1.背景概述
扭力梁式悬架是汽车后悬架类型的一种，是通过一个扭力梁来平衡左右车轮的上下跳动，以减小车辆的摇晃，保持车辆的平稳。这种悬挂的优点是结构简单，左右两侧车轮处所占用的空间很少，同时车身的外倾角没有变化，避震器不发生弯曲应力，所以摩擦小，乘坐性佳。如果调校得当，可以用最少的成本和空间达到最好的效果，且相对于独立悬架，扭力梁悬架零件个数少，结构简单，易于实现轻量化和低成本。自上世纪80年代，扭力梁悬架在许多前驱车的后悬架中得到广泛的应用[1]。现在已成为紧凑级及以下车型的主流后悬架配置。 另一方面，由于现代汽车悬架对橡胶衬套的广泛使用，使悬架的弹性运动学成为悬架设计的首要考虑的内容。在悬架K&C 中弹性运动学所占的比重更大，转向特性是汽车横向运动的首要内容，对操纵稳定性具有否决权。以往人们主要关注车身侧倾或轮跳时车轮前束的变化(即悬架运动学)对汽车过度和不足转向特性的影响。当悬架大量采用橡胶衬套后，悬架的弹性运动对前束变化的影响通常远大于悬架运动学的影响，使得弹性运动学引起的汽车不足和过度转向比运动学更为重要。 工程开发实际中，不同车型的需求，造成扭力梁悬架的工作条件发生变化，需要对扭力梁悬架进行匹配性开发，这与零件的共用化是相矛盾的，对工程师来说平衡这种矛盾是一件困难的事。本文中对于扭力
梁悬架的研究和讨论，是由于为了提升车辆后部的离地间隙，后悬架车辆姿态进行了抬升，扭力梁初始工作倾角增大（图1），而工作倾角的增大会减小扭力梁在侧倾工况时外侧轮前束角toe-in变化量（图2），这不利于车辆行驶的稳定性，在高速变道等工况下，车辆的尾部追溯性会产生恶化，所以本文在满足扭力梁悬架主体结构不变的情况下，将通过尝试对悬架衬套特性的调整来改善车辆悬架KC及整车操乘性能。
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图1 扭力梁悬架初始工作角度变化（侧视图）
图2 侧倾时扭力梁外侧轮的前束变化（俯视图）
2.前点衬套优化方案及对KC性能的改善
车辆转向的稳定性特性，主要取决于后悬架的两种转向效应[2]：侧倾时车轮跳动时的转向效应（简称“侧倾转向”，图2）；车辆转弯时车轮受横向作用力，悬架衬套变形产生的转向效应（简称“横力转向”，图3）。本文讨论的扭力梁悬架，由于使用条件决定了初始工作角度增大，侧倾转向恶化，如果不对扭力梁结构进行大型的调整，则难以改善，而大型调整会导致零件变更，无法共用，故从改善横力转向入手，通过CAE解析，可以发现改变衬套P向和Q 向刚度的配比（图4），可以减小横力转向的toe-out变化量。
图3 受侧向力使扭力梁外侧轮的前束变化（俯视图）图4 扭力梁悬架衬套P向和Q向刚度（俯视图）
在多体软件LMS-Motion中进行扭力梁悬架的多体建模工作，将扭力梁几何在有限元软件里进行网格划分，然后将导出的BDF柔性体文件导入LMS-Motion中，对应多体连接点处建立IO点约束，模型如下图所示：
图5 扭力梁悬架多体模型
迷魂阵捕鱼扭力梁采用柔性体建模处理，衬套按照motion中standard-bush单元进行处理，其中前点衬套基于三向
线刚度进行优化配比，以横力转向最大化为优化目标，衬套橡胶配方、耐久性和其他性能作为边界条件，进行优化。将P-Q 方向的刚度值进行不同的刚度配比组合，各向刚度值进行加倍和减半，输入motion中进行侧向力工况仿真，得到各方案对应的横力转向结果如下图所示：
图6 不同刚度配比方案对应横力转向结果
从上图结果可以看出，15号方案的刚度配比对应的横力转向最大，故选取15号方案作为优化案。基于优化后的方案，用motion悬架模板进行其他KC工况的仿真，选取与整车行驶稳定性相关的指标，优化前后的对比结果如下表所示：
侧倾转向
(%)横力转向
(udeg/N)
接地点
前后转向
(udeg/N)
轮心
前后转向
(udeg/N)
轮心
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前后刚性
(N/mm)
足球缝制外倾刚性
(kN/deg)
回正刚性
冰醋酸溶液(kNm/rad)
原始衬套方案 2.5-31.359.363.110047.81107
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P-Q向刚度优化后式样 2.58.8761.2165.498337.66105
表1 改变前后KC指标结果对比
从上表可以看出，改变前点衬套的刚性，除了对横力转向的具有明显的改善作用，对其他各项指标并未带来明显
恶化。从改善前后的横力转向曲线对比图（图
7所示）可以看出，使用优化后的P-Q向衬套刚度，扭力梁外侧轮，
在转弯时受到侧向力作用（图中力为“-”的方向），车轮前束角变化方向发生了根本性的转变，由较强的Toe-out变成微弱的Toe-in，后悬架的对整车转向特性的贡献由过多转向（oversteer）变成不足转向（understeer），对车辆的稳定性提升有利。
图7 横力转向曲线
在提升操控稳定性的同时，P向-Q向刚度优化后，后轮轮心的前后方向柔度曲线分析结果见图8，优化方案的对于原方案，轮心前后刚度值下降了17%。对于后轮通过路面凹凸时，悬架对车体冲击力的低减有利，提升了后轴的乘坐舒适性。
、
图8 轮心前后载荷位移曲线
3.整车性能的改善
整车性能方面，基于前后悬架多体模型进入Motion-Sub机构进行整车模型的搭建拼接，如下图所示：
图9 Motion中的整车多体模型
①操稳方面，按照优化前后两种不同的前点衬套式样，分别解析了120km/h车速，30deg转向角阶跃输入下，车辆横摆角度响应曲线（图10）。横摆角速度的超调量下降了2%，振动的衰减速度加快，
更快的到达稳态值水平。瞬态响应品质和稳定性得到提升。实车实验也进行了验证，操稳性能得到提升，和仿真预测结果一致。
图10 角阶跃输入下的横摆角速度响应
②舒适性方面，基于上述Motion-SUB机构整车模型计算了60km/s车速条件下，通过路面接缝突起时的前后加速度响应曲线（图11），在后轮通过接缝时，加速度峰值下降了10%，后悬冲击显著下降，乘坐舒适性也得到了一
定的改善。
图11 脉冲输入下的车辆前后加速度响应曲线
4.总结
以横力转向的最大化为优化目标，通过对扭力梁悬架衬套P向-Q向刚度配比的优化选择，实现了扭力梁悬架横力转向特性，由过多转向变成了不足转向，提升了车辆阶跃输入下横摆角度的响应特性，有利于改善整车的尾部追随性及整车操控性。同时轮心前后方向刚性下降，后轴经过凹凸时的前后方向冲击得到降低，对整车的乘坐舒适性也有了明显的改善效果。改善后的方案，经过实车验证，操安的主观评价实验结果也显示尾部追随性的确有了明显改善，乘坐舒适性也有了一定的提升，与仿真预测的趋势一致。
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