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中華民國第十四屆車輛工程學術研討會， 虎尾科技大學車輛工程系，台灣雲林， 2009年10月30日。
The 14th National Conference on Vehicle Engineering, Oct. 30, 2009, Formosa University, Yunlin, Taiwan, R.O.C.
X – xxx
休旅車之整車動態模擬分析
胡惠文, 2范洧騰, 3陳坤義
1
複合材料與輕結構實驗室
國立屏東科技大學車輛工程系副教授
2,3
國立屏東科技大學車輛工程系大學生、研究生
{[email protected]}
1
量、四輪負載、懸吊系統K值。重心位置量測於歐規
ECE R-66[2]大客車翻覆規範中及戴澤墩[3]應用力學靜力學中提出秤重法來求出整車重心位置，車輛前輪
定位角度規範[1]以及車輛前輪定位角度的定義與功用
[4] 包括有外傾角、後傾角、內傾角、前束、轉向前
展。本研究之主要目的是利用機構動態模擬分析軟體
(RecurDyn)模擬兩種不同狀況，1、把車輛用頂車機
頂高再放置地面後，前後懸吊之各接頭所產生的變化
量，2、模擬實際車輛行經一凸塊時前後懸吊之各接
頭產生之加速度且與陳[5]等人進行實驗與模擬之比
對，且進一步提供結構輕量化之參考參數。
摘要
本研究採用機構動態模擬分析軟體(RecurDyn)，模
擬 SUV底盤懸吊系統之動力學分析，模擬實際車輛以
不同條件行經凸塊時，前後懸吊系統的各接頭所產生
的加速度，以及在時速 20 、 40 、 60km/hr 時前後懸吊
系統之接頭所產生的加速度，並計算出產生施於各接
點的力，計算出來後作為後續分析零組件結構強度之
負載條件，且進一步提供輕量化的分析條件。
關鍵字:前後懸吊系統結構、動態模擬與分析。
1. 前言
近年來由於人們生活品質的提高，交通的便利使
得車輛在現代生活中變的不可缺少的，也對車輛的品
質要求越來越高，而不再是要求車輛的功能是否更強
大而是對車輛的舒適性、操控性、平穩度的要求更為
甚大，而在整車中大致分為動力系統、懸吊系統、電
力系統，而影響車輛的舒適性、操控性、平穩度最為
甚大的是懸吊系統，懸吊系統主要的功用在於承受來
自路面的顛坡所造成的震動與衝擊，也同時具有支撐
車身、車架及乘客的作用，因此懸吊系統的效能嚴重
影響駕駛者及乘客的乘坐舒適性。
本研究之車輛前懸吊系統為典型麥花臣式如圖1、
(a)所示，而其結構分為；圈狀彈簧、避震器總成、平
衡桿、煞車卡鉗、碟盤以及煞車底板，主要優點是以
避震器取代上控制臂，可增大室內空間，且構造簡
單、佔用空間小之優點。其缺點為輪胎與支柱點非同
一點使在支撐重量時造成支柱彎屈因此使用圈狀彈簧
來克服；而後懸吊系統之下拖曳臂為典型半拖曳臂式
如圖一、(b)所示，其結構分為；圈狀彈簧、半拖曳
臂、避震器以及平衡桿，此懸吊系統之旋轉軸不與輪
軸平行，而是傾斜設置，是一種專門用於後懸吊系統
的設計，由於車輪轉彎時所走的行程較大所以能使車
輛穩定性較佳。因此當車輛行經凸塊或坑洞時前後懸
吊扮演的角色極為重要，若左右彈簧之剛性或避震器
之阻尼設計不良都可能使車輛行進過程而遭翻覆，在
陳[2]等人中進行了對彈簧K值與避震器阻尼進行測試
且同時測試了實車以不同時速經過一凸塊時各接頭產
生的加速度。
本文將整車與底盤動力學分析的基本參數必須考
量的重點包括有：整車重心位置量測、底盤零組件重
(a)、前懸吊總成
(b)、後懸吊總成
圖1、前後懸吊系統(圖片取自參考資料[1])
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中華民國第十四屆車輛工程學術研討會， 虎尾科技大學車輛工程系，台灣雲林， 2009年10月30日。
The 14th National Conference on Vehicle Engineering, Oct. 30, 2009, Formosa University, Yunlin, Taiwan, R.O.C.
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2.研究方法
2-1. SUV 整車模型建立
本研究採用電腦輔助繪圖軟體(Unigraphics)UG，
為了清楚的瞭解車體結構，而將車體和前後懸吊系統
進行拆裝的動作，而將車體零件拆卸後進行重量的量
測，依照各個零件的特徵和尺寸進行部份零件的三維
圖檔 建立，前懸 三維圖檔包括 :輪胎、煞車 盤、輪
軸、鉗夾、轉向節、煞車底板、及避震器；後懸三維
圖檔包括:輪胎、煞車盤、避震器、輪軸、鉗夾、拖
動臂、及彈簧，本研究因沒有輪胎之CAD模型而照原
使輪胎規格205/55/R16來建立，其中205為輪胎寬、55
為高寬比、R為幅射層輪胎、16為輪胎內徑(輪圈外徑)
單位為吋。本研究的座標系統為車底向車頂為z，車
頭向車尾為x，車門方向為y，而本研究主要分成二個
系統，前懸吊系統以及後懸吊系統，圖2為前後懸吊
爆炸圖，而表1所示為前後懸吊系統之零件重量表，
其中彈簧在CAE軟體內是以力的方式來呈現而無重量
所以將前懸吊的彈簧和螺絲的重量加於避震器上，後
懸吊系統之彈簧及螺絲的重量則是加於拖曳臂上，而
建立模型同時也進行懸吊系統間的距離和車輪的定位
角度調整，讓個零件的位置能互相配合且保持一定的
相對位置，本研究參考[1] 技術手冊提供車輪定位角
度，表2所示為前輪定位規範，包含前束、外傾角、
內傾角、轉向前展及後傾角，表3所示為後輪定位規
範。由[4]可得知各角度的義意:圖3(a)所示為外傾角，
由車行進方向觀看，輪胎中心線與地面鉛垂線的角
度，圖3(b)所示為後傾角，由車輛側面觀看，車輪轉
向的中心線，圖3(c)所示為內傾角，由車輛行進方向
觀看，轉向的中心線與地面鉛垂的角度。
左前懸吊重
(kg)
輪胎
19
5.94
煞車盤
5.93
平衡桿(後)
4.1
輪軸
3.26
輪軸
2.35
前衡樑
33.14
鉗夾
6.32
鉗夾
3.69
固定座×2
2.18
3.04
傳動軸(右)
7.85
3.5
1.4
11.29
2.36
52.56
傳動軸(左)
轉向機
6.08
7.77
0.24
3.82
1.65
5.75
9.87
55.8
(b)、後懸吊系統爆炸圖
表1、前後懸零件重量表
左後懸吊重
其它(kg)
(kg)
輪胎
平衡桿(前)
19
6.87
煞車盤
煞車
底板
轉向節
螺絲
控制臂
避震器
總重
(a)、前懸吊系統爆炸圖
煞車
底板
彈簧
螺絲
拖動臂
避震器
總重
圖2、前後懸吊系統爆炸圖
(a)、外傾角
總重
67.9
2
中華民國第十四屆車輛工程學術研討會， 虎尾科技大學車輛工程系，台灣雲林， 2009年10月30日。
The 14th National Conference on Vehicle Engineering, Oct. 30, 2009, Formosa University, Yunlin, Taiwan, R.O.C.
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表4、整車重心位置
空車乘載
兩人乘載
實驗
差異
實驗 CAD 差異
CAD
L1
(cm)
t
(cm)
H0
(cm)
重量
(kg)
(b)、後傾角
119.7
119.3
1.2%
119.6
119.6 0.04%
-0.22
-0.22
0%
0.02
0.02
0%
52.74
52.78
0%
50.7
51.6
-1%
1675
1674
0%
1847
1823
1.2%
四人乘載
L1
(cm)
t
(cm)
H0
(cm)
重量
(kg)
六人乘載
127.4
127
0.2%
139
140
0.3%
-0.02
-0.02
0%
0.06
0.06
0%
49.47
50.6
2%
47.3
48.9
-3%
2001
1977
1.1%
2157
2130
1.2%
2-2. 懸吊系統之邊界條件
為了確實瞭解前後懸吊系統的邊界條件，而進
行了車體底盤之拆裝，圖4為前懸吊系統下控制臂之
邊界條件，而在前懸控制臂上的接頭由於是橡膠接頭
所以必需得知橡膠剛性，而本研究是採用[5]所量測的
值K=5119.44N/mm，而在前後的扭轉桿上的扭轉剛性
也是[2]所做得實驗，前扭轉剛性K=34881N/θ、後扭
轉剛性K=27942N/θ
(c)、內傾角
圖3、車輪定位角度
而前輪中心連線與後輪中心連線所造成的差，稱前
束，在前懸吊系統中前束與幾合關系較無太大影響，
所以在前懸吊部份沒有進行前束的調整，而在後懸吊
部份由[1]技術手冊得知原廠沒有為後輪設計後傾角且
後輪只承受車體重且無轉向功能。在整車和兩人、四
人及六人的乘載重心[5]內有關這方面的實驗測量，表
4為實驗重心與CAD比對。
旋轉接頭
表2、前輪定位角度(規格取自參考資料[1])
項目
規格
外傾角
-0.16°0.05°
後傾角
2.83°0.5°
內傾角
12.82°
前束
0°0.133°
轉向前
外輪在20°，內輪的角度21.83°
展
轉向角
內側輪胎
39°2°
度
外側輪胎
32°
橡膠接頭
(a)、控制臂之實際邊界條件
球接頭
表3、後輪定位角度(規格取自參考資料[1])
項目
規格
外傾角
-0.16°0.05°
前束
0.25°±0.16°
(b)、轉向節之實際邊界條件
3
中華民國第十四屆車輛工程學術研討會， 虎尾科技大學車輛工程系，台灣雲林， 2009年10月30日。
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3. 分析結果與討論
旋轉接頭
本研究先將前後懸吊系統各別模組化後，再各別
執行前後懸吊系統的靜態參數驗證，探討在空車條件
下車輪的定位角度是否合乎[1]技術手冊內的原使角
度，而靜態參數還包括了彈簧、前後避震器壓縮後的
長度及輪弧中心的變化量在頂起放下時高度差和實際
是否相同，分析的負載條件由[2]實驗中得知左右前輪
為 480.7kg(4715.4N) 、 473.2kg ， 左 右 後 輪 分 別 為
359.5(3526.3N)、362.2kg(3551.1N)。前後懸在前5sec
將系統自由放下，模擬實際情況頂車機頂起，5sec後
系統受到地面傳至輪胎的力，此時系統達到平衡，比
對整車的邊界和車輪的定位角度，模擬與實際比對後
只有外傾角的結果差異較大。表5、6為前後系統模擬
比對。
(c)、後拖曳臂之實際邊界條件
圖4、前後懸系統轉向節與控制臂之零組件
2-3. CAE模型之建立
本研究運用到機構動態模擬軟體RecurDyn以及先
前建立的車輛CAD模型與[3]所得到的參數來建立整
車機構動態模型。本研究將利用UG(unigraphics)所建
構出來的CAD模型利用partsolid檔匯入RecurDyn中，
進行參數輸入及驗證。研究車輛底盤包含了，前懸吊
系統、後懸吊系統、以及傳動系統，在建立其系統時
必須先確認零組件的各個重量而其中零組件重量合併
是因為在軟體中將零組件合併，而圖5、6為前後懸吊
CAE模型。而建立完CAE模型後進行靜態模擬分析，
在[2]有關於靜態實驗的量測，對整車進行前後懸吊之
變化量，而在模擬方面先進行完靜態的分析後在利用
RecurDyn內建的Fiala tire 來進行動態模擬，而地面
RecurDyn內是取50個特徵點來建立地面，在模擬時速
20 Km/hr、40 Km/hr、60 Km/hr過凸塊時所產生的G
值。
表5、前懸系統模擬結果比對
差異
規格
模擬結果
後傾角變化量
左前:2.83±0.5
右前:2.83±0.5
左前:2.8
右前:2.8
左前:0%
右前:0%
外傾角變化量
左前:0.16°
右前:0.16°
左前:0.11
右前:0.12
左前:32%
右前:25%
內傾角變化量
左前:12.83°
右前:12.83°
左前:12.9
右前:12.9
左前:0.54%
右前:0.54%
Spring
彈簧壓縮量
左前:196.7mm
右前:190mm
左前:185mm
右前:179mm
左前:5.9%
右前:5.7%
避震器頂起長度
左前:270mm
右前:270mm
左前:264mm
右前:271mm
左前:-2%
右前:0.3%
輪弧中心高度差
左前:87mm
右前:88mm
左前:91mm
右前:90mm
左前:4.5%
右前:2.2%
表6、後懸吊系統模擬結果比對
圖5、後懸吊系統（CAE）模型
圖6、前懸吊系統(CAE)模型
4
規格
模擬結果
差異
外傾角變化量
左後:0.75°
右後:0.75°
左後:0.88°
右後:0.95°
左後:17%
右後:26%
前束變化量
左後:0.25°±0.16°
右後:0.25°±0.16°
左後:0.19°
右後:0.15°
左後:0%
右後:0%
避震器壓縮
後長度
左後:568.7mm
右後:569.3mm
左後574.1mm
右後:571.6mm
左後:1%
右後:0.4%
Spring
彈簧壓縮量
左後:168.3mm
右後:170mm
左後:173.5mm
右後:174.2mm
左後:3%
右後:2.4%
避震器
壓縮長度
左後:568.7mm
右後:554.3mm
左後:574.2mm
右後:571.6mm
左後:1%
右後:3%
Spring
頂起長度
左後:220mm
右後:225mm
左後:229.1mm
右後:229.6m
左後:4%
右後:2%
輪弧中心
高度差
左後:87mm
右後:88mm
左後:89mm
右後:90mm
左後:2%
右後:2%
中華民國第十四屆車輛工程學術研討會， 虎尾科技大學車輛工程系，台灣雲林， 2009年10月30日。
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動 態 測 試 則 以 兩 人 乘 載 時 以 時 速 20Km/hr 、 40
Km/hr、60 Km/hr過凸塊，量取三個不同的點，分別
為；避震器與車身連接處、避震器與轉向節連接處、
駕駛座滑椅處，而分析結果則將上敘三點之加速度與
[2]之實驗做比對，然而探討三種不同條件下過凸塊時
所產生的加速度值，條件分別為1、速度20km/hr 2、
40km/hr以及60km/hr過凸塊時所產生的G值。而模擬
方法則先將車體頂起懸空於地面，為了將模擬與實際
條件相同所以將車體放置地面後0.5sec使車體重心答
到平衡後再於前輪施加1000N-m的定扭矩使車體移
動。
(c)、車身垂直加速度比較圖
圖7、時速20Km/hr之Bumping測試(兩人)
3-1. 跳動(Bumping)測試驗證
Bumping模擬之負載條件為兩人乘載時分別以時
速 20Km/hr 、 40 Km/hr 、 60 Km/hr 行 經 減 速 凸 塊 ，
Bumping測試垂直加速度如圖7、8、9所示，其中實線
部份是實車測試結果，虛線則是RecurDyn軟體所模擬
產生。
3-1-1.時速20、40、60km/hr bumping之模擬分
析
Bumping是模擬車輪行經一凸塊時所造成車體結構
產生加速度，圖7、8、9所示分別為時速20Km/hr、40
Km/hr、60 Km/hr時過凸塊，之後探討轉向節和避震
器、以及車身間的加速度情況。
(a)、轉向節與避震器連接處比較圖
(b)、避震器上方垂直加速度比較圖
(a)、轉向節與避震器連接處比較圖
(c)、車身垂直加速度比較圖
圖8、時速40Km/hr之Bumping測試(兩人)
(b)、避震器上方垂直加速度比較圖
5
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擬時為Rigid body而非Flexible body，也可能是
模擬中的接頭是屬於沒有餘隙而實際是有點餘
隙存在。
(3)
(4) 車身垂直加速度的趨勢來看，當車速越快時結
果差異越大，但整體的趨勢也相同，可能在測
試時操作者的穩定度也是其中的因素而汽車的
時速表之準確度也是要考慮的項目之一。
(a)、轉向節與避震器連接處比較圖
5.
(c)、車身垂直加速度比較圖
圖9、時速60km/hr之Bumping測試(兩人)
4.結論
本文利用電腦輔助工程設計分析技術，有效的分
析整車系統之動態行為，分析結果獲得以下結論；
(2)
參考文獻
[1] 中華汽車服務部技術課, SAVRIN底盤工作手冊，
中華汽車股份有限公司， 2001。
[2] ECE R66, “Uniform Provisions Concerning the
Approval of Large Passenger Vehicles with regard
to the Strength of Their Superstructure” 22 February
2006.
[3] 戴澤墩, 應用力學-靜力學, 文京圖書有限公司出
版, 2000.
[4] 許良明，黃旺根, 汽車學2, 台科大圖書股份有限
公司出版, 2005.
[5] 陳坤義，2009，「休旅車之整車動力學模擬與驗
證測試」，碩士論文，國立屏東科技大學車輛工
程系，屏東。
(b)、避震器上方垂直加速度比較圖
(1)
轉向節與避震器也與實驗有相同的趨勢，但其
值也偏大可能而原因是在測量時所使用的儀器
之測量範圍調至+500G至-500G而可能造成的G
值也不過再80G上下，測量範圍太大而造成測量
上的失誤。
靜 態 參 數 驗 證 結 果 前 後 懸吊 的 外 傾 角 差 異 較
大，而其他值皆甚小，造成外傾角差異太大可
能原因是量測車子時使用的是不同車輛也可能
是 在模擬 時所 有的物 體都是 Rigid 而 實 際上是
Flexible body。
在動態驗證中，避震器上方垂直加速度與實驗
均有相同的趨勢但模擬值均較大，可能是在模
6