基于麦弗逊式前悬架特征的整车架构开发研究

齐 琳

（同济大学 汽车学院 上海 201803）

目前受设计降本增效的需求驱动，产品架构（亦被称为平台）的概念被广泛应用于整车设计开发流程。各大主机厂都希望尽可能多地满足不同用户的个性化需求，同时又能保留更多大规模生产的竞争力。底盘架构设计的挑战，在于为不同尺寸和重量的衍生车型（SUV、sedan、coupe等）找到合适的解决方案，尽可能多地进行共用件的优化[1]。悬架系统对实现底盘功能起到了关键性作用，它要为整车提供良好的操纵性能，保证充足的转向控制和制动反应，减振降噪，以及载荷管理[2-5]。其主要功能是：

(1)提供垂直柔度使车轮能在不平的路面上行驶并起到隔振作用；

(2)使车轮相对路面保持合适姿态；

(3)对轮胎产生的纵向力、侧向力、制动及驱动力矩做出反应；

(4)阻止底盘侧倾；

(5)保持车轮与路面接触[6]。

悬架系统通常分为两种：独立式与非独立式悬架。麦弗逊式前悬架是典型的独立式悬架，由于其成本优势，最常见的前悬结构设计，运用于大多数的乘用车。相当简单的悬架设计并且能为前轮横置驱动提供较好的空间，当受限于低成本悬架及K&C设计参数调整范围小（或困难）的情况下，选择合适的结构形式可以加强悬架性能。

1 架构开发需求的输入

架构开发服务于目标客户及市场战略的需求，受当前政策及全球环境的影响，空间大、性价比高、节能减排是高增长车型关键词。底盘架构开发前,需要工程师将这些“客户之声”转化为工程语言，包括以下几类重要参数：整车参数（包括车型、轮距、轴距、车长、车高、整车装备质量等）；动力总成参数（包括布置形式、排量、性能等）；轮胎型号参数（包括尺寸、价格等）。

本文研究架构包括入门级两厢轿车、A级三厢轿车及SUV，在满足经济性要求的前提下，尽可能多地提供驾驶操稳性和乘坐舒适性。对标国内各大主流车型，麦弗逊式悬架以其结构紧凑、经济性优、K&C可调的优势，确定成为本文架构中所有车型的前悬架结构形式。

2 建立麦弗逊式前悬架模型

2.1 麦弗逊式前悬架几何特征值

麦弗逊式前悬架结构可以简化为图1所示特征点、线、面的组合，其中D点为轮胎与地面的接触点，I点为车轮的中心点，K点为前下控制臂球铰中心点，A点是悬架上端的固定点，C1和C2点分别是前下控制臂前后安装点，B点是减振器轴线与车轮轴线的相交点，S点是减振器底端的中心点。当车轮上下跳动时，控制臂以C点为中心上下摆动。由麦弗逊式悬架的结构特点可知，运动过程中E点到K点的距离与H点到减振支柱下点的距离相同，I到K与E到减振支柱下点的距离相同。各点之间的相互关系可由数学表达式进行计算，为空间几何模型的建立打下基础。

图1 麦弗逊式前悬架结构简图

通常，麦弗逊式前悬架系统的设计，由确定各子零件硬点位置开始。同架构下更多的子零件共用能大幅降低设计开发与制造成本，但同步设计的工作量是一大挑战。为提高设计效率，基于 VC++开发计算程序，将各硬点参数导出，运用NX UG中参数化建模的功能，得到几何模型。

2.2 定义初始硬点坐标

现针对同架构下的入门级两厢轿车、A级三厢轿车及 SUV进行同步设计，由架构输入信息已知各核心轮胎SLR及宽度，车轮上下跳位置，轴距、轴荷等信息，设置初版硬点坐标，包括轮心点，控制臂前后衬套安装点及其球铰安装点，减振器自上弹性中心直至下弹簧座中心点，转向拉杆内外球铰中心点等。此外，还需设置初始前束与外倾角度，一般都在±1°以内。本文研究的架构中，两厢车型前轮的轮心坐标为（-10，-746.5，4），轮心上下跳分别为95 mm和-80 mm，初始前束角为0.1°，初始外倾角为-0.375°；三厢车型前轮的轮心坐标为（-10，-810，7），轮心上下跳分别为95 mm和-80 mm，初始前束角为0.1°，初始外倾角为-0.375°；SUV及MPV车型前轮的轮心坐标为（-10，-810，11），轮心上下跳分别为100 mm和-80 mm，初始前束角为0.1°，初始外倾角为-0.375°。先从空间最紧凑的两厢车型开始设计，初版硬点位置如表1所示。

表1 两厢车前悬架初始硬点坐标 单位（mm）

将硬点坐标导入NX UG进行空间校核，使用motion simulation模块，检查车轮上下跳的运动过程中，各个子零件之间是否存在干涉。针对如控制臂类的特殊零件，其几何特征还会影响NVH性能，按照工程经验，图 2中尺寸 A最好在尺寸 B的5%～15%之间，尺寸C最好在尺寸D的-5%～15%之间。同时为尽量多地在不同车型之间共用零件，从而降低开发成本和周期，使用固定的几何尺寸比例和布置，是前悬架共用零件的前提条件。

图2 控制臂特征尺寸

按图 2的工程经验校核控制臂几何尺寸，A/B=10.34%，C/D=7.89%，符合设计要求。

3 运动学分析及优化

3.1 运动学特征参数的计算

本文中，悬架的运动学分析对象主要是车轮上下运动过程中，各车轮定位参数的变化，由此确定适合的前悬架硬点坐标。在悬架运动的过程中，控制臂球铰中心K点以C点为圆心做摆动，其轨迹方程为：

主销后倾角

主销内倾角

同时在此过程中，A点到K点的距离会发生变化，但是减振器底端中心S点到K点的距离不变，且运动中AS与SK之间的夹角不变。当K点运动到K’点时，则有：

由此可得外倾角γ的表达式为：

令主销轴线和车轮轴线在YZ平面上的投影交点坐标为（xp,yp,zp），车轮半径为R，则车轮前束角变化量Δ的表达式为：

3.2 运动学计算及结果分析

运用 VC++开发程序编写运动学约束条件及计算公式，导入两厢车型的前悬架初始硬点值，得到各车轮定位参数的变化范围。主销倾角是转向轴与垂直线的夹角，从前视图看通常呈内倾角，从侧视图看呈后倾角。基于初版硬点位置，主销内倾角在车轮上下跳的过程中，角度变化从 14.03°到17.46°，主销后倾角从 8.76°到 10.96°。主销倾角的存在使得车轮转向轻便，并产生一定回正的稳定力矩，但若角度过大，转向时车轮与路面之间产生滑动，不但转向变得沉重，还会加速轮胎的磨损。

前束角是车辆纵轴与车轮平面和路面交线所形成的夹角，静态前束角在设计位置为0.1°，在车轮上下跳的过程中不断增大，上下极限位置处的前束角都超过了1.3°，如图3中蓝线所示。当车辆行驶过程中，过大的前束角变化会影响车辆的直线行驶稳定性，增大轮胎与地面的滚动阻力，夹具轮胎的磨损。因此相较于车辆静止时有个合适的前束角，更重要的是车轮上下跳时前束角的变化范围越小越好。显然，缩小前束角的变化范围是下一步硬点变化的主要工作。

图3 初始硬点设置下的两厢车前束角变化

外倾角是轮胎平面与垂直面的夹角，当车辆上端向外倾斜时，外倾角为正值，向内倾斜则为负值。在初始硬点设置下，外倾角变化范围过大，也对车辆的直线行驶稳定性及轮胎磨损有负面影响。在初始硬点设置下，外倾角在车轮上下跳过程中，从-0.9°变化到1.1°，车轮从内倾转为外倾，如图4中蓝线所示。

图4 初始硬点设置下的两厢车外倾角变化

3.3 硬点优化及结果对比

麦弗逊式悬架结构已在全球主流车型上广泛应用多年，相关运动学研究也非常扎实[7-9]。杨超云等人应用 Adams建立了精确的前悬架模型进行运动学仿真，并对前束及主销倾角做了各硬点的敏感度分析[10]。结果显示转向拉杆内外安装点及控制臂球铰中心点的Z向位置对前束角的影响度均超过60%，另外控制臂球铰中心点的Y向位置对主销内倾角的影响最大，约为 13.3%。在多次尝试之后，并通过UG检查空间布置情况，两厢车前悬架硬点的优化结果如表2所示。

表2 两厢车前悬架优化硬点坐标 单位（mm）

优化后，主销内倾角在车轮上下跳的过程中，角度变化从8.88°到11.17°，主销后倾角从9.86°到12.23°，保证了一定的回正力矩，使车辆具有良好的操纵稳定性。主销内倾角相较于初始值有所减少，有利于轮胎磨损的磨损。

麦弗逊式前悬架的运动学特征对硬点位置确实相对敏感，优化后前束角和外倾角的变化范围明显减少。如图5所示，车轮从-80 mm到95 mm上下跳的过程中，前束角变化从-0.06°到0.19°（如图5(a)），外倾角动-0.5°到0.9°（如图5(b)），车辆操纵稳定性得到提升。

图5 优化硬点后的两厢车型前束角（a）和外倾角（b）

三厢车及SUV车型相对于两厢车，轮距增大，选用的轮胎尺寸也更大，因此轮心坐标发生变化。考虑的零部件开发的经济性，所用车型共用同一个前副车架，即控制臂及转向机的内安装点不变，调整控制臂几何尺寸和转向拉杆尺寸，同时将减振器相对轮心的位置调整到与两厢车型一致，为共用前制动角零部件提供可能性。

由运动学分析结果可知，相对于两厢车型的外倾角变化曲线，三厢车型和 SUV车型都保持了高度的一致性（如图6所示）。从这一特性也反映出，外倾角对控制臂和转向机内安装点相对于轮心Y向距离的变化不敏感，而前束角的变化趋势更容易受此影响。如图7所示，三厢车型前束角变化范围从-0.16°到0.2°，SUV车型前束角变化范围从-0.04°到0.2°，但都落在合适的区间。

图6 三厢（a）和SUV（b）车型的外倾角变化

图7 三厢（a）和SUV（b）车型的前束角变化

4 结语

借助于VC++和NX UG软件，建立麦弗逊悬架几何与运动学模型，能够快速检查硬点并进行优化，获得预期的运动学特征。这点在架构开发过程中起到了关键作用，使多车型同步开发并保持类似运动学特征创造条件，帮助架构设计师个性化定制车型“DNA”。 通过硬点对运动学特征影响的分析，可以帮助工程师分辨关键影响因素，找到适合的共用件策略：

(1)转向拉杆内外安装点 Z向位置对前束角的上下跳过程中的变化影响最大，其次是控制臂球铰中心Z向位置；

(2)控制臂球铰X和Y向位置对主销倾角的变化率有显著影响；

(3)麦弗逊式前悬架同样的控制臂及转向机内安装点，可适用于轮距变化在 120mm内的不同车型，使其拥有类似的运动学特。

本文研究表明，在架构开发中引用此运动学分析可实现麦弗逊式前悬架在不同车型中的协同设计开发，从而进一步缩短了开发周期，减少开发及制造成本。