福特汽车使用Adams开发创新的悬架设计

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车辆悬架系统的设计会影响客户对车辆操纵和乘坐舒适性的感觉。悬架设计的艺术在于权衡取舍，并在操作和舒适性之间做出折衷。例如，降低整车重心有助于提高操纵稳定性，但同样会降低汽车的离地高度，进而会限制悬架行程，使得我们必须要用更硬的弹簧，最终降低了乘坐舒适性。

福特汽车公司致力于为客户提供驾驶性能和舒适性均世界一流的车辆。这些关键的车辆性能会受到悬架设计的影响。福特最近发明了一种新型的扭梁式后悬架系统并申请了专利，获得了媒体的广泛好评。AutoCar UK 在2018 年7月对Fiesta ST的评论中说:“也许是与弯曲的“力矢量弹簧有关，但在压缩冲程中，后部似乎有助于汽车在弯曲中枢转。这是一种突然而微妙的效果，并赋予了汽车惊人的敏捷性。”2018 年9 月，在对福特 Focus TopGear的评价中，称之为同级车中最好的驾驶体验，并说:“Focus 让人感觉到敏捷、尖锐、灵巧而且实际上很有。Adams的车辆动力学仿真在新型悬架设计的开”发中起着不可或缺的作用。

扭梁式悬架系统是半独立悬挂系统，最常用于后轮。它结合了非独立和独立悬架的特点，允许车轮像独立悬架一样发生相对扭转，也像非独立悬架一样允许车轮对另一侧车轮产生影响。

扭梁式悬架包含两个连接在底盘和车轮上的纵臂。连接这两个纵臂的是一个扭力梁，形成典型的H形悬架结构，如图1。H 形结构的前部通过橡胶衬套连接到车身，如图2。当一侧车轮受到冲击时，扭力梁会发生扭曲，吸收并减少了一部分传递到对侧轮的冲击。与多连杆悬挂相比，扭梁式悬挂具有多个优点，例如高效的布置空间、较低的重量和成本。但是，它也具有一些可能影响客户乘坐和舒适度的缺点。

图1 : 扭梁式悬架俯视图

图2 : 扭梁式悬架侧视图

如图2所示，扭梁式悬架中的轮心位于衬套后方。这导致车轮随着车辆行驶而向前反弹。具有扭梁式悬架的车辆还表现出过度转向的情况，即汽车的后部在转弯时向外滑移（图3）。转弯过程中的过度转向效应是由轮胎收到侧向力后产生的 toe-out 效应引起的，即轮胎的前部与后部相距较远。（图4）

图3 : 扭梁式悬架的缺点: 过度转向效应

图4 : 扭梁式悬架的缺点: toe-out效应

过去解决这些问题的方案涉及复杂的加固或附加的Watt 连杆。这会增加成本，增加重量并导致 NVH 问题。诸如倾斜衬套连结到车身的角度来减小 toe-out 角度的措施会导致侧向柔度增加和车辆敏捷性减弱。

探索新的悬架设计

福特的扭梁式悬架设计通过两项创新克服了这些挑战。为了开发创新的悬架系统，福特汽车动力学团队创建了具有柔性扭梁的 Adams Car 模型。Adams Car 是在Adams 框架基础上开发的基于模板的车辆建模解决方案。使用 Adams Car 的工程师可以构建车辆系统或子系统的虚拟样机，并通过车辆工况库测试其性能。在扭力梁悬架模型中，轮毂、前框架和前下部控制臂均建模为柔性体。该团队广泛使用Adams仿真来评估设计概念，并再次验证力矢量弹簧。

图5 : 在Adams模型中的柔性体

通过一组虚拟仿真工况测试了带有常规弹簧和力矢量弹簧（图6和图7）的车辆模型，来比较性能。通过改变硬点来实现弹簧的倾斜。硬点是用于构建参数化模型的基本建模元素。Adams的仿真结果显示，转弯外侧的toe-out效应减少了10％。

图6 : Adams的常规扭力梁

图7 : Adams中的力矢量扭力梁

第一项创新是使后悬弹簧的力方向倾斜。在转弯期间，外侧弹簧被压缩，内侧弹簧被拉伸（图8）。

图8 : 转弯时的力矢量弹簧力

仿真表明，转弯中外侧的侧向支撑增加，内侧的侧向支撑减少，从而抵消了导致过度转向的侧向力。除了优化弹簧的倾斜度，福特还重新考虑了弹簧本身的设计。常规圆柱弹簧和力矢量弹簧之间的比较如图9所示。当力矢量弹簧被压缩时，它将在预设方向上产生载荷，从而为扭力梁提供了侧向支撑。由冲孔加工（piercing location）位置确定的末端线圈倾斜度会生成弹簧力方向的倾斜（图10）。