上置扭杆式双横臂独立悬架运动特性分析

上置扭杆式双横臂独立悬架运动特性分析
孙丽
【摘要】上置扭杆式双横臂独立悬架是较复杂的一种悬架形式,分析其运动特性对汽车的轮胎偏磨和整车性能都有重要的参考价值.利用ADAMS/CAR软件建立了虚拟样机模型,通过对比静态平衡位置时定位参数的理论值与仿真值,验证了模型的准
确性.设置轮跳合理的范围,进行同向跳动仿真,得到5项运动特性变化曲线.分析曲
线的变化趋势,得到轮距变化超出一般的要求区间,可能导致轮胎磨损严重,以及直线行驶能力变差等结论.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2010(000)007
【总页数】3页(P200-202)
【关键词】独立悬架;运动特性;轮胎磨损;ADAMS/CAR
【作者】孙丽
【作者单位】淮阴工学院,交通工程系,淮安,223003
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TM315
1 引言
上置扭杆式双横臂独立悬架在汽车上使用的并不多，多用在商务车和客车上，这种悬架的结构也最为复杂，所以是仿真分析中建模过程中尤为重要的一种代表性形式。

某中型客车在实际应用中反映车轮胎磨损较严重的问题，通过ADAMS 运动特性
的仿真分析，旨在发现原因并最终解决问题。

前悬架的运动学分析通常是指前轮定位参数随车轮跳动时的变化情况。

汽车前轮定位参数通常是指前轮外倾角、前束、前轮距、主销后倾角及主销内倾角。

前轮定位参数影响到多种汽车性能，其中关系较密切的汽车性能有：汽车稳态与动态转向特性、回正性、路感、转向轻便性、制动稳定性、前轮摆振，以及轮胎的磨损与滚动阻力[1]。

2 ADAMS／Car 建模思想
根据实车悬架的实际结构以及各零部件间的链接形式，在Car 模块中建立模型，
如图1 所示。

扭杆的处理是关键技术，首先将扭杆从中间断成两部分，前端与上摆臂固结为一体，后端与车身固定连接，并且将扭杆后端与上摆臂先用圆柱副连接，然后加扭矩，扭矩的表达函数的定义一定要尤为注意，要事先根据已知条件计算出扭杆的刚度和预载荷，设置成变量，即可达到扭杆弹簧的作用效果。

转向节与上摆臂、转向连杆、下摆臂均为球铰连接；转向拉杆与转向系统为恒速副连接；下摆臂与车身为固定连接，减震器与车身和下摆臂均用万向铰链连接，上摆臂与车身用弹性衬套连接，转向节与轮毂用转动副连接[3]。

该形式悬架的某一车型的主要运动特性与扭杆参数
的理论值和仿真值，如表1 所示。

图1 上置扭杆式双横臂独立悬架模型
表1 主要运动特性与扭杆参数
3 运动特性仿真分析
前悬架的运动学分析通常是指前轮定位参数随车轮跳动时的变化情况，设置轮跳的变化范围为（-100～100）mm，采用双轮同向跳动的仿真方式，分析悬架的运动特性。

3.1 轮距变化特性
在独立悬架的设计中，对轮距变化的要求主要有两个方面：（1）要求轮距变化尽量小，以减少轮胎的磨损；（2）轮距变化时，使轮胎产生侧偏角，从而产生侧向力输入，使操纵稳定性发生变化。

尤其在汽车侧倾时，两侧车轮的横向滑移方向可能相同，轮距变化带来的侧向力不能抵消，从而使操纵稳定性变坏。

因此也要求轮距变化尽量地小。

一般要求车轮跳动50mm 时，轮距变化为±10mm。

轮距随轮跳的变化曲线，如图2 所示。

可以看出，轮胎从-100mm 上跳到0mm 时，轮距的变化范围从840mm～862.5mm，超出了一般的10mm 的范围。

由此可知轮距的变化会引起轮胎的滑磨，同时还会引起滚动轮胎的侧偏，加大轮胎的磨损量，从而产生侧向力、较大的滚动阻力和使直线行驶性能下降[2]。

图2 轮距随轮跳的变化曲线
3.2 主销后倾角变化特性
主销后倾角和后倾拖距的设计应保证汽车具有合适的回正力矩，使汽车具有良好的行驶稳定性。

其稳定效应是发生在前轮转向时，凭借路面对轮胎的侧向反力来实现的。

一般不希望后倾角在车轮上下运动过程中出现大的变化，以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象，使操纵稳定性恶化。

主销后倾角和后倾拖距随轮跳的变化，如图3 所示，是比较均匀的增长的，变化的范围也不是太大，因此是正常的。

图3 主销后倾角和后倾拖距随轮跳的变化曲线
3.3 前轮外倾角变化特性
当车轮跳动时，外倾角变化包括两部分，一部分是由车身侧倾产生的车轮随车身侧倾而带来的外倾角变化量，另一部分是车轮相对车身跳动的车轮外倾角变化量。

在双横臂独立悬架中，前一种变化量使车轮向车身方向倾斜，即外倾角变大，其结果使轮胎在外倾推力作用下侧偏刚度下降，因而使整车的不足转向效果增大。

后一种变化特性取决于悬架导向机构的布置方案，而对车轮上跳时轮距增加的要求决定了
这种外倾角的变化趋势为车轮上跳时外倾减小，且在汽车转弯时，可使车轮对地外倾角变化不过大，保证车轮与地面有足够的附着力，这一点在空满载时悬架静挠度变化不大的高速汽车中，越来越引起设计者的重视。

同时，为了不使车轮下跳时轮距减小过多，外倾角也应当适当减小。

由于这两种作用相反，而后一种作用产生过度转向效应，所以必须控制后一种上跳时的变化量不能过大，一般在40mm 范围内不超过10，可确保后一种变化量不超过前一种变化量，仍能使汽车保持一定的
不足转向特性。

如图4 所示，可知外倾角的变化范围能满足要求。

图4 前轮外倾角随轮跳的变化曲线
3.4 主销内倾角变化特性
主销后倾角与前轮偏距所造成的回正力矩是与侧偏力成正比。

而在一定的前轮转角下，侧偏力与车速的平方成正比的。

车速越高，回正力矩越大。

而当车速很低时，侧偏力很小，主销后倾角与前轮偏距就几乎不产生回正作用。

因此，为了保证低速行驶条件下的回正作用就需要设置主销内倾角。

主销内倾角的增大使内倾回正力矩成比例的增大，同时也使主销的磨擦力矩与滚动力矩增大，这些因素都造成操舵力的增大。

回正力矩增大是提高回正性的因素，但是由于主销摩擦力矩与滚动阻力矩的增大作用大大超过了回正力矩增大的作用，因而不但没有改善回正性，反而使回正性明显恶化。

因此一般将主销偏移距设计得比较小或为负值。

为了达到这个目的，必须有较大的主销内倾角。

此外，当车轮上下跳动时，外倾角和主销内倾角之间也有直接关系。

上跳的车轮将产生负的外倾角变化趋势，这就意味着外倾角减小，而为了保证相同的总角度，主销内倾角就要增大，如图5 所示。

转向回正力矩的大
小取决于主销偏移距的大小。

主销偏移距愈大，回正力矩也愈大，但前桥的纵向力敏感性也愈大。

因此可以得出明确趋势是采用具有较小正值或负值的主销偏移距。

这就意味着采用较大的主销内倾角原值，并且在车轮上下跳动行程中，变化不要太
大。

图5 主销内倾角随轮跳的变化曲线
从图5 可见，主销内倾角的变化趋势与理论要求相符合。

3.5 前轮前束变化特性
前束的作用目前还无定论，在传统设计中，一般认为前束的作用主要是弥补外倾角所带来的不利影响，减少轮胎的磨损。

在现代汽车设计中，根据美国福特公司的设计观点认为，前束的真正作用是补偿和防止车轮后束，后束会导致行驶不稳定，如果汽车带有后束，行驶时由于路面不规则或侧向力，某一个车轮可能瞬时处于前进方向，则另一车轮处于后束，汽车处于转向状态，同时由于处于前进方向的车轮行驶阻力减小，而产生后束的车轮产生附加行驶阻力，促使汽车加剧转向而失去稳定行驶状态。

相反，对于带有前束的汽车，当某一车轮由于路面情况或侧向力作用下瞬时处于直线行驶状态时，另一侧车轮将增加前束角，汽车处于转向状态，但由于轮胎将增加前束而产生的附加阻力促使车轮回正，从而保持直线行驶的稳定性。

因此，对于直线行驶来说，前束的作用是必要的，如图6 所示。

由图6 可知，前束的变化趋势是合理的，而且经过验证，前束与外倾的匹配是合理的。

4 结论
（1）上置扭杆式双横臂独立悬架作为一种较复杂的悬架形式，其运动学特性对整车的操纵稳定性、平顺性等都有影响，通过仿真曲线，可以大致了解该型号汽车的上述性能：操纵稳定性和平顺性均良好。

（2）在分析运动学特性时，仿真了轮距的变化，实际上这一参数也能反应“啃胎”问题，而且可知该车的直线行驶性能会有所降低。

图6 前轮前束角随轮跳的变化曲线
参考文献
【相关文献】
1 杨树凯.独立悬架性能评价指标与评价方法及其在双横臂与多连杆式悬架上的仿真实现：［硕士学位论文］.长春：吉林大学，2005（5）
2 隋震宇.Santana 轿车前悬架弹性运动学特性的ADAMS 建模与仿真：［硕士学位论文］.长春：吉林大学，2002（6）
3 陈军.MSC.ADAMS 技术与工程分析实例.北京：中国水利水电出版社，2008（10）。