麦弗逊悬架稳定杆吊杆位置对转向的影响

王文源，林尤滨，邓祖平

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

前言

汽车悬架中横向稳定杆作为提升车辆侧倾刚度的重要组成部分，车辆侧倾时横向稳定杆会产生扭转变形，产生的力矩将抑制车身侧倾，进而确保车辆平稳行驶，并提高了安全性与舒适性[1]。对于麦弗逊（Macpherson）悬架而言，由于主销轴线与减振器轴线存在不重合[2]，侧倾时稳定杆吊杆会产生附加的力矩引起额外转向，干扰车轮绕主销轴线的转动，影响车辆的转向特性。

本文的研究将从理论上解析稳定杆吊杆的布置位置对整车转向的影响，并引入等效转向力臂的概念进行量化。进而借助整车动力学模型对车辆转向性能的影响进行分析和研究。最后对不同车型的等效转向力臂进行计算和统计，获得稳定杆吊杆转向等效力臂的范围，指导麦弗逊悬架稳定杆的位置设计。

1 稳定杆吊杆力矩对转向的影响

在麦弗逊悬架结构中，稳定杆吊杆通常连接在减振器上。如果车辆发生转弯时，车身侧倾引起一侧轮胎上跳，另外一侧轮胎下跳，此时稳定杆将起作用，上跳一侧的吊杆受到拉力F拉的作用[3-4]。为了解析吊杆受到的拉力干扰主销的转向运动，可以将F拉在吊杆上点位置沿主销轴线的方向进行分解，分解为两个方向的受力：

（1）平行于主销轴线方向的受力FZ；

（2）垂直于主销轴线方向的受力Fxy；

其中Fxy与主销轴线间存在的距离会产生绕主销转动的力矩Txy，使得减振器绕主销一起转动，一般麦弗逊悬架的减振器会与轴节连接，这使得车轮也会随着一起转动[5-6]。定义相关的轴线后，稳定杆吊杆产生的附加力矩对单侧车轮转向的干扰如下图1 所示：

图1 吊杆产生的附加力矩对单侧车轮转向的干扰

2 稳定杆吊杆的等效转向力臂计算

实际转向过程中内外侧悬架存在载荷转移，悬架运动表现为外侧车轮上跳，内侧车轮下跳，稳定杆吊杆产生的附加力矩如下图2（a）所示。附加力矩Tleft和Tright的方向与车辆转向方向相反，将减小车轮转角，使得车辆趋向于不足转向。若Tleft和Tright与车辆转向方向相同，则会增加车辆的转角，使得车辆趋向于过多转向。

图2 附加力矩对车轮转向影响的简化示意图

为体现附加力矩对车辆产生的影响，定义有利于不足转向的附加力矩为正，反之为负。如图2（b）所示，引入向量对等效力臂量化（含符号定义）。在坐标系O－xyz中，μ定义为主销轴线下点到上点的单位向量；F定义为稳定吊杆轴线下点到上点的单位向量（即右转时右侧稳定杆拉杆受到的单位力）；R定义为主销轴线上点到稳定吊杆轴线下点的向量；通过向量计算可得稳定吊杆单位力在向量F和向量R所确定的平面上产生的力矩向量M为：

力矩向量M沿向量μ的分量为Mkp，即稳定吊杆单位力作用在主销的力矩，可表示为：

因为μ和F均为单位向量，所以Mkp大小等于μ和F之间的距离，即F绕μ轴的等效力臂ekp。那么带符号的等效力臂计算可表达为（其中表示为主销上点Y 向坐标）：

3 等效转向力臂对轮跳转向的影响

改变项目车辆G_car 的吊杆上点位置得到不同等效力臂，分析相关悬架K&C 参数选择G_car 车辆的合理优化方向。在搭建好的前悬装配模型基础上，修改稳定杆吊杆上点绕减振器轴线旋转，如下图3 所示，得到不同等效转向力臂方案（表1）对悬架转向性能的对比分析。

表1 不同方案的硬点坐标和等效力臂值

图3 绕减振器轴线旋转的不同等效转向力臂方案

在左右轮跳反向的工况下稳定杆将起作用，为体现影响悬架转向性能的变化，选取反向轮跳转向（toe-angle vs.reverse wheel-travel）变化曲线进行分析。如图4 显示随着等效转向力臂值的减小，反向轮跳的Toe-out 呈现出减小趋势。那么稳定杆上点位置绕减振器轴线朝车身前进方向旋转时，等效转向力臂逐渐减小，车轮上跳对轮跳转向的影响呈现出逐渐由前束外扩（Toe-out）向前束内收（Toe-in）的转变。

表2 为等效力臂值改变后对应的反向轮跳梯度变化，等效力臂值与反向轮跳转向梯度存在明显的线性关系。后续优化车辆G_car 的等效转向力臂值时，可快速评估对轮跳转向的影响。

4 等效转向力臂对动态转向的影响

不同稳定杆吊杆的位置会产生相应的等效转向力臂，会造成悬架反向轮跳转向等相关参数的改变，进而影响整车的转向性能。采用40 km/h 车速下，固定方向盘转角60°行驶，分析突然撒手的工况。解析不同的等效转向力臂对车辆转角响应，横摆修正，侧倾角变化的影响，得到改善车辆转向干扰的稳定杆吊杆布置优化方向。

根据表1 中稳定杆吊杆不同等效转向力臂调整方案，经过方向盘撒手后的行驶工况分析，得到如图5 所示的结果，体现了行驶过程中出现方向盘撒手后，左右两侧轮胎的载荷变化将引起轮跳变化，这将影响动态回正过程中的转角变化，进而导致车辆的横摆和侧倾随之发生改变。

图5 方向盘转角撒手后相关参数的变化曲线

由图5 的车辆响应曲线数据可得到相关特征参数变化（如下表3）。结果显示随着等效力臂的降低（由正值到负值），会稍微增加回正的延迟和上升时间，但会显著减小轮胎回正的转向角度，降低方向盘转角的超调量。

表3 车辆响应特征参数变化

减小等效转向力臂可降低车辆在回正过程中受到的干扰，进行稳定杆吊杆布置时，需要将产生的等效转向力臂控制在合理的范围。

5 等效转向力臂的统计分析

收集现有对标数据库中麦弗逊悬架硬点的参数，获得不同车辆的等效力臂。等效转向力臂的分布如图6 所示。大部分车型等效转向力臂集中在0～15 mm 之间。车辆G_car 作为经济型轿车，其等效力臂为16.37 mm，略微超出大部分车型的集中区域，可调整稳定杆吊杆布置位置，降低等效力臂值优化车辆转向特性。

图6 等效转向力臂统计数值

6 结论

文章就稳定杆吊杆位置对车辆转向特性的相关影响进行解析，得到以下结论：

（1）通过对稳定杆吊杆在麦弗逊悬架中的受力分析，采用相关向量计算得到了影响转向的等效力臂公式。

（2）通过改变不同的稳定杆吊杆位置获得不同的等效力臂值对悬架轮跳转向的影响，指出等效转向力臂降低可有效减小前束外扩，借助等效力臂的概念可以估算稳定杆吊杆的布置对反向轮跳转向的影响。

（3）转向等效力臂干扰车轮的轮跳转向，引起车辆转向特性的变化。通过方向盘撒手行驶工况，研究不同等效力臂对车辆转向的影响。认为布置稳定杆吊杆时，需控制等效转向力臂值，以降低对车辆转向的干扰。

（4）对不同麦弗逊悬架车型硬点的分析和计算，得到不同车型的等效转向力臂值，确定合理的等效转向力臂值范围，指导后期的悬架稳定杆吊杆硬点开发。