某客车前独立悬架优化设计及操纵稳定性分析

于国飞 ，赵紫薇 ，吴长风 ，应玉峰

（1．厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2．厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023；3．福建省客车和特种车辆协同创新研究与开发中心，福建 厦门 361024）

1 引言

独立悬架的类型按车轮的运动形式可分为：（1）单斜臂式；（2）横臂式；（3）车轮沿主销移动式；（4）纵臂式[1]。与非独立悬架相比，它不仅具有车轮运动空间大和非簧载质量小的优点，所采用的断开式车桥还可使发动机位置及整车重心降低[2]。而双横臂悬架最大的优点是可通过选取适合的设计参数，来减小因车轮运动引起的四轮定位参数和轮距变化，消除过多的轮胎磨损，提高车辆的行驶稳定性[3]。

2 建立双横臂悬架模型

2.1 模型建模

悬架模型主要由空气弹簧、减振器、上下控制臂、承载座等组成。

其基本参数如下：轮距2104mm，轮胎自由半径525.5mm，前束角0.055°，轮胎质量59.1kg，轮胎刚度1008N/mm，满载前轴荷6500kg，转向传动比23.27，空气弹簧预载力27704.6N，外倾角1°。在Adams/Car中搭建的双横臂悬架模型，如图1所示。

图1 双横臂悬架模型Fig.1 Double Wishbone Suspension Model

2.2 仿真分析

对前悬架模型进行双轮同向激振仿真，即对左右车轮上跳和回弹的高度设置为相同的值[4]。仿真行程设为-50mm到50mm，结果，如表1所示。

表1 双轮同向激振仿真结果Tab.1 Parallel Wheel Travel Simulation Result

从汽车工程手册等文献中可知前束角的推荐范围为（-0.5～0.5）°；外倾角的推荐范围为（-2～0.5）°；后倾角的推荐范围为（0～3）°；内倾角推荐范围为（6～13）°；车轮侧向位移变化小于 5mm[5]。根据上表的仿真结果可以看出前束角、外倾角及车轮侧向位移变化范围偏大。在客车运动过程中，侧向位移变化范围大会使轮胎磨损严重，影响整车的安全性和稳定性。因此，需要对该双横臂前悬架进行优化设计。

3 硬点坐标优化设计

先选用全因子设计算法对设计变量进行灵敏度分析，得出双轮同向激振工况下设计变量对前束角、外倾角及车轮侧向位移的影响程度，根据影响程度的大小选择设计变量。再基于响应面法建立响应面模型方程，并对其求出最优解。

3.1 灵敏度分析

全因子设计算法是把设计变量的全部组合在不同水平上进行试验，其优点是精确性高。涉及的双横臂悬架为对称布置，设置的工况为双轮同向激振，因此车轮在跳动过程中，主销上下点、转向横拉杆与转向节连接臂球铰点和转向节连接臂与转向节固定点的运动状态对四轮定位参数及车轮侧向位移的灵敏度较低。而导向机构的硬点坐标对定位参数有极为重要的影响，经过多次对导向机构不同硬点的灵敏度分析后发现上下臂后、外点及上臂前点对四轮定位参数及车轮侧向位移的灵敏度较高，其灵敏度分析结果，如图2所示。结合客车实际的结构布置及灵敏度分析结果，将 uca_rear_z（上臂后）、lca_rear_z（下臂后）、uca_outer_y（上臂外）、uca_outer_z（上臂外）、lca_outer_z（下臂外）、uca_front_z（上臂前）选为设计变量，分别记为 X1、X2、X3、X4、X5、X6，其可变动范围为±5mm。

图2 灵敏度分析结果Fig.2 Sensitivity Analysis Solution

3.2 优化设计

（1）目标函数

采用加权法，加权因子的取值依据参考文献[6]，其具体取值如下：

则目标函数为：

式中：F1（Xi）、F2（Xi）、F3（Xi）—前束角、外倾角及车轮侧向位移的变动范围。

（2）约束范围

考虑到客车实际空间大小，设约束条件为：

（3）响应面模型建立及验证

所谓响应面法是将模型用多项式的形式来表达，其优点为：（1）通过较少的试验获得精确的结果；（2）通过选择多项式的阶数来拟合复杂模型，鲁棒性好；（3）实用性强，实用范围广[7]。选用的是三阶响应面近似模型。其表达式为：

近似面模型的可靠性是通过确定性系数R2来说明的，其变动范围为（0～1），值越大则近似面模型的精确度越好[8]。可靠性验证结果，如表2所示。

表2 可靠性验证结果Tab.2 Reliability Validation Result

（4）硬点优化

在Insight优化界面中，通过设置权重因子和调节设计变量的值，对响应面模型进行优化，得出目标函数取最小值时的优化坐标。列出了优化设计前后的硬点坐标变化，如表3所示。

表3 硬点坐标优化前后对比Tab.3 Hard Point Coordinates Beforeand After Optimization

（5）结果对比

在Adams/Car中修改硬点坐标，对修改后的悬架重新进行仿真，对比结果如下：

①前束角的变化范围由（-0.86°～0.46°）/100mm 优化为（-0.36°～0.15°）/100mm，变化量减少了 0.81°。变化范围减小可改善因轮胎侧偏而引起的磨损及行驶阻力的增大，使车辆行驶性能增强[9]，优化前后对比曲线，如图3所示。

图3 前束角优化前后对比曲线Fig.3 Optimized Front Wheel Toe Angle Before and After Comparison Chart

②外倾角的变化范围由（0.07°～1.20°）/100mm 优化为（0.26°～0.77°）/100mm，变化量减少了0.76°。变化范围减小可改善因外倾角变化引起的外倾推力的变化，提高直线行驶的稳定性，优化前后对比曲线[10]，如图4所示。

图4 外倾角优化前后对比曲线Fig.4 Camber Optimization Before and After Comparison Chart

③后倾角的变化范围由（1.87°～2.00°）/100mm 优化为（1.94°～1.96°）/100mm，变化范围减小了0.11°。合理的后倾角保证了汽车高速行驶回正性及直线行驶的稳定性，优化前后对比曲线[11]，如图5所示。

图5 后倾角优化前后对比曲线Fig.5 Caster Angle Comparison Chart Before and After Optimization

④内倾角的变化范围均由（6.23°～6.86°）/100mm 优化为（6.33°～6.77°）/100mm。变化范围减小了0.19°。变化范围减小使汽车在低速行驶时具有较好的低速回正及直线行驶性能，优化前后对比曲线[12]，如图6所示。

图6 内倾角优化前后对比曲线Fig.6 Kingpin Inclination Comparison Chart Before and After Optimization

⑤车轮侧向位移的变化范围由（-0.09～6.69mm）/100mm优化为（3.43～0.02mm）/100mm，变化量减少了为3.37mm。变化量减少会降低车轮的磨损，提高整车的操纵稳定性。优化前后曲线，如图7所示。

图7 侧向位移优化前后对比曲线Fig.7 Lateral Displacement Chart Before and After Optimization

从上述分析可以看出前束角、外倾角及侧向位移曲线变化的很明显，优化后的变化范围都在设计推荐的范围之内，有利于减少轮胎的磨损，提高了悬架的性能。

4 整车操纵稳定性试验

对优化设计后的悬架进行试制并安装在试验样车上，在某车辆试验中心进行了整车的操稳性试验。使用英国VBOX数据采集系统、英国Oxford陀螺仪和德国RSM测力方向盘等设备，严格按照2014年制定的汽车操纵稳定性国标要求进行试验，验证悬架优化设计的有效性及准确性，为整车的设计开发提供了参考。样车试验过程，如图8所示。

图8 样车试验Fig.8 Real Vehicle Test

4.1 转向回正性试验

为了测试汽车从圆周运动恢复到直线行驶的能力，采用低速转向回正试验进行验证，试验主要是记录横摆角速度随时间的关系，根据操纵稳定性法规中的公式计算出横摆角速度总方差。试验数据根据1999年制定的《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》进行项目评分，悬架优化前后的评分结果对比，如表4所示。

表4 优化前后转向回正试验结果对比Tab.4 Steering Return Ability Test Result Comparison Before and After Optimization

4.2 稳态回转试验

在操纵稳定性的评价体系中稳态回转特性是极为重要的项目，其测试目的是为了检验汽车具有哪种稳态响应。通常情况下车辆应具有适度的不足转向特性，这样可避免因过度转向而造成的甩尾、侧翻，保证驾驶的安全。悬架优化前后评分结果对比，如表5所示。

表5 优化前后稳态回转试验结果对比Tab.5 Stable Steering Test Result Comparison Before and After Optimization

4.3 转向轻便性试验

转向轻便性主要是通过测量转向盘转角与作用力矩的值来求得项目评分，其目的是检测汽车在转弯过程中是否灵活轻便。通常期望在高速行驶时，转向盘作用力需大一些，防止高速行驶时汽车左右漂移；低速时转向盘作用力小一些，起步和行驶时灵活自如。悬架优化前后结果对比，如表6所示。

表6 优化前后转向轻便性试验结果对比Tab.6 Hard Steering Test Result Comparison Before and After Optimization

4.4 总结

根据转向回正试验结果看出优化后汽车残留横摆角速度减小，因此在行驶过程中不易发生侧滑或甩尾，回正性能较好。从稳态回转试验中可以看出：（1）化后样车呈现不足转向特性且不足转向梯度和车厢侧倾度合理，加强了客车驾驶的安全；（2）优化后样车侧倾角变小，转弯行驶时驾驶员乘客稳定感增强。从转向轻便试验中可以看出优化后的转向盘最大转力和平均摩擦力均有所减小。因此经优化设计后的悬架不仅自身性能有很大的提高，而且使整车的操纵稳定性有了明显的提升。

5 结论

（1）通过双轮同向激振仿真分析，发现前束、外倾角的变化范围大于1°，侧向位移变化范围>5mm，均超过推荐范围，对其进行优化。

（2）对悬架导向机构的硬点坐标进行优化设计，优化后前束角变化量减少了0.81°，外倾角变化量减少了0.76°，侧向位移减少了3.37mm，其余定位参数均略有改善。

（3）将优化后操稳结果与优化前进行对比评分，转向回正评分提升了8.44，稳态回转评分提升了5.81，为后续悬架及整车的设计开发做指导。