作载荷下剪切应力，根据公式：

计算弹簧疲劳强度系数，根据公式：

2.3 导向机构设计

（2）侧倾轴线。侧倾轴线要求尽量与地面平行，且尽可能离地面高些，保证车辆行驶稳定性。因此，一般要求乘用车前悬架侧倾中心高度为0～120mm，后悬架侧倾高度[13]为80～150mm。

图1 麦弗逊悬架安装位置

2.4 减震器设计

根据减震器阻尼系数计算公式[14]：

①计算减震器卸荷速度。减震器卸荷阀门打开时活塞的运动速度为

根据QC/T491-1999《汽车筒式减震器尺寸系列及技术条件》选定减震器工作缸直径为30mm，尺寸参数如表2所示[14]。

表2 减震器尺寸参数

3 悬架仿真分析

3.1 悬架硬点坐标确定

本课题研究通过测量某车型麦弗逊悬架各零件尺寸并在CATIA软件中建立三维模型硬点坐标如表3所示。

表3 悬架各硬点坐标

3.2 运动仿真分析

在ADAMS/Car中建立麦弗悬架模型，然后在悬架仿真实验台上添两加前轮±30mm垂直振动激励，在后处理界面中得到前轮定位参数变化曲线。

（1）主销后倾角变化分析。从图2得到前轮主销后倾角变化范围是4.085°～4.410°，跳动量为0.325°。根据设计标准[15]要求前驱车型不超过1°，因此主销后倾角跳动合理。

图2 主销后倾角变化曲线

（2）主销内倾角变化分析。由图3所示主销内倾角变化范围为12.048°～13.145°，跳动量为1.097°，根据设计标准[16]要求主销内倾角变化范围为12°～14°，因此主销内倾角跳动量合理。

图3 主销内倾角变化曲线

（3）前轮前束角变化分析。图4所示前轮由平衡位置到上跳运动时，前轮前束角变化范围为0°～0.305°，跳动量为0.305°，前轮由平衡位置到下落跳动过程中变化范围为0°～-0.387°，跳动量为0.387°，按照设计标准[17]要前轮前束角变化量不超过0.5°。因此前轮前束角变化合理。

图4 前轮前束变化曲线

（4）前轮外倾角变化分析。由图5可知前轮外倾角变化范围为0.022°～1.221°，变化量为1.199°，根据标准[18]要外倾角变化范围为1°～2°。因此车轮外倾角变化合理。

图5 前轮外倾角变化曲线

4 悬架平顺性分析

4.1 评价方法

表4 与人的主观感受关

4.2 ADAMS/Car平顺性仿真

将建立的麦弗逊悬架模型置于ADAMS/Car中的四柱仿真振动实验台架上，如图6所示。设置随机路面激励，模拟车辆以不同速度通过随机路面，得到驾驶位座椅面三轴向加速度变化曲线，依照ISO2631-1：1997（E）评价车辆行驶平顺性。

图6 ADAMS/Car四柱台架仿真试验

4.2.1 随机路面设置

按照GB/T7031-86标准，本课题研究选择车辆行驶路面为粗糙沥青路面。根据表5将粗糙沥青路面数据输入到ADAMS/Car路面廓线发生器中。

表5 道路功率谱密度[19]

4.2.2 平顺性分析

执行运动仿真，使车辆以60km/h速度通过随机路面，在后处理界面中得到驾驶座椅面轴，轴，轴三轴向加速度变化曲线。如图7所示。

图7 车速60km/h驾驶座椅面X轴方向加速度变化曲线

使用软件中FTT转换功能，将座椅处三轴向加速变化曲线转换成三轴向加速度功率谱密度PSD曲线。如图8所示。

图8 车速60km/h驾驶座椅面X轴方向加速度PSD曲线

依照同样的方法，可以得到车辆在70, 80, 90km/h车速下的PSD曲线。将各速度下的加速度功率谱密度PSD曲线导出生成tablc文件，再将其导入到MATLAB中应用编程求解三个轴向振动的总加权加速度均方根值，如表6所示。

表6 不同车速车辆平顺性评价

5 悬架刚度和阻尼变化对车辆行驶平顺性影响

悬架刚度和阻尼大小对车辆行驶平顺性密切相关，本设计研究车辆以60km·h-1的行驶车速悬架刚度和阻尼变化对车辆行驶平顺性的影响规律。

5.1 悬架刚度对车辆行驶平顺性影响分析

在悬架设计刚度基础上分别增加20%, 30%和减小20%, 30%得到驾驶座椅面加速度功率谱密度PSD曲线，对比分析车辆行驶平顺性影响，如图9～13所示。

图9 原悬架刚度驾驶座椅面加速度PSD曲线

图11 前悬架刚度增加30%驾驶座椅面加速度PSD曲线

图12 前悬架刚度减小20%驾驶座椅面加速度PSD曲线

图13 前悬架刚度减小30%驾驶座椅面加速度PSD曲线

应用MATLAB编程计算得到悬架刚度变化20%和30%时三个轴向振动的总加权加速度均方根，评价车辆行驶平顺性，如表7所示。

表7 悬架刚度变化20%和30%后车辆行驶平顺性评价

得出结论：（1）当悬架刚度增加20%时，驾驶位乘客乘坐感觉到依然舒适，但驾驶位座椅总加权加速度均方根值增加到0.3122/m·s-2，悬架的平顺性逐渐变差。

（2）当悬架刚度增加到30%时，驾驶位座椅总加权加速度均方根值增加到0.3275/m·s-2，驾驶位乘客感觉到有些不舒适。

（3）当悬架刚度减小时，悬架平顺逐渐性变好，由此可知减小悬架的刚度有利于提高车辆行驶平顺性。

5.2 悬架阻尼大小对车辆行驶平顺性影响分析

在原设计阻尼值的基础上分别增加20%，30%和减小20%，30%得到驾驶座椅面加速度功率谱密度PSD曲线，如图14～17所示，对比分析车辆行驶平顺性影响。

图14 前悬架阻尼增加20%驾驶座椅面加速度PSD曲线

图15 前悬架阻尼增加30%驾驶座椅面加速度PSD曲线

图16 前悬架阻尼减少20%驾驶座椅面加速度PSD曲线

图17 前悬架阻尼减少30%驾驶座椅面加速度PSD曲线

应用MATLAB编程计算三个轴向振动的总加权加速度均方根值，如表8所示。

表8 阻尼变值化20%和30%时车辆行驶平顺性评价

得出结论：（1）当前悬架阻尼增大时，驾驶位座椅处总加权加速度均方根值逐渐减小，当阻尼增加30%时，值逐渐减小到0.2511/m‧s-2，减小了5.3%，阻尼增大时，驾驶位乘客乘坐舒适性越好。

（2）当前悬架阻尼逐渐减小时，驾驶位乘客乘坐舒适逐渐变越差，当阻尼减少30%时，值逐渐增加到0.3185/m‧s-2，驾驶位乘客感觉有些不适。由此可知增加悬架阻尼有利于提高车辆行驶平顺性。

6 结论

本设计研究通过给定某车型参数设计前麦弗逊悬架系统，通过理论计算确定前麦弗逊悬架的弹性元件和减震器的结构参数以及导向机构的布置形式，并在CATIA软件中建立三维模型，确定出悬架系统各部件连接硬点坐标。在ADAMS/Car中搭建麦弗悬架动力学模型，并进行双轮同向激励振动仿真，确定振动过程中前轮各定位参数变化符合要求。随后将已建立的麦弗逊悬架动力学模型导入到整车模型中，并将其放到四柱仿真振动实验台架上进行平顺性仿真，模拟车辆以不同车速通过随机路面的振动情况，并在后处理界面中得到变化曲线，以此评价车辆行驶平顺性。通过研究逐步改变悬架刚度和阻尼值得出在保证车辆操纵稳定性下，适当减小前麦弗逊悬架刚度，增大悬架阻尼可以有效减弱车辆振动，提高车辆行驶平顺性，反之会使车辆行驶平顺性变差，同时也为研究提高车辆行驶平顺性提供一种研究方法。

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Analysis on the influence of McPherson suspension parameters on vehicle ride comfort

GAO Yan

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou Vocational and Technical College, Anhui Suzhou 234000, China)

As a widely used suspension structure of the front suspension of modern passenger cars, McPherson suspension plays a key role in vehicle ride comfort and comfort. This topic studies and designs the front McPherson suspension of a vehicle. By building the McPherson suspension dynamic model and carrying out dynamic simulation and ride comfort simulation analysis, the vibration analysis data of the vehicle passing through the random road at different speeds are obtained to evaluate the ride comfort of the vehicle. By gradually changing the suspension stiffness and damping value, the influence on vehicle ride comfort is analyzed, and then the method to improve vehicle ride comfort is obtained.

McPherson suspension；ride comfort；dynamics；motion simulation

2021-07-28

宿州职业技术学院院级质量工程项目——高职学生汽车维修专业技能训练方法研究（szy2020zlgc15）；安徽省省级自然科学项目——基于麦弗逊悬挂的整车平顺性研究（KJ2020A0966）

高岩（1986-）男，安徽宿州人，讲师，硕士，主要从事车辆工程应用研究，tthaozi123@yeah.net。

U463.33

A

1007-984X(2022)02-0018-09