某SUV车型麦弗逊式前悬架硬点优化分析

李喆 刘莹 乔鑫

（华晨汽车工程研究院）

悬架是车轮与车身之间传递载荷的连接系统，由路面不平度引起的冲击载荷，通过车轮传递至悬架进而传递至车身，悬架系统能够衰减这些振动，并且保证车辆行驶的平稳性[1]。针对承载式车身的前置前驱车型大多采用麦弗逊式前悬架结构，其在设计过程中存在大量的逆向问题，需后期对结构参数进行调整，以达到优化悬架整体性能的目的[2]。悬架的K&C 特性对整车的操纵稳定性影响很大，硬点坐标参数对悬架系统的K 特性影响较大，通过对悬架关键硬点进行灵敏度分析，优化硬点坐标，能够提升悬架系统的K 性能。文章针对某款SUV车型的麦弗逊式前悬架进行K&C 性能仿真，并利用Insight 进行关键硬点参数的灵敏度分析，制定优化方案，优化悬架的K 特性。

1 麦弗逊式前悬架刚柔耦合模型的搭建

利用ADAMS/Car 建立麦弗逊式前悬架多体动力学模型，该装配体模型包括前悬架子系统、转向子系统、稳定杆子系统及试验台子系统，如图1所示。

图1 麦弗逊式前悬架多体动力学模型图

硬点位置是悬架各构件间连接的基础，对悬架K特性影响较大。通过对悬架数模的测量及图纸的标注位置，初步确定悬架各硬点的位置，并在多体动力学模型中建立硬点，某款SUV车型的部分初始硬点坐标，如表1 所示[3]。利用HyperWork 软件对麦弗逊式前悬架各零部件进行网格划分，并计算获得模态中性文件，利用生成的模态中性文件在ADAMS/Car 中建立各零部件的柔性体构件。通过连接关系铰链和衬套进行各构件间的连接，生成前悬架模板，进而建立悬架子系统，通过使用通信器与其他子系统连接，组成动力学装配体模型，用于计算分析。

表1 某款SUV车型前悬架部分硬点坐标初始值汇总表 mm

2 悬架模型分析验证

悬架K&C 特性是悬架系统在试验台上进行轮跳、侧倾、纵向力加载、侧向力加载及回正力矩加载5 种工况试验所获得的悬架特性曲线[4]。K&C 特性曲线的变化情况直观地反映了悬架的性能，并作为车辆操纵稳定性能判断的依据。

文章选择满载状态下的麦弗逊式前悬架，对其进行同向轮跳分析，设置上下跳动行程为-60～60 mm，获得车轮前束角、车轮外倾角、轮心纵向位移及轮心侧向位移4 个参数的车轮跳动变化特性曲线。仿真特性曲线，如图2～图5所示。

图2 某SUV车型车轮前束角变化曲线图

图3 某SUV车型车轮外倾角变化曲线图

图4 某SUV车型车轮轮心纵向位移变化曲线图

图5 某SUV车型车轮轮心侧向位移变化曲线图

车轮前束角是与外倾角匹配的角度参数，能够抵消由于外倾角的存在而导致的轮胎磨损。汽车转弯时，由于轮荷的侧向转移，导致外侧悬架处于压缩状态，车轮上跳。为了使汽车在转弯过程中存在一定程度的不足转向特性，在车轮上跳过程中，汽车的前轮前束角应该具备减小趋势。从图2 可以看出，前束角为负斜率变化趋势，但变化量应该在-0.005（°）/mm 内，需要进一步优化。

车轮外倾角的存在能够使车轮在转弯的过程中，拥有足够的轮胎抓地力及转弯侧向力。汽车转弯过程中，由于轮荷的转移和侧向加速度的存在，前悬架向外侧车轮压缩，车轮上跳，外侧车轮的外倾角变化会影响轮胎与地面的接触面积，进而影响轮胎的抓地力以及提供汽车转弯侧向力的大小。一般要求车轮外倾角在随车轮上跳过程中存在一定的减小趋势，这样可以保证在轮荷增加时，轮胎能够保持垂直于地面的趋势，减少轮胎的磨损，保证轮胎具有足够的抓地力以及提供转向的侧向力。但外倾角随轮跳的变化值不宜过大，以防止汽车的行驶稳定性下降。从图3 可以看出，外倾角为负斜率变化趋势，变化量应该在-0.01（°）/mm 内，满足要求，但仍存在进一步优化的空间。

在车轮上跳过程中，轮心纵向位移表征了轴距的变化情况，变化量的合理性有助于汽车在加减速行驶过程中，抑制制动点头和加速后仰的作用，提高汽车的稳定性。在汽车制动过程中，前悬架处于压缩状态，车轮上跳，一般要求轮心纵向位移呈现减小趋势，有利于提高汽车抗点头能力。但轮心纵向位移变化不宜过大，否则会导致轴距变化过大，出现轮胎的异常磨损现象[5]。从图4 可以看出轮心纵向位移随轮跳的变化，其变化值一般取-0.05 mm/mm 内，需进一步优化。

在车轮上跳过程中，轮心侧向位移表征了轮距的变化情况，一般希望轮心侧向位移变化越小越好，能够减小轮胎的磨损。

3 悬架硬点灵敏度分析

车轮跳动时，悬架运动学K 特性变化程度是悬架结构布置合理性的体现。悬架硬点的位置是悬架结构布置的重要参数，文章利用ADAMS/Insight 优化软件，分析其对悬架运动学K 特性的影响程度。

3.1 设计变量及优化目标的选取

在硬点坐标灵敏度分析过程中，由于麦弗逊式前悬架涉及的硬点坐标参数过多，全部参数都进行优化会影响计算分析的时间和收敛性，所以要根据工程经验对需要优化的对象进行初步判断，筛选对其影响较大的硬点坐标。文章选取下摆臂外点、下摆臂前点、下摆臂后点、转向横拉杆内点及转向横拉杆外点的Z向坐标值作为优化变量，各变量的变化范围为-5～5 mm；选取同向轮跳分析下的前束角、外倾角、轮心纵向位移及轮心侧向位移的绝对值作为优化目标。

3.2 灵敏度分析

文章选择响应曲面的灵敏度DOE 试验分析方法，回归模型采用二次方程模式，设计类型选择全因子法进行灵敏度分析。获得悬架关键硬点坐标灵敏度分析结果，如图6～图9所示。

图6 某SUV车型悬架关键硬点坐标与前束角的灵敏度显示界面

图7 某SUV车型悬架关键硬点坐标与外倾角的灵敏度显示界面

图8 某SUV车型悬架关键硬点坐标与轮心纵向位移的灵敏度显示界面

图9 某SUV车型悬架关键硬点坐标与轮心侧向位移的灵敏度显示界面

从图6 可以看出，转向横拉杆内外点以及下摆臂前外点Z向坐标的变化对前束角变化影响较大，下摆臂后点相对影响很小；从图7 可以看出，下摆臂前点以及转向横拉杆内外点Z向坐标的变化对外倾角变化影响较大，下摆臂外后点相对影响较小；从图8 可以看出，下摆臂前后点Z向坐标的变化对轮心纵向位移变化影响较大，其他因素影响较小且程度相当；从图9 可以看出，下摆臂前外点Z向坐标的变化对轮心侧向位移变化影响较大，其他因素影响相对较小。

4 悬架硬点优化分析

根据麦弗逊式前悬架K 特性的灵敏度分析结果以及对优化目标的要求，对关键硬点的坐标值进行调整，调整过程中需考虑单个坐标值对多个目标值的影响、相互作用以及影响程度的正负效应，综合以上因素，获得关键硬点的优化后坐标值，如表2所示。

表2 某SUV车型前悬架关键硬点优化后坐标值汇总表 mm

根据表2 的硬点坐标值调整，对麦弗逊式前悬架进行-60～60 mm 的同向轮跳分析，获得悬架的K 特性曲线，如图10～图13所示。

图10 某SUV车型车轮同向轮跳前束角优化曲线图

图11 某SUV车型车轮同向轮跳外倾角优化曲线图

图12 某SUV车型车轮同向轮跳轮心纵向位移优化曲线图

图13 某SUV车型车轮同向轮跳轮心侧向位移优化曲线图

根据图10，前束角斜率变化从-0.006（°）/mm 优化为-0.004（°）/mm，满足要求；从图11 可以看出，外倾角斜率变化从-0.009（°）/mm 优化为-0.008（°）/mm，满足要求；从图12 可以看出，轮心纵向位移斜率变化从-0.06 优化为-0.05，满足要求；从图13 可以看出，当轮跳量为14 mm 时，轮心侧向位移斜率为0，且整体位移变化量小于优化前，满足要求。

5 结论

文章对某款SUV车型的麦弗逊式前悬架的关键硬点坐标进行了有关K 特性的灵敏度分析，根据K 特性目标值以及关键硬点灵敏度，制定了悬架硬点坐标的调整方案，并通过仿真分析验证了新方案对悬架K特性的有效性。此优化方法有利于提高悬架的K&C 性能，解决由于逆向设计导致的性能问题，为悬架的初期设计开发以及后期改款提供了支持。