【R&D】前悬架参数对整车操控影响的敏感性研究

baoshijie

小编前悬架设计涉及许多变量，如硬点坐标、转向几何或者甚至是稳定杆，这些都可能使设计变得困难且耗时。麦弗逊悬架与双横臂、多连杆悬架相比，由于其结构简单、占用空间少和制造成本低的特点，在车辆中被广泛应用。虽然调校过程仍需时间，但可以通过多体动力学仿真来进行，通过虚拟方式测试多种配置。本文研究了一种采用麦弗逊悬架的前悬架模型，分析了其参数变化对其弹性运动学行为和车辆操控性能的影响。01 引言麦弗逊悬架被广泛应用于各种汽车的前悬架上，具有低制造成本、布置简单、重量相对较轻的优点，与双横臂、多连杆悬架相比，它所需的橡胶衬套较少，并且由于不需要上控制臂，占用空间较小，使得发动机舱宽度更大，这对于横置发动机的小型车辆非常有用。悬架的主要功能是确保车轮的正确运动和定位，同时在弯道、制动、加速、通过障碍物和规避动作等情况下为乘客提供适当的车辆离地间隙和舒适性。车轮定位的变化，或称为前束角和外倾角的变化，受悬架运动学和柔性的影响。前束角和外倾如何影响操控可以通过弯道行驶示例说明，弯道中外侧车轮对于不足转向或过度转向行为的影响较大（由于它们对侧向力的贡献更高），这取决于它们是否更向内或更向外指向弯道（由前束角定义）。此外，确保轮胎与路面之间的最大可能接触面积（由外倾角定义）可以为轮胎提供最佳抓地力，并在不打滑的情况下产生最大可能的控制力。具有麦弗逊悬架的前悬架被描述为独立悬架，即使安装了稳定杆系统，因为纵向和横向力的影响不会从一个车轮传递到另一个车轮。在本研究中，为麦弗逊悬架前悬架构建了一个数字模型，并通过改拉杆外点坐标以及改变稳定杆直径来生成不同的悬架配置。通过改变这些参数，悬架配置在转向传动比、前束角梯度、阿克曼角和侧倾刚度方面产生了差异，从而确定和分析了每种配置在弹性运动学和操控方面的趋势。用于分析的多体动力学求解器是MSC Adams。02 悬架模型麦弗逊悬架前悬架的数字模型如图1所示。它具有参数化元素，如硬点坐标和稳定杆直径。该前悬架模型组装的完整车辆模型被定义为子紧凑车辆，或B级车辆，并在操控模拟中装载了乘客。

03 操控行为选择以下行为来评估前悬架参数对操控的敏感性：定圆半径弯道行驶（详见ISO 4138）、阶跃转向输入和扫频转向输入（均详见ISO 7401）。以下是本文用于模拟这些行为的设置描述。
对于定圆半径弯道行驶，车辆在半径为100米的圆形路径上行驶，速度逐渐增加，以获得高达0.8g的侧向加速度。然后，从模拟中可以评估不足转向梯度、侧倾角梯度、横摆角速度增益和特征速度。对于阶跃转向输入，车辆最初以100km/h的恒定速度在直线上行驶，然后向方向盘施加阶跃输入，方向盘角度速度为每秒400º，以获得最终0.4g的侧向加速度。通过此分析，可以测量稳态下的侧倾角，以及瞬态下的横摆响应特性。对于扫描转向输入，车辆最初以100km/h的恒定速度在直线上行驶，然后将正弦输入施加到方向盘角度上，频率逐渐增加。结果，可以绘横摆角速度的波德图。在本研究中，为了获得不同的转向传动比、前束角梯度和阿克曼角的不同值，将拉杆外点朝不同方向位移。此外，改变稳定杆直径以获得不同的侧倾刚度。04 转向传动比通过齿条线角传动比或增加车轮中心与拉杆外点的距离来改变转向传动比。在本研究中，所述连接点沿图2所示方向位移。

转向传动比的图例中的数值是在方向盘处于中间位置（零角位置）时计算的传动比。在本研究中，通过将图2中所示的拉杆外点硬点沿同一图中指示的方向位移，得到了三种配置：一个基准值（传动比为16.3），一个将硬点向轮心方向位移30mm的配置（传动比为13.2），另一个将所述硬点远离轮心方向位移30mm的配置（传动比为19.7）。每种配置的传动比曲线如图3所示。

较高的传动比减小了阿克曼误差，如图4所示。


4.1 弹性运动学

通过图2所示的方法改变传动比，在车轮行程中产生了显著的前束角梯度变化差异，如图5所示。


对于横向和纵向动力学，车轮中心与拉杆外点之间的距离充当了车轮转向轴的力矩臂，影响了在车轮受到横向或纵向力时的前束角变化：力矩臂越大，变化越小。因此，对于较高的传动比，获得了较低的前束角变化，如图6和图7所示。



在侧向力作用下，较高的传动比导致对外倾角梯度的小幅减小，如图8所示。


4.2 操控稳定性影响分析-转向传动比变化

4.2.1 定圆半径行驶
在定圆半径弯道行驶中，通过减小传动比导致方向盘角位移和侧向力产生更大的前束角变化，从而增加了不足转向倾向，如图9和图10所示。




由于不同传动比配置的侧倾刚度几乎相同，因此未发现侧倾角梯度方面的显著差异。传动比的增加导致在相同的横摆角速度增益下需要更大的方向盘角度，从而使横摆角速度增益曲线向下移动，如图11所示。

此外，可以看到较高的传动比将橫摆角速度增益的最大值向更大的侧向加速度方向移动，这反过来导致了更高的特征速度，如图12所示。

4.2.2 角阶跃输入和扫频输入较高的传动比导致阶跃转向中橫摆角速度响应速度较慢（并且过冲较低），在扫描转向的橫摆角速度增益波德图中，相位差更为负数，如图13和图14所示。



在不同传动比情况下，阶跃转向中获得的稳态侧倾角对于较低的侧倾中心高度略高一些，如图15和图16所示。




05 前束角梯度
前束角梯度随着车轮跳动的变化可以通过图17所示的硬点（转向拉杆外点）的垂直位移来改变。在本研究中，分析了三种配置：一个基准值，一个在参考硬点的垂直坐标上+5mm的变化（称为“前束角变化+5mm”），另一个在参考硬点的垂直坐标上-5mm的变化（称为“前束角变化-5mm”）。


5.1 弹性运动学对于弹性运动学，如图18所示，较高的拉杆外点的垂直坐标值导致了更高的前束角梯度。

对于横向、制动和牵引力，不同前束角梯度配置的前束角和外倾角变化没有显著差异。在转向几何方面，获得了类似的传动比曲线，如图19所示，以及略有不同的阿克曼误差，如图20所示。



5.2 操控稳定性影响分析-前束角梯度变化5.2.1 定圆半径行驶在定圆半径弯道行驶中，对于配置“前束角变化+5mm”，随着车轮行程的增加，toe out变化较大，导致了更高的不足转向倾向，如图21和图22所示。



由于不同前束角梯度配置的侧倾刚度几乎相同，因此未发现侧倾角梯度方面的显著差异。对于不同前束角梯度配置，每侧向加速度的橫摆角速度增益曲线是相同的，因此对于不足转向较少的配置，相同橫摆角速度增益所需的方向盘角度更低，因此导致了更高的橫摆角速度增益，如图23所示。此外，对于特征速度未发现显著差异，因为不同前束角梯度的橫摆角速度增益曲线沿着橫摆角速度增益与侧向加速度的曲线的垂直方向移动。

5.2.2 角阶跃输入和扫频输入具有较高前束角梯度的配置导致在阶跃转向中的响应更快（并且过冲更高），如图24所示，在扫描转向动作的橫摆角速度波德图中的负相位差更少，如图25所示。




在不同前束角梯度配置下，阶跃转向中获得的稳态侧倾角对于较低的侧倾中心高度略高一些，如图26和图27所示。





06 阿克曼角
阿克曼角可以通过改变从转向节臂处延伸出的虚拟线与通过车辆中心的纵向和垂直平面的交点来改变，如图28所示。


在本研究中，通过如图29所示的拉杆外点硬点的位移，获得了五种不同的阿克曼角配置：34.3°、25.3°、19.5°、15.7°和11.4°。

6.1 弹性运动学在图30中显示了五种选择的阿克曼角配置与阿克曼误差的关系。对于34.3°的阿克曼角，得到的转向几何曲线接近阿克曼几何；25.3°、19.5°和15.7°是正阿克曼的例子；而11.4°的阿克曼角是反阿克曼配置的一个例子（如图28的虚拟线的交点出现在后轴之外）。

不同阿克曼角配置的传动比曲线，在方向盘零角度处可能具有相似的值，但在方向盘转角的极限位置有所不同，如图31所示。

在弹性运动学中，如图32所示，不同阿克曼角度对于随车轮行程变化的前束角变化仅有轻微差异。

6.2 操控稳定性影响分析-阿克曼角分析6.2.1 定圆半径行驶
对于具有较低阿克曼角度配置的情况，随着车轮行程的增加，toe out变化较大，导致了略微更高的不足转向梯度，如图33所示。

更多不足转向的阿克曼角配置导致了较低的橫摆角速度增益，如图34所示。

由于不同阿克曼角度配置的侧倾刚度几乎相同，因此在侧倾角梯度方面未发现显著差异。6.2.2 阶跃转向在阿克曼角度配置之间发现了轻微且可以忽略的差异，这些差异影响了橫摆角速度响应速度。由于阿克曼角度配置之间的侧倾刚度和侧倾中心高度几乎相同，导致了类似的稳态侧倾角。6.2.3 扫描转向在阿克曼角度配置之间发现了轻微的差异，这些差异影响了橫摆角速度增益，并在频率区间从0.2Hz到0.8Hz发现了轻微的相位角差异，较低阿克曼角度具有更正相位差（更快的响应）。07 稳定杆直径车轮之间的横向载荷转移对于定义车辆在横向动力学中的许多特性至关重要。例如，增加放置在前悬架的稳定杆的直径会增加这种载荷转移，导致不足转向效应，因为给定滑移角度下轮胎的侧向力能力会随着垂直载荷的增加而非线性增加，随着垂直力的逐步减小，轮胎的侧向力能力也会逐步减小。因此，尽管轴上两个车轮的垂直载荷总和保持不变，但轴上两个车轮的侧向力能力总和会减小，从而增加了侧滑的可能性。如果这种侧滑发生在前轴上，它被描述为不足转向效应，因为它促使驾驶员施加更大的方向盘输入以在转弯中实现更大的侧滑角度并稳定车辆。在这项研究中，对前悬架进行了评估，其中不带稳定杆，并且带有钢制的18mm、19mm和20mm直径的稳定杆。预计稳定杆直径的变化主要会影响悬架侧倾刚度以及侧向载荷转移，从而影响不足转向梯度。不同稳定杆配置下获得的前悬架侧倾刚度值如图35所示。

7.1 弹性运动学在弹性运动学方面，通过改变稳定杆直径，唯一的变化是在相反车轮行程中的悬架率，这直接影响到悬架侧倾刚度。7.2 操控稳定性影响分析-稳定杆直径变化7.2.1 定圆半径行驶较大直径的稳定杆增加了前悬架的侧向载荷转移，因此增加了不足转向梯度，如图36和图37所示。缺乏稳定杆导致在0.4g左右出现不足转向梯度的大幅下降，尽管与带有稳定杆的配置相比，达到0.43g左右的侧向加速度所需的方向盘角度更高。



在图38中显示的橫摆角速度增益曲线中，对于在确定的侧向加速度值下所需的较低方向盘角度，橫摆角速度增益曲线较高。

用于计算特征速度的曲线表明，较大直径的稳定杆略微降低了特征速度，如图39所示。此外，移除稳定杆导致较高的特征速度。

正如预期的那样，较大直径的稳定杆导致较低的侧倾角梯度，如图40和图41所示。



7.2.2 角阶跃输入和扫频输入阶跃转向中获得的稳态侧倾角如图42所示，较大直径的稳定杆导致较低的值。此外，对于不同的稳定杆配置，侧倾中心高度基本保持不变。

带有稳定杆的配置显示出类似的橫摆角速度响应速度，而没有稳定杆的情况导致在扫描转向中，频率约为0.71Hz时橫摆角速度响应速度较慢，如图43和图44所示。



08 结论在处理分析中，已经验证了不足转向梯度取决于车轮行程和横向力中的前束角变化，以及悬架侧倾刚度。更高的方向盘角度每单位侧向加速度的曲线导致了较低的橫摆角速度增益（由于将橫摆角速度除以较高的方向盘角度）。曲线的最大值对应的速度（定义特征速度）沿着侧向加速度曲线最大值的移动趋势。侧倾角梯度显示了对悬架侧倾刚度的依赖性。稳态侧倾角随着较高的侧倾中心高度而降低（由于横摇轴与车辆重心之间的距离减小），并且随着较高的悬架侧倾刚度而降低（这在稳定杆直径变化研究中更为明显）。通过改变转向臂和转向齿轮之间连接点的坐标来改变传动比具有高度耦合的特点：降低传动比会增加车轮在垂直行程和横向力中的前束角变化，从而导致在0.4g侧向加速度下测量到的不足转向梯度的增加。低传动比的情况下，更低的方向盘角度导致了更高的橫摆角速度增益。此外，还获得了更快的橫摆角速度响应。通过改变转向臂和转向齿轮之间连接点的垂直坐标来改变前束角梯度，并未显著影响传动比，因此垂直坐标的增加导致了更高的前束角梯度、更高的不足转向梯度、更低的橫摆角速度增益和更快的橫摆角速度响应。较高的阿克曼角度值导致了传动比曲线在远离中心位置的方向盘角度处的降低，并且略微降低了不足转向梯度，略微增加了橫摆角速度增益，在阶跃转向中的稳态侧倾角和橫摆角速度响应速度中几乎没有变化。稳定杆直径的变化只影响悬架侧倾刚度，因此其值的增加导致了不足转向梯度的增加，悬架侧倾角梯度的降低以及阶跃转向中稳态侧倾角的减少，而几乎不会在阶跃转向中实际改变橫摆角速度响应速度。与增加稳定杆直径相比，去除稳定杆在不足转向梯度、侧倾角梯度和稳态侧倾角方面产生了明显相反的效果，此外，在一定频率范围内，它在扫描转向中导致了较慢的橫摆角速度响应。