基于ADAMSCar软件的乘用车前悬架K&C特性研究

李伟 贯怀光 陈忠廷

【摘  要】为了提高车辆的悬架K&C特性以及操纵稳定性，常见的方式就是通过更改悬架硬点来改变K特性和更改弹性件动静刚度来改变C特性。悬架在汽车底盘中起着举足轻重的作用，在乘用车的操纵稳定性方面要求达到更高的标准。本文选取一款乘用车作为研究对象，针对前悬架K&C特性和整车操纵稳定性展开分析与研究，以ADAMS/Car为平台，建立乘用车前悬架系统的刚体模型，更改乘用车前悬架参数，也就是硬点修改后车辆悬架K特性变化情况，最后对前悬架模型和刚体模型进行运动学仿真分析，通过分析侧倾中心、轮距、车轮外倾角、前束角、主销内倾角、主销后倾角性能参数在乘用车前悬架运动过程中的变化规律，为悬架设计人员和维修保养人员提供借鉴。

【关键词】悬架参数；车辆性能；K&C特性

中图分类号：U463.6    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）04-0023-05

【Abstract】In order to improve the suspension K&C characteristics and handling stability of a vehicle，it is common to change the K characteristics by changing the hard points of the suspension and the C characteristics by changing the dynamic and static stiffness of the elastomers. The suspension plays a pivotal role in the chassis of a vehicle，and high standards are required to be achieved in terms of handling stability in passenger cars. In this thesis，a passenger car is selected as the research object，and the analysis and research is carried out for the front suspension K&C characteristics and the overall vehicle handling stability. ADAMS/Car is used as a platform to establish a rigid body model of the front suspension system of a passenger car，and to change the front suspension parameters of the passenger car，that is，the change of the vehicle suspension K characteristics after the hard point modification. Finally，the kinematic simulation analysis of the front suspension model and the rigid body model is carried out to analyze the changes in the performance parameters of the centre of lateral camber，wheelbase，wheel camber，front beam angle，main pin camber and main pin camber during the front suspension movement of the passenger car，which can be used as reference for suspension designers and maintenance personnel.

【Key words】suspension parameters；vehicle performance；K&C characteristics

1  背景

在汽車研发设计中，汽车设计人员对汽车的性能要求越来越高。悬架是车轮和车身传递多种力矩的连接系统，路面不平产生冲击载荷，经过车轮转移到悬架，然后转移到车身，悬架系统可以减弱上述振动，并保证车辆运行平稳性[1]。合理的悬架设计方案需要综合悬架各种参数进行匹配，满足整车定位及性能要求。

ADAMS/Car是面向汽车行业建模与分析的工具，该软件自身蕴含着丰富的车辆动力学建模的实践经验。在国内外研究现状中，Liu J等人[2]分析了悬架参数变化对车辆操纵性和稳定性的影响，采用人工智能算法对悬架系统进行优化。Chen J等人[3]在稳态旋转和单车道变换的相同工况下，对重型商用车的操控性和稳定性进行了优化，并将优化前后的数据进行对比，验证本研究优化方法的有效性。Kou F等人[4]建立了带转向系统的麦弗逊悬架多体模型，并将MATLAB软件绘制的函数曲线与ADAMS/Car软件仿真的曲线进行比较，验证了计算的正确性。而基于ADAMS/Car软件研究汽车悬架特性方面，Kou H等人[5]运用ADAMS/Car对赛车前悬架进行仿真建模，并对影响赛车前悬架的各项参数进行分析，如前轴距、前梁角度和前悬架外倾角系数，进行了模拟和分析。Wang A等人[6]在ADAMS环境下搭建悬架系统模型，进行了运动仿真，对重要悬架参数进行分析，依据分析结果，对配属巴哈赛车四驱系统悬架硬点进行改造，对悬架参数进行了优化。Zhang G等人[7]建立了重型商用车的动力学模型基于ADAMS的整车悬架，优化汽车悬架的控制参数和机械性能以及汽车的平顺性。Wu Y等人[8]以武汉理工大学刀锋赛车为对象，利用ADAMS/Car和ADAMS/Insight进行参数化仿真分析和优化，改进了前梁跳动变化范围与左右轮角度之间的关系。Zhang G等人[9]基于路试和ADAMS软件仿真分析，提出响应面法，结合遗传学的MHSCS优化模型，利用算法对重型商用车进行多目标优化，提高重型商用车转向特性、侧倾特性以及侧向特性。

2  基于ADAMS/Car软件的乘用车前悬架模型

2.1  坐标系定义

乘用车是一个典型多体系统，各组成部分间运动关系非常复杂，常规人工计算难以表达出汽车的多种运动特性。本次仿真的软件版本为MSC.ADAMS/Car 2013，模型坐标系与ISO坐标系一致。ISO坐标系说明如图1所示，ADAMS/Car软件正方向说明见表1。

2.2  乘用车整车参数设置

在模型中需考虑所有约束及其相应的连接。在构建乘用车前悬架模型中，乘用车整车参数见表2。以乘用车前悬架硬点信息为基础，在ADAMS/Car软件中搭建乘用车前悬架K＆C仿真分析模型，如图2所示。

模型衬套采用同类型车经验值，前悬架衬套数据见表3。前悬架弹簧刚度为24.8N/mm，前减振器阻尼特性见表4，前缓冲块间隙0，前缓冲块特性如图3所示。

2.3  前悬架偏频计算

1）前悬架空载偏频：

2）前悬架满载偏频：

考虑轮胎刚度时（轮胎刚度211.11N/mm，悬架单侧刚度15.64N/mm），悬架空载偏频1.33Hz，满载偏频1.29Hz。

2.4  前悬侧倾角刚度计算

2.4.1  横向稳定杆

在横向稳定杆上，侧倾角刚度    和等效    在车轮上之间换算关系：

式中：fw，fb——轮心、稳定杆端部垂向位移量；Lb——稳定杆两端点距离；B1——前轮距。

横向稳定杆的侧倾角刚度    按式（4）计算：

式中：E——材料弹性模量，取为206000N/mm2；I——稳定杆截面惯性矩，可依据式（5）所得；d——稳定杆内径；Lb、L1、L2、a、b、c由数模测得。

计算横向稳定杆的侧倾角刚度   （单位N·mm/rad），因横向稳定杆所提供的侧倾角刚度因橡胶件在连接处发生变形而下降15%～30%左右，考虑ADAMS/Car模型中稳定杆侧倾角刚度与计算值一致，取16％。

在对前悬架系统结构进行运动学分析的基础上，认为车轮与稳定杆端部之间的垂直位移转移关系fw / fb为1.63。为简化系统动力学模型及提高计算精度，将其转化为单自由度振动微分方程进行求解，并给出相应计算公式。横向稳定杆位于车轮上的等效侧倾角刚度   （单位N·mm/rad）就可以被计算出来。

2.4.2  弹簧等效到轮心处的侧倾角刚度

对于独立悬架，悬架垂直刚度与侧倾角刚度转换公式如下：

式中：k——前悬架单侧刚度，k=16.89N/mm；B1——前轮距。

前悬架总侧倾角刚度：

在此悬架模型的基础上，调整轮心硬点Z方向下移10mm后，分析悬架系统的性能差异性。

3  乘用车前悬架K&C特性研究

3.1  侧倾中心

侧倾中心是车架或者车身质量受到侧向力时的瞬时回转中心。普通轿车的前独立悬架侧倾中心高在0～120mm之间[10]。侧倾中心一般希望高于地面，但是不想超出轮胎的半径，并且侧倾中心与车轮中心之间的间距不宜过小，否则将导致汽车在振动过程中，主销后倾角改变过大，或者传动角度改变过多，劣化操纵或传动性能。

侧倾中心设计高度增加，使侧倾中心到车辆质心距离变小，而降低侧倾力矩，在同样的侧倾角刚度条件下，车身的侧倾角及轮荷转移相對降低，此时弹性元件及横向稳定杆传递的力减小，但是导向机构传递的力增大。

侧倾中心高度设计得较高，可以降低车身侧倾角，但对独立悬架，在侧倾中心的位置上升时，车轮在跳动过程中，轮距变化量随之增加，轮距的变化会造成轮胎磨损，有利于保证乘用车稳态和瞬态转向工况车辆响应更线性化，同时可减小侧向力产生的“举升力”，保证车辆侧倾稳定性。根据工程经验，侧倾中心目标值一般设定为30～70mm。乘用车前悬架平行轮跳侧倾中心随车轮跳动的变化曲线如图4所示，某车型2种不同硬点方案侧倾中心均满足设计要求。

3.2  轮距

设计独立悬架时，希望轮距变化能尽量小些，这就要求车轮具有良好的弹性和较低的滚动阻力系数，以便提高车辆通过性，减少振动噪声。由于轮距的改变，不但使轮胎磨损，并造成轮胎侧偏角，然后产生侧向力的输入，车辆操纵稳定性会发生异常变化，所以在硬点设计时应尽量降低跳动时的轮距变化，普通轿车轮距变化范围应为±5mm/100mm以内，并且在车轮上跳时轮距适量增加，车轮下跳过程中，轮距适度缩小，有助于改善汽车操纵稳定性。乘用车前悬架轮距随车轮跳动变化的曲线如图5所示，某车型2种不同硬点方案轮距变化趋势满足设计要求，但是轮距变化量需进一步优化。

车辆轮距的变化与悬架侧倾中心设计的高度有着直接的联系，轮距变化将导致悬架等效摆臂的长度发生变化，由此间接地反映了悬架侧倾中心高度趋势。本文通过建立整车模型和仿真分析了汽车行驶时车轮在路面上滚动过程中所受到的力，并计算出不同车速下的轮间距值，进而得出相应的变化规律。轮胎印迹中心侧向位移变化梯度和侧倾中心高度间存在轮胎印迹中心侧向位移变化梯度绝对值=2（侧倾中心高度/轮距）的关系。

3.3  车轮外倾角

车轮的外倾角就是车轮安装好以后的倾角，其一端向外倾，也就是车轮所在平面和纵向垂直平面之间的角度，是车辆通过性和操纵舒适性等性能中最重要的一个指标之一。车轮外倾角对轮胎路面附着能力影响较大，轮胎任何时刻均垂直于地面，这是悬架设计中最理想的。合理地确定车轮外倾角就成为保证行车安全和提高操纵性能的关键之一。因此，必须合理控制车轮外倾角以保证汽车安全行驶和操纵轻便，要求车轮的内外倾角必须一致。当汽车转弯运行时，期望车轮外倾角不要变化，否则，在车轮跳动的时候，由外倾推力引起的侧向力将导致汽车的不正常转向。汽车在弯道上运行时，车身是同方向倾斜的，增加外侧车轮外倾角，与此同时，侧向附着能力也随之降低。车轮上下跳动时，外倾角改变的大小取决于前视摆角，前视摆角越大，外倾改变系数就越小。为了保证车辆具有较好的K&C特性，通常要求在上跳过程中，相对于车身外倾的变化是（-2～+0.5）/50mm。

当今在悬架设计时，为了保证高速稳定性，一般取负外倾。当车辆在高速转弯行驶时，随着车速增加，车辆的离心力增大，此时车身向外倾斜量变大，外侧车轮外倾角有增大的趋势，外侧悬架负载的增大使得外侧轮胎磨损量增大，这样不但使轮胎的磨损加重，还使转向性能下降。因此，现在在汽车车轮外倾角的设计中，尽可能取很小的数值，甚至取负值，这样可以保证高速转向时外侧车轮内外侧轮胎磨损均匀，并且能够提高车身的横向稳定性。乘用车前悬架车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线如图6所示，某车型2种不同硬点方案车轮外倾角初始设计状态及上下跳时角度变化均满足设计要求。

另外，车轮外倾角变化应匹配前束变化特征，使直线行驶过程中侧向力最小，降低产生侧滑现象的风险。在侧滑过程中，轮胎呈边滚边滑状态，在悬架运动过程中，轮胎侧向滑移量不仅影响着操纵稳定性，而且轮胎横向滑移会产生侧向力和较大的滚动阻力，导致轮胎磨损降低了使用寿命。

3.4  前束

一般轿车悬架设计时为了补偿轮胎发生的弹性变形，将取负前束以确保直线行驶性能，但为改善车辆直行稳定性，转向特性不充分，在设计中，使得车辆转向过程中外側车轮的前束角变小，内侧车轮前束扩大，也就是车轮在上跳过程中，前束变小，在下跳过程中，前束角变大。前轮向上跳跃时为0到负前束-0.5°/50mm是前束角较合理范围，即弱负前束的改变，后轮向上跳跃时正前束的改变0.3°/50mm是弱的正前束[11]。乘用车前悬架前束随车轮跳动的变化曲线如图7所示，某车型蓝色虚线方案设计合理，而红色实线设计方案前束变化不合理。

对于带转向功能的前悬架，前束随车轮跳跃而改变。如果车轮跳跃不尽合理，通常采用优化断开点的位置进行修正。研究表明，当车辆在高速以及中低速行驶时，前束角变化趋势不同导致车辆侧向偏移量不同。在悬架设计时，由于前束的动态变化对横向偏移量有着非常重要的影响，所以应充分考虑高低速和初始定位角对车辆动态性能的影响，慎重选择前束值。

3.5  主销内倾角

较大的主销内倾角和主销后倾角可提高在较小侧向加速度时的转向回正性和跳动转向的范围。增大主销内倾角使跳动外倾尽量大，保证车辆侧倾时轮胎抓地力，但主销内倾角过大，转向时导致轮胎滑动距离变大，这不但使轮胎寿命缩短，也能让转向变重。另外，如果车辆处于紧急状态时，由于内倾角度较大，容易发生侧翻事故。从理想的角度来看，当想让车轮跳起来的时候，内倾角增大幅度要尽可能小，避免内倾角改变过大。

若设计初始主销的内倾角偏大，那么车辆的侧向偏移量就随之增大，并随车速提高而提高，偏移量的差异将明显增加。当车辆速度一定时，侧翻角和轮胎侧偏角度随轮毂半径的减小而减少。从图8中可以看出主销内倾角和车轮外倾角沿轮跳方向趋势相反。主销内倾角随车轮向上跳跃增大，这样能有效地解决因载荷增加造成转向轻便性性能下降的问题。乘用车前悬架主销内倾角随车轮跳动的变化曲线如图8所示，某车型2种方案主销内倾角随轮跳变化趋势均满足设计要求。

主销偏移距随主销内倾角增加而降低，可以改善转向操纵的轻便性，还能降低转向轮转至方向盘上的冲击力。因此，合理选择主销内角和主销间夹角可以降低车辆行驶过程中产生侧滑或摆头现象的风险。通常情况下，主销的偏距为-10～30mm，同样希望取较小值。主销偏距正比于地面转向阻力力矩，主销偏距设计值小时，转向阻力矩也得到了降低，可以改善转向操纵性，还可以降低地面对系统的影响。乘用车前悬架主销横向偏置距随车轮跳动的变化曲线如图9所示，某车型主销偏移距满足设计要求。

在工程实践中发现，主销偏移距为0或较小的负值均是可行的。现代高速汽车如果使用负的主销偏移距，当2个前轮的制动力不同时，会产生抗偏力矩，这样就避免了汽车在制动过程中出现跑偏的现象。

3.6  主销后倾角

从车辆的纵向平面上，主销轴线的上端面稍偏向后方，这一现象叫做主销后倾。它是由发动机工作时产生的惯性力引起的。

主销后倾角关系到车辆高速回正性能。在实际运行时，并不想产生过大的回正力矩，这样会使方向盘发沉或回正过猛，加重前轮摆振。设计时通常要求主销后倾角在车轮上升跳动过程中具有基本按线性递增的规律，能够保持直线行驶能力。主销后倾角变大，对应主销后倾拖距增加，也就是侧向力臂的增大，侧向力造成的缺陷转向特性得到改善；在下跳时，后倾角减小，从而保证制动时，能够对控制臂支架施加抗制动点头力矩。乘用车前悬架主销后倾随车轮跳动的变化曲线如图10所示，某车型主销后倾角随车轮跳动变化趋势满足设计要求。

另外主销后倾角对车轮在转向过程中的外倾变化有一定的影响，因此，有必要提高车轮转向时所要求的侧向力，从而抵消了外倾推力。

研究表明，主销后倾角在不同车速时，对汽车侧向偏移量的影响是不同的。车速低于95km/h时，主销的后倾角增大，侧向偏移量变小；车速高于95km/h时，主销的后倾角增大，侧向偏移量增大。由此可见，中低速时增大后倾角有利于提高车辆稳定性，高速时则不然。

通常情况下，主销后倾拖距随着车轮向上跳跃而增大[12]。在汽车转向过程中，道路上侧向力对于主销产生转矩具有减小汽车转向角效果，行车中遇侧向干扰，本实用新型使得转向轮回正能力强，直行稳定，但是后倾拖距太大，会使转向变得笨重，建议轿车后倾拖距在0～30mm之间。主销拖距影响直线行驶稳定性和侧向力转向，它随悬架跳动和转向的变化影响附着极限的感知，也会提高对轮胎回正力矩和侧向力产生的转向反馈的感知，因此需要选择合适值0。乘用车前悬架主销后倾拖距随车轮跳动的变化曲线如图11所示，某车型后倾拖距随轮跳变化以及设计值均满足设计要求。

4  结束语

本文基于ADAMS/Car软件研究对于乘用车前悬架参数车辆性能影响，根据多体动力学理论，结合模型参数，利用多体动力学软件ADAMS/Car对乘用车前悬架各个子系统进行建模，也对前后悬架的K&C模拟试验进行探讨，同时对侧倾中心、轮距、车轮外倾角及其他悬架性能参数变化规律和操纵稳定性进行了分析。前悬架仿真和试验结果可见，优异的车辆性能要求多种悬架参数必须配套确定，并不是每一个参数均处于合理设计区间，才能确保整车性能达到车辆设计要求，但这项研究要进行实车试验，将模型仿真与主观评价相结合进行评估，并且后续也需要对整车的平顺性进行研究。

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（编辑  凌  波）