扭转梁后悬架C特性对转向特性的影响分析

段守焱

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

目前，国内乘用车保有量最大的A级车，其悬架组合形式是前麦弗逊后扭转梁，扭转梁后悬最大的优点是可增加汽车后部乘客空间利于整体布置，最大的缺点是存在过度转向趋势，因此如何避免或减轻扭转梁后悬的过度转向特性一直都是工程师努力解决的问题。文章以某乘用车扭转梁后悬架展开为例，分析扭力梁后悬架侧向力C特性对转向特性的影响。

1 扭转梁结构及动力学模型

对于国内A级以下的车型来说，悬挂系统性能的好坏，主要取决于后悬挂的设计和匹配[1]。现代轻型轿车A级以下车型大部分都采用纵臂扭转梁后悬架。文章研究的汽车后悬架就是采用这种结构形式，为了快速精确的建立扭转梁模型来研究其对转向的影响，文章采用模态综合法快速建立扭转梁柔性模型，将得到的模态中性文件导入Adams/Car，建立扭转梁后悬架模型，如图1所示。悬架装配建好后还需进行加载悬架弹簧及衬套预载，使得模型设计载荷与实车受力一致，同时还需要将轮胎前束和外倾等参数设置到设计状态值。

2 扭转梁模型扭转刚度验证

对建立的模型采用有限元法与对标车K&C试验结果对比，建立的扭转梁侧倾刚度计算模型，如图2所示。

图3示出扭转梁后悬Adams仿真、Abaqus分析及对标车K&C试验结果的侧倾刚度对比。从图3可以看出，3种方法得到的扭转梁侧倾刚度完全一致，表明模型精度较高。

3 侧向力C特性仿真分析与优化

3.1 侧向力C特性分析

对于纵臂扭转梁后悬，对转向最具影响的就是侧向力C特性。在侧向力作用下产生轮心连线的偏转，产生侧向力转向。偏转的方向加剧了转向，使得汽车有过度转向的趋势，如图4所示。但通过合理的布置，纵臂与车身安装点衬套的方向与刚度可以削弱这种过度转向趋势。

图5示出后悬架前束侧向力特性。原型车与对标车有相同的变化趋势，两车都有一定程度的过多转向趋势，原型车的这种过多转向趋势较大。这种特性是扭转梁结构形式存在的缺点，因此应尽量将前束侧向力C特性设计为正特性，轿车的同向前束侧向力特性系数的绝对量应该控制在0.02°/kN以内。从这个范围考虑，原型车的前束侧向力特性应重新匹配。

图6示出原型车与对标车的侧向刚度对比，两者刚度大小基本一样，都接近于500 N/mm，都在设计范围内，在可行的情况下，可考虑适当增大。图7示出同向侧向力外倾特性，原型车与对标车有相同的变化趋势，且外倾随侧向力变化更小，从轮跳运动学外倾变化应有一个负特性变化来考虑，该正特性不利于提供车轮最大附着能力，变化应尽可能小，故特性相比对标车更优。

3.2 衬套优化结果对比

图8示出优化前后侧向力前束特性对比，通过衬套参数的合理匹配，使得该特性有显著的改善，其特性值为0.018°/kN，比对标车有更好的特性变化，满足了设计要求（0.02°/kN以内），大大改善了扭转梁后悬架过多转向的趋势。

图9示出后悬架同向侧向力侧向位移特性。侧向力侧向位移特性反映的是悬架侧向刚度的一个特性值，从图9中可以看出，优化前后变化很小，优化后更接近于对标车。综上，在可行的情况下，可适当增加侧向刚度，但原型车与对标车都已满足扭梁结构的一般设计要求，为了协调其它特性的改善，故在优化时，尽可能保持该特性不变。

对于扭转梁半独立悬架，外倾角的变化很小，其变化主要决定于扭转梁的柔性。这种特性类似于非独立悬架，有利有弊。随侧向力增加，外倾角增加的这种变化趋势不利于过弯时提供最大的附着能力[2]，应尽可能减小其特性值，事实上，衬套刚度及安装方向对它的影响很小。图10示出侧向力外倾角变化特性，从图10中可以看出，优化后对特性影响甚微，基本无变化，且随侧向力变化很小，特性合理。

3.3 稳态转向的影响分析

稳态转向特性试验的目的是测定汽车对方向盘转角输入达到稳定行驶状态时汽车的稳态横摆响应，我国主要采用定方向盘转角试验法[3]。按GB/T 6323.6—94固定方向盘转角，仿真中汽车以最低车速3 m/s开始沿初始半径为15 m的圆周行驶，初始侧向加速度为0.6 m/s2，然后缓慢加速（加速度为 0.25 mm/s2），直到侧向加速度达到6.5 m/s2终止仿真试验。

对于不足转向的汽车，随着车速的增加，转弯半径越来越大。图11示出整车稳态回转运动轨迹，从图11可以看出，原模型呈中性转向，第1圈轨迹半径基本不变，呈中性转向，只有到了第2圈大的侧向加速度下才呈现一定的不足转向趋势；而优化后的模型较原模型回转半径增大明显，有明显的不足转向趋势。

从过多转向产生的机理来看，其根本原因是整车转向过程中，后轮产生的侧偏角大于前轮产生的侧偏角[4]，即：α1-α2＜0。

式中：α1，α2——前后轴侧偏角，（°）；

R——转弯半径，m；

R0——初始转弯半径，m；

L——轴距，m。

曲线α1-α2与αy的关系曲线主要反映不足转向度，如图12所示。当侧向加速度绝对值＜4 m/s2时，优化前后整车前后侧偏角之差相对于侧向加速度为近似线性关系；当侧向加速度绝对＞4 m/s2时，呈非线性增长，这时汽车不能维持圆周行驶，出现转向半径迅速增大的情况。这是轮胎侧偏特性已进入明显的非线性区域的缘故。另外可以看出，优化后的关系曲线在线性段斜率较大，较优化前不足转向趋势得到显著改善。

4 结论

文章通过精确建立扭转梁柔性模型，并进行侧向力C特性的研究发现：原型车侧向力C特性存在较大的过多转向趋势。通过对扭转梁安装衬套刚度的优化，使得侧向力前束柔性与试验一致，削弱了过多转向趋势，提高了整车的不足转向度。研究表明：侧向力前束特性对后悬基于扭梁结构的整车稳态转向特性影响较大，设计尽可能设计为具有不足转向特性，同时为提高整车不足转向提供了优化方向。