麦弗逊悬架硬点偏差对整车性能的影响分析

摘 要 麦弗逊悬架是一种经典的，被广泛使用的悬架形式，决定其使用性能的是悬架的关键硬点位置，硬点位置会直接影响到表征整车性能的四轮定位参数，包括前束角，外倾角，主销内倾角，主销后倾角等。本文主要以麦弗逊悬架为对象，详细介绍了使用机械系统动力学分析软件Adams，建立底盘前悬的机构运动学模型的过程，以及在模型中引入悬架硬点偏差，建立四轮定位参数测量的方法，探究麦弗逊前悬关键硬点制造偏差，对表征其性能的参数指标的影响。同时，给出了硬点偏差对整车性能参数的定量化分析结果，为在实际的生产制造中，严格控制悬架硬点制造精度，提供了理论依据和参考。

关键词 麦弗逊悬架整车性能四轮定位参数 硬点偏差

一、引言

麦弗逊悬架作为一种经典的悬架形式，其构造简单，占用空间小，而且操纵性很好，被广泛应用于国内外商乘用车中。在实际制造时，由于该悬架零部件外形较为复杂，且由多个部件组装而成，一般由减震器总成、下摆臂、副车架、转向横拉杆、横向稳定杆等装配而成。零部件的制造偏差以及装配过程的偏差的积累难以避免，这些制造偏差会对悬架的硬点位置产生较大的影响，使悬架硬点偏离理论设计位置，并且偏差过大，将会导致装配后的四轮定位参数波动较大。而四轮定位参数对汽车行驶性能有着非常大的影响，一般用来作为评价整车性能的参数指标。因此，参数的不稳定必将造成整车性能下降，从而严重影响到产品质量。有关麦弗逊悬架的仿真分析以及四轮定位参数的检测分析，一直以来都有相关学者在进行研究。例如，李英涛[1]等对汽车四轮定位检测及调整技术，进行了比较全面系统的研究；李臣[2]等介绍了基于Adams/Car模块的麦弗逊悬架建模与仿真的分析方法；李海艳[3]等通过对麦弗逊悬架进行Adams建模，并且结合经典控制理论和现代控制理论，对麦弗逊主动悬架性能参数的优化和控制，进行了较为深入的研究。然而，已有的相关研究，大多集中在汽车车轮定位参数的检测调整，以及悬架硬点的优化等方面，较少涉及到悬架制造偏差对整车性能的影响分析。

本文通过使用机构动力学分析软件Adams/View，建立了悬架机构运动模型，通过在模型中引入悬架关键安装硬点的偏差，进行机构运动仿真，使用软件自带的函数库创建前轮定位参数的测量函数，对硬点偏差导致的前轮定位参数变化进行了详细分析。

二、四轮定位参数对性能的影响

四轮定位参数是表征整车性能的重要参数指标，包括前束角，外倾角，主销内倾角，主销后倾角等，对汽车行驶性能有很大的影响，并且其参数的稳定对保证汽车整车性能具有非常关键的作用。前束角参数超差将导致车轮轮胎磨损加剧，并导致轮胎失效。而过大的正外倾或负外倾，会导致车辆行驶过程中轮胎与路面产生滑动磨损，轮胎内外磨损不均，降低轮胎寿命。过大的主销后倾角会加剧前轮摆振，导致行驶得不平顺，主销内倾角参数超差，则会引起严重的操纵问题，包括在急加速时的力矩致生偏向，急刹车时的转向拉力以及冲击转向等。[4]本文针对麦弗逊前悬对应的转向轮定位参数进行具体分析，转向前轮的定位参数，包括前轮前束角，前轮外倾角，以及主销内倾角和主销后倾角。

三、悬架硬点位置偏差分析

（一）悬架关键安装硬点

该车型使用的前悬为麦弗逊式悬架，车轮定位参数主要与悬架上的关键安装硬点位置有关，由悬架结构的对称性，取单侧悬架进行硬点位置分析，如图1所示。悬架安装硬点，包括前悬减震器总成与车身地板匹配安装点A，前悬减震器总成与下摆臂连接处的球头销球心B，前悬减震器总成与转向横拉杆连接处的球头销球心C，以及下摆臂与前悬副车架总成安装连接处的转轴前后端点D、E，其中的硬点C的位置是可调整的。因此，偏差分析时主要分析硬点A、B，以及转轴DE的位置，以及姿态偏差对参数的影响。本文围绕这四个硬点的位置偏差展开进行分析，建模时硬点C处于模型理论位置。

（二）悬架关键硬点偏差值

硬点A为麦弗逊悬架与白车身的安装点，其位置偏差，即为车身对应安装孔的位置偏差，硬点B的位置偏差以及转轴DE的姿态偏差，受到副车架、摇臂的制造偏差，以及车身与副车架匹配安装点位置偏差等因素的综合影响。白车身整体由一个个复杂薄板件焊接而成，由于焊接变形，对应于悬架的匹配安装孔位置将偏离理论位置。副车架和摇臂等在装配成总成件时，由于副车架、摇臂自身制造偏差，以及装配过程中的偏差累积，将使得摇臂转轴DE，以及与减震器的连接点B的实际位置偏离理论位置。根据当前的制造精度水平，可将硬点位置的设计公差定为±2.0mm。[5]

取各硬点位置的正向最大公差值，作为其极限位置偏差，并结合硬点在整车坐标系下的理论坐标，可得出考虑硬点位置偏差后的坐标值，如表1所示。

四、硬点偏差对整车性能的影响分析

（一）麦弗逊悬架建模

麦弗逊悬架是一种经典的独立悬挂形式。由于其结构的对称性，一般在Adams建模时，只需建立1/2悬架模型即可进行。在Adams/View模块中，进行麦弗逊悬架的机构建模时，首先使用UG软件，将悬架的CAD数模由stp格式转为Adams软件支持的Parasolid格式，再将模型导入到Adams/View模块，此时硬点的位置坐标均为理论值，根据机构运动关系添加相应的机构运动约束，并在轮胎的中心点处设置位移加载，用于实现悬架从空载到满载的变工况运动仿真，这样便完成了基于Adams/View模块的1/2麦弗逊悬架的建模。建好的模型和机构约束情况如图1所示。

（二）前轮定位参数偏差分析

完成Adams麦弗逊悬架的建模后，在软件中建立车轮定位参数的测量函数，根据四轮定位参数的定义，在Adams中通过监测轮胎安装面法线上的点，以及主销轴线上下端点，即硬点A、B的位置坐标在悬架运动过程中的变化，即可实现对前轮前束角、外倾角、主销内倾角和主销后倾角的检测。根据点的位置坐标可得参数的计算表达式为：

根据上述公式，在Adams中使用其函数库自带的ATAN2函数，即可轻松实现参数测量函数的创建。

创建好测量函数后，在Adams中通过改变悬架硬点的位置坐标，引入悬架的硬点偏差值，便可通过仿真分析得到硬点偏差对四轮定位参数的定量关系。在给定工况下，前轮定位参数为静态参数，从图5可知，给定工况下，车轮静态定位参数主要取决于硬点A、B的位置，只考虑硬点A、B位置偏差即可。而在变工况的情况下，轮胎跳动，摇臂会绕轴线DE转动一定角度，转轴DE的姿态偏差，将直接影响前轮定位参数的波动规律，所以动态分析时需要考虑转轴DE的姿态偏差对参数波动的影响。

首先取空载整备工况进行定工况下的前轮静态定位参数偏差分析，根据表1中的硬点位置坐标数据，在Adams中改变硬点A的位置坐标，进行仿真分析，输出车轮定位参数值，模拟硬点A的位置，存在偏差时对空载整备工况下前轮静态定位参数的影响。参数变化如表2所示。

从表2可看出，硬点A的位置偏差对外倾角、主销内倾角和主销后倾角的影响都接近0.2°。因此，该硬点的位置偏差对轮胎寿命和行驶的平顺性，有较大影响。

将硬点A的位置调回理论值，再以相同方法对硬点B进行位置偏差输入，仿真模拟硬点B的位置存在偏差时，对车轮定位参数的影响。参数变化如表3所示。

从表3可看出，硬点B的位置偏差对外倾角、主销内倾角和主销后倾角的影响均超过了0.15°，同硬点A一样，B点偏差也会对汽车行驶性能产生较大影响。

以上对空载整备工况下前轮静态定位参数进行了偏差分析，研究了硬点A、B的位置偏差，对前轮定位参数的影响。接下来，再对由硬点D、E构成的摇臂转轴姿态偏差导致的变工况下，前轮定位参数波动性变化进行分析。本文所研究的麦弗逊悬架，从空载到满载状态轮胎上跳位移为24mm，对上跳过程中各前轮定位参数的波动进行分析，将轴线DE端点的理论坐标和偏差坐标输入到建好的Adams分析模型中，对悬架进行轮跳运动仿真，可得到考虑转轴DE姿态偏差前后的前轮定位参数波动性的变化。如图2所示，可看出转轴姿态偏差，会导致前轮跳动过程中参数的波动性发生变化，对前轮定位参数的稳定性，将产生不利影响。

五、结论

综合上述分析，硬点A、B的位置偏差，对空载整备工况下转向轮静态定位参数的影响较大，2mm左右的位置偏差，将会带来高于0.15°的参数变化，对整车性能的影响较为显著。而摇臂转轴DE的姿态偏差，将导致各前轮定位参数在变工况过程中的波动性增加，降低了参数的稳定性，从而也会影响悬架的使用性能。因此，改进制造工艺，提高悬架关键硬点的位置精度，可以有效增加转向前轮静态定位参数的稳定性，较好地提升整车性能。在实际生产制造中，必须严格控制悬架的硬点制造偏差，才能保证整车的合格率以及良好的行驶性能。

（作者单位为上汽通用五菱汽车股份有限公司）

[作者简介：卢从坚（1988—），男，毕业于海南大学工程学院，2011年参加工作，目前为上汽通用五菱汽车股份有限公司宝骏基地总装车间质量工程师，主要从事汽车制造质量改进工作。]

参考文献

[1] 李英涛.汽车四轮定位检测及调整技术的研究[D].长安大学，2010.

[2] 李臣，司景萍.基于ADAMS/Car的麦弗逊悬架建模与仿真[J].公路与汽运，2007（03）：8-10.

[3] 李海艳.基于ADAMS的麦弗逊主动悬架性能参数的优化及控制研究[D].东北大学，2008.

[4] 樊海林.在用汽车四轮定位参数变化对操纵稳定性影响研究[D].重庆交通大学，2008.

[5] 韦春州，罗锦耀.白车身底盘前悬挂硬点尺寸公差设计与性能关系探析[J].企业科技与发展，2014（05）：23-27.