摘 要
以某纯电动汽车双横臂式前悬架车型为基础,通过改造其悬架形式,研究不同悬架类型在同一车型上的性能差异。原型车采用双横臂式前悬架,基于其整车及四轮定位参数将悬架分别改造成麦弗逊式和五连杆虚拟主销式悬架,借助动力学分析软件ADAMS对各悬架类型进行K&C(运动学和弹性运动学)性能仿真分析,结果表明虚拟主销式悬架的总体性能优于双横臂式悬架,双横臂式悬架的总体性能优于麦弗逊式悬架。
悬架是车架与车桥或车轮之间一切传力连接装置的总称。在车轮上下跳动的过程中,车轮定位参数(前束角、车轮外倾角、轮距、轴距)与主销定位参数(内倾角、后倾角)会产生运动学上的变化,这种变化特性即为悬架运动学特性,对汽车操纵稳定性、舒适性、制动性能等起着至关重要的作用,对轮胎磨损也有较大影响。悬架对这些性能的影响称为悬架的K&C(运动学和弹性运动学)特性。 本文以某纯电动汽车双横臂式前悬架车型为基础,对麦弗逊式、双横臂式、虚拟主销式悬架的性能进行对比分析。
01 各悬架结构形式对比
当前,乘用车上主流的悬架形式有麦弗逊式、双横臂式、虚拟主销式、四连杆、五连杆、集成连杆等,其中麦弗逊式、双横臂式、虚拟主销式广泛应用在前悬架上,四连杆、五连杆、集成连杆则更多用在后悬架上。图1为几种典型的前悬架结构形式。
图1 典型的前悬架结构形式
1.1麦弗逊式悬架
麦弗逊式悬架主要由减振器上支撑、弹簧、减振器总成、转向节、下横臂等组成,其结构简单,零件数量少,成本低,横向尺寸小,占用空间小,利于舱内布置,因而得到广泛应用。其主销轴线上点固定,下点随车轮跳动而摆动,变化较大,前束角、车轮外倾角、侧倾中心变化较大且变化规律不理想。减振器除了要吸收来自车轮的振动和冲击外,还要起导向作用,活塞杆受到较大侧向力作用,减振器易因偏磨导致早期失效。另外,上点位置高,离前排乘员近,来自轮胎、地面、驱动系统的噪声容易影响到乘员。虽然其成本低廉、结构简单,但其缺点同样明显,主要应用在A级、入门B级车上。
1.2 双横臂式悬架
双横臂式悬架在麦弗逊式悬架的基础上增加一根上控制臂,横向刚度和稳定性增强;减振器下点通过橡胶衬套安装在下横臂上,减振器不受侧向力作用,减振器阻尼及耐久性能、悬架NVH(噪声、振动和声振粗糙度)性能得到提高];主销轴线基本固定且变化小,操纵稳定性增强;侧倾中心更趋近于簧载质量质心,有利于减小侧倾力矩和侧倾角,舒适性增强。但其结构较复杂,增加上横臂及衬套,零件数量增多,成本增加,横向空间占用较大,对舱内空间造成一定挤压。双横臂式悬架可在成本增加不多的前提下大幅度提升悬架性能,在B级及以上车型上得到广泛应用。
1.3 虚拟主销式悬架
虚拟主销式悬架是双横臂式悬架的一种变形,它将双横臂外球头点一分为二,整体臂拆分为前、后两根臂,可实现主销轴线的外移,更长的等效臂长,车轮外倾角、前束角变化更小,有利于减小轮胎偏摩,提高操控性能;具有中心点转向特性,制动、驱动对主销均无转矩作用,方向稳定性及转向轻便性更好;纵向力作用下纵向位移更大,有利于降低冲击感,提升舒适性。但整体结构复杂,纵向空间占用较大,设计和制造难度、零件数量及成本增加,主要用在对操控性、舒适性、NVH性能要求更高的高端车型上。
02 性能对比
基于相同的基准分别搭建3种前悬架仿真模型进行仿真试验,对3种悬架的K&C性能进行定量分析。
2.1 仿真模型的建立
读取基础车悬架几何模型的硬点,在catia V6中创建麦弗逊式、虚拟主销式悬架几何模型,保持原车型下横臂内点位置不变,调整上横臂内球头点/外球头点、减振器上点、下横臂外球头点位置直至四轮定位参数与基础车相同。基于3种悬架的硬点、基础车整车参数(见表1)及弹性件参数,在ADAMS中分别搭建麦弗逊式、双横臂式、虚拟主销式前悬架仿真模型。
2.2 仿真对比分析
运用仿真模型对3种前悬架进行双轮同向跳动、反向跳动(侧倾)、制动力、侧向力、转向回正等工况的仿真分析,仿真结果见表2,图2～5为双轮同向跳动特性图。
总体上,麦弗逊式悬架、双横臂式悬架、虚拟主销式悬架的性能逐渐提升,即双横臂式悬架的性能优于麦弗逊式悬架,虚拟主销式悬架的性能优于双横臂式悬架。具体表现在:四轮定位参数变化率逐渐减小,悬架控制更精准,操控性能更优;轮心纵向位移不断增大,过障碍/制动时轮心退让程度更高,舒适性更好;轮心横向位移逐渐减小,轮胎的横向磨损逐渐减小,轮胎的抓地力逐渐增大;制动点头率逐渐增加,制动舒适性提升;侧倾中心高度逐渐减小,有利于减小轮心横向位移,减少轮胎横向磨损,增强方向稳定性。
03 结 论
通过对麦弗逊式、双横臂式、虚拟主销式前悬架结构和性能的分析,结合仿真试验结果及工程经验,得出以下结论: (1) 虚拟主销式悬架的总体性能优于双横臂式悬架,双横臂式悬架的总体性能优于麦弗逊式悬架。
(2) 在车轮定位参数(前束角、车轮外倾角)方面,双横臂式悬架优于麦弗逊式悬架,其变化率更小、更稳定,轮胎磨损及抓地性能更优;虚拟主销式悬架优于双横臂式悬架。
(3) 麦弗逊式悬架在车轮垂直跳动时轮心向前,舒适性差;双横臂式、虚拟主销式悬架轮心向后,在过障碍时轮心的退让会大大提升舒适程度,其舒适性更优。
(4) 在抗制动点头、轮心横向位移、轮心纵向位移方面,双横臂式悬架优于麦弗逊式悬架,虚拟主销式悬架优于双横臂式悬架。
