車(chē)輛懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)影響客戶對(duì)車(chē)輛操縱和乘坐舒適性的感覺(jué)。懸架設(shè)計(jì)的藝術(shù)在于權(quán)衡取舍，并在操作和舒適性之間做出折衷。例如，降低整車(chē)重心有助于提高操縱穩(wěn)定性，但同樣會(huì)降低汽車(chē)的離地高度，進(jìn)而會(huì)限制懸架行程，使得我們必須要用更硬的彈簧，最終降低了乘坐舒適性。
福特汽車(chē)公司致力于為客戶提供駕駛性能和舒適性均世界一流的車(chē)輛。這些關(guān)鍵的車(chē)輛性能會(huì)受到懸架設(shè)計(jì)的影響。福特最近發(fā)明了一種新型的扭梁式后懸架系統(tǒng)并申請(qǐng)了專利，獲得了媒體的廣泛好評(píng)。AutoCar UK 在2018 年7月對(duì)Fiesta ST的評(píng)論中說(shuō):“也許是與彎曲的“力矢量彈簧有關(guān)，但在壓縮沖程中，后部似乎有助于汽車(chē)在彎曲中樞轉(zhuǎn)。這是一種突然而微妙的效果，并賦予了汽車(chē)驚人的敏捷性。”2018 年9 月，在對(duì)福特 Focus TopGear的評(píng)價(jià)中，稱之為同級(jí)車(chē)中最好的駕駛體驗(yàn)，并說(shuō):“Focus 讓人感覺(jué)到敏捷、尖銳、靈巧而且實(shí)際上很有。Adams的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真在新型懸架設(shè)計(jì)的開(kāi)”發(fā)中起著不可或缺的作用。
扭梁式懸架系統(tǒng)是半獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，最常用于后輪。它結(jié)合了非獨(dú)立和獨(dú)立懸架的特點(diǎn)，允許車(chē)輪像獨(dú)立懸架一樣發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)，也像非獨(dú)立懸架一樣允許車(chē)輪對(duì)另一側(cè)車(chē)輪產(chǎn)生影響。
扭梁式懸架包含兩個(gè)連接在底盤(pán)和車(chē)輪上的縱臂。連接這兩個(gè)縱臂的是一個(gè)扭力梁，形成典型的H形懸架結(jié)構(gòu)，如圖1。H 形結(jié)構(gòu)的前部通過(guò)橡膠襯套連接到車(chē)身，如圖2。當(dāng)一側(cè)車(chē)輪受到?jīng)_擊時(shí)，扭力梁會(huì)發(fā)生扭曲 ，吸收并減少了一部分傳遞到對(duì)側(cè)輪的沖擊。與多連桿懸掛相比，扭梁式懸掛具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如高效的布置空間、較低的重量和成本。但是，它也具有一些可能影響客戶乘坐和舒適度的缺點(diǎn)。
如圖2所示，扭梁式懸架中的輪心位于襯套后方。這導(dǎo)致車(chē)輪隨著車(chē)輛行駛而向前反彈。具有扭梁式懸架的車(chē)輛還表現(xiàn)出過(guò)度轉(zhuǎn)向的情況，即汽車(chē)的后部在轉(zhuǎn)彎時(shí)向外滑移（圖3）。轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的過(guò)度轉(zhuǎn)向效應(yīng)是由輪胎收到側(cè)向力后產(chǎn)生的 toe-out 效應(yīng)引起的，即輪胎的前部與后部相距較遠(yuǎn)。（圖4）
圖3 : 扭梁式懸架的缺點(diǎn): 過(guò)度轉(zhuǎn)向效應(yīng)
圖4 : 扭梁式懸架的缺點(diǎn): toe-out效應(yīng)
過(guò)去解決這些問(wèn)題的方案涉及復(fù)雜的加固或附加的Watt 連桿。這會(huì)增加成本，增加重量并導(dǎo)致 NVH 問(wèn)題。諸如傾斜襯套連結(jié)到車(chē)身的角度來(lái)減小 toe-out 角度的措施會(huì)導(dǎo)致側(cè)向柔度增加和車(chē)輛敏捷性減弱。
探索新的懸架設(shè)計(jì)
福特的扭梁式懸架設(shè)計(jì)通過(guò)兩項(xiàng)創(chuàng)新克服了這些挑戰(zhàn)。為了開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的懸架系統(tǒng)，福特汽車(chē)動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了具有柔性扭梁的 Adams Car 模型。Adams Car 是在Adams 框架基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的基于模板的車(chē)輛建模解決方案。使用 Adams Car 的工程師可以構(gòu)建車(chē)輛系統(tǒng)或子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并通過(guò)車(chē)輛工況庫(kù)測(cè)試其性能。在扭力梁懸架模型中，輪轂、前框架和前下部控制臂均建模為柔性體。該團(tuán)隊(duì)廣泛使用Adams仿真來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)概念，并再次驗(yàn)證力矢量彈簧。
通過(guò)一組虛擬仿真工況測(cè)試了帶有常規(guī)彈簧和力矢量彈簧（圖6和圖7）的車(chē)輛模型，來(lái)比較性能。通過(guò)改變硬點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)彈簧的傾斜。硬點(diǎn)是用于構(gòu)建參數(shù)化模型的基本建模元素。Adams的仿真結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)彎外側(cè)的toe-out效應(yīng)減少了10％。
第一項(xiàng)創(chuàng)新是使后懸彈簧的力方向傾斜。在轉(zhuǎn)彎期間，外側(cè)彈簧被壓縮，內(nèi)側(cè)彈簧被拉伸（圖8）。
圖8 : 轉(zhuǎn)彎時(shí)的力矢量彈簧力
仿真表明，轉(zhuǎn)彎中外側(cè)的側(cè)向支撐增加，內(nèi)側(cè)的側(cè)向支撐減少，從而抵消了導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向的側(cè)向力。除了優(yōu)化彈簧的傾斜度，福特還重新考慮了彈簧本身的設(shè)計(jì)。常規(guī)圓柱彈簧和力矢量彈簧之間的比較如圖9所示。當(dāng)力矢量彈簧被壓縮時(shí)，它將在預(yù)設(shè)方向上產(chǎn)生載荷，從而為扭力梁提供了側(cè)向支撐。由沖孔加工（piercing location）位置確定的末端線圈傾斜度會(huì)生成彈簧力方向的傾斜（圖10）。
為了測(cè)試扭梁式懸架的性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在Adams Car中建立了帶有常規(guī)彈簧和力矢量彈簧的完整車(chē)輛模型。在兩個(gè)關(guān)鍵的車(chē)輛工況中對(duì)車(chē)輛模型進(jìn)行了測(cè)試：轉(zhuǎn)向階躍和雙移線（麋鹿試驗(yàn)）。
轉(zhuǎn)向階躍車(chē)輛測(cè)試（圖11）為在車(chē)輛直線行駛時(shí)施加一個(gè)快速的轉(zhuǎn)向輸入。測(cè)試的目的是評(píng)估車(chē)輛的響應(yīng)時(shí)間和某些超調(diào)量。
圖11 : 逐步轉(zhuǎn)向車(chē)輛測(cè)試
當(dāng)比較兩個(gè)車(chē)輛時(shí)，來(lái)自力矢量彈簧的好處顯而易見(jiàn)。對(duì)于帶有力矢量彈簧的汽車(chē)，瞬態(tài)轉(zhuǎn)向輸入后橫向加速度的相位滯后有所減小（圖12）。此外，由于側(cè)向柔度的降低，側(cè)偏角也減小了（圖13）。
雙移線測(cè)試，用于評(píng)估車(chē)輛的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的敏捷性。在這種情況下，仿真基于麋鹿試驗(yàn)進(jìn)行，一種雙移線試驗(yàn)的變種，如圖14所示。
和轉(zhuǎn)向階躍試驗(yàn)一樣，通過(guò)比較常規(guī)彈簧和力矢量彈簧，帶有力矢量彈簧的汽車(chē)側(cè)偏角（圖16）和橫擺角速度（圖15）更小，這些發(fā)現(xiàn)表明，具有力矢量彈簧的車(chē)輛與具有常規(guī)圓柱彈簧的車(chē)輛相比，將更加穩(wěn)定。這些仿真結(jié)果證實(shí)了來(lái)自車(chē)輛測(cè)試的相似結(jié)論。
圖15 : 橫向穩(wěn)定桿-麋鹿測(cè)試
力矢量提供了改進(jìn)扭梁式懸架性能的機(jī)會(huì)，而無(wú)需訴諸影響車(chē)輛重量或使車(chē)輛布置和零件安裝復(fù)雜化的措施。同時(shí)，也可在成本較低的前提下，使性能類似于多連桿后懸架。
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