乘用車整車姿態(tài)設定及控制方法研究

羅文水，凌紅芳，王 師，馬傳帥

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

乘用車整車姿態(tài)設定及控制方法研究

羅文水，凌紅芳，王 師，馬傳帥

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434）

整車姿態(tài)不僅影響到整車造型的美觀協(xié)調性，而且對整車性能也有直接的聯(lián)系。總結歸納了一套系統(tǒng)全面的整車姿態(tài)設定流程和控制方法，可在數(shù)據(jù)開發(fā)階段對整車姿態(tài)進行合理的設計，在樣車驗證階段及量產階段對整車姿態(tài)進行快速準確地檢測和控制。

整車姿態(tài)；地面線；輪眉離地高度；整車姿態(tài)角；輪眉間隙

0 前言

顧客在購買乘用車時，首先關注的是汽車的外形是否好看時尚或沉穩(wěn)莊重，然后才是汽車的其他性能。而整車姿態(tài)設定合適與否直接影響到整體造型的協(xié)調美觀性，是造型設計中非常重要的元素；同時整車姿態(tài)與汽車通過性、操縱穩(wěn)定性、上下車方便性等都有直接的關系。因此，合理的整車姿態(tài)不僅使汽車具有耐看的外型，同時讓汽車具有良好的性能。

整車姿態(tài)具體指汽車基于地面在各種狀態(tài)下的前后傾角、車身與輪系及地面各方間隙、腰線、窗臺線與整車的比例關系等[1]。整車姿態(tài)的設定主要體現(xiàn)在地面線和輪眉間隙設定上。地面線指在不同質量狀態(tài)時，與前后輪胎下表面相切的平面，乘用車設計時常設定整備、半載、滿載三種地面線，也可根據(jù)設計需求添加僅駕駛員狀態(tài)地面線和最大裝載質量狀態(tài)地面線。地面線是乘用車設計非常重要的參數(shù)，是整車初期設計階段時造型設計、整車總布置方案策劃、人機設計等工作的必須輸入。輪眉間隙是指在過輪心的垂直方向上輪胎和輪眉的間隙，不合適的前后輪輪眉間隙直接影響到整車造型的協(xié)調性，乘用車設計時一般設定整備狀態(tài)的輪眉間隙。為保證量產車輛整車姿態(tài)滿足設定要求，需要在整車設計各階段對姿態(tài)進行實時監(jiān)控，在祼車驗證階段通常檢測某底盤件的離地高度，而后期樣車驗證階段和量產階段，為節(jié)省測量時間，進行批量的檢測，通常對輪眉離地高度進行監(jiān)控。本文在結合大量對標數(shù)據(jù)和實際汽車設計經(jīng)驗的基礎上，歸納總結出一套系統(tǒng)全面的整車姿態(tài)設計和監(jiān)控方法，確保乘用車具有合適的整車姿態(tài)。

1 整車地面線設計

地面線指在不同質量狀態(tài)時，與前后輪胎下表面相切的平面，含整備、半載和滿載三條地面線，如圖1所示，也可根據(jù)設計需求添加僅駕駛員狀態(tài)地面線和最大裝載質量狀態(tài)地面線。

圖1 整車地面線示意圖

地面線設計時需要確定不同質量狀態(tài)下的輪心位置、輪胎半徑和整車姿態(tài)角，下面分別進行闡述。

1.1 輪心位置確定

地面線設計工作主要體現(xiàn)在輪心位置的確定上，該部分工作包含整車坐標系建立、半載狀態(tài)前后輪心坐標的確定、整備和滿載前后軸荷的計算、懸架剛度的確定及不同質量狀態(tài)下輪心坐標變化量的計算等內容。

1.1.1 整車坐標系的建立

對全新開發(fā)的車型來說，一般非承載式車身汽車取車架某一段上端面作為XY平面，承載式車身汽車取前下地板某段平面作為XY平面；過前輪輪心連線且與XY平面垂直的面作為YZ平面；整車左右對稱面作為ZX平面[2]，如圖2所示。

圖2 整車坐標系建立

X坐標軸：XY平面與ZX平面交線為X軸線，指向車尾方向為正向。

Y坐標軸：XY平面與YZ平面交線為Y軸線，指向車輛右側為正向。

Z坐標軸：YZ平面與ZX平面交線為Z軸線，指向垂直方向上方為正向。

對基于某平臺開發(fā)的車型來說，整車坐標系可沿用原車型的坐標系，便于兩個車型之間零部件數(shù)據(jù)的共用、對比分析。

1.1.2 半載狀態(tài)前后輪心坐標的確定

乘用車設計3D數(shù)據(jù)常采用半載狀態(tài)，故需首先確定半載狀態(tài)的輪心坐標值，然后根據(jù)懸架的剛度、輪荷變化量推算出整備、滿載等其他狀態(tài)下的輪心坐標值。

X坐標值設定：對全新設計平臺車型，半載狀態(tài)前輪心X坐標值可取0值，后輪心X坐標值根據(jù)軸距設定；而基于某平臺設計的車型，前輪心X坐標值可沿用原車型或根據(jù)需求進行微調即可，后輪心X坐標值根據(jù)軸距設定。

Y坐標值設定：半載狀態(tài)前后輪心Y坐標值根據(jù)前后輪距反求，并結合車輪傾角對輪距的影響量進行設定，如公式（1）所示

其中：B為輪距，單位mm；R為輪胎靜力半徑，單位mm；θ為車輪外傾角，單位°。

Z坐標值設定：對全新設計平臺車型，半載狀態(tài)輪心Z坐標值設定需要綜合考慮最小離地間隙要求、縱向通過角、整車姿態(tài)角、輪胎包絡間隙、整車質心高度、懸架性能等要求，并結合輪胎型號、下車體零部件布置方案等進行設定[3]。

1.1.3 前后軸荷的計算

該部分工作內容主要是推算半載和滿載的重量及前后軸荷，也可根據(jù)需要計算僅駕駛員等其他質量狀態(tài)的質量和軸荷。在汽車設計時，根據(jù)車型修改量及對標車型重量等參數(shù)，首先確定整備狀態(tài)質量，然后根據(jù)乘員及貨物加載重量推算其他狀態(tài)的質量和軸荷，某狀態(tài)下的前軸軸荷計算公式如下所示：

其中：Mf為某質量狀態(tài)前軸荷，單位kg；Mr為某質量狀態(tài)后軸荷，單位kg；Mf0為整備狀態(tài)前軸荷；Mr0為整備狀態(tài)后軸荷，單位kg；ΔMf為前軸荷的加載變化量；ΔMr為后軸荷的加載變化量，單位kg；m1為前排座椅人員加載重量，單位kg；m2為后排座椅人員加載重量，單位kg；m3為貨物加載重量，單位kg；L為軸距，單位mm；L1為前排H點到前輪心的距離，單位mm；L2為后排H點到前輪心的距離，單位mm；L3為行李箱中心到前輪心的距離，單位mm；如圖3所示。

圖3 重量加載示意圖

根據(jù)GB/T5910-1989轎車質量分布，可調整座椅質量加載點在H點基礎上前移100 mm，不可調整座椅加載點在H點基礎上前移50 mm。

1.1.4 懸架剛度的確定

在汽車設計初期階段，一般會根據(jù)車型定位及對標車參數(shù)設定一組理論上合適的懸架偏頻，通過公式（6）計算懸架剛度。懸架偏頻是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一，乘用車對平順性要求較高，原則上發(fā)動機排量越高的車型懸架偏頻越小[4]。對發(fā)動機排量在1.6 L以下低端車型，前懸架滿載偏頻一般在1.0～1.45 Hz，后懸架一般在1.17～1.58 Hz，對發(fā)動機排量在1.6 L以上的中高端車型，前懸架滿載偏頻一般在1.0～1.35 Hz，后懸架則要求在1.1～1.5Hz。

其中： f為懸架偏頻，單位Hz；K為懸架剛度，單位N/m； ms為懸架簧載質量，單位kg。

在后續(xù)樣車驗證階段，根據(jù)底盤性能調教試驗，選取主觀評價最佳狀態(tài)的前后懸架剛度。

1.1.5 不同質量狀態(tài)下輪心坐標變化量的推算

在半載狀態(tài)輪心坐標值、懸架剛度、不同質量狀態(tài)輪荷等參數(shù)已確定的情況下，可推算出其他質量狀態(tài)的輪心坐標值。

在半載狀態(tài)時的輪心坐標值的基礎上，通過公式（7）推算出整備、滿載等其他狀態(tài)的輪心Z坐標值：

其中：Z1為某狀態(tài)下的輪心Z坐標值；Z0為半載狀態(tài)下的輪心Z坐標值；M1為某狀態(tài)下的輪荷，單位kg；M0為半載狀態(tài)下的輪荷，單位kg；K為懸架剛度，單位N/mm。

然后采用ADAMS或CATIA等軟件制作懸架運動學模型，根據(jù)確定的各質量狀態(tài)輪心Z坐標值，運行懸架運動學模型，使得輪心跳動到與某質量狀態(tài)輪心Z坐標值相同，此時的X、Y值即是該質量狀態(tài)輪心X、Y坐標值，如圖4所示。

圖4 車輪上下跳動示意圖

1.2 輪胎半徑確定

圖5 輪胎負荷—輪胎半徑關系圖

輪胎半徑在不同輪荷狀態(tài)下會產生變化，對一般乘用車來說，整備質量狀態(tài)時前后輪胎半徑差異在5 mm左右，而在不同整車質量狀態(tài)下，后輪半徑的變化可達5 mm以上，因此，不能簡單地將輪胎半徑視為某一固定值，在地面線制作時需要將該變化量考慮在內。如圖5所示，根據(jù)某輪胎氣壓狀態(tài)下的“輪胎負荷—輪胎半徑關系圖”，采用輪荷即可插值求得準確的輪胎半徑。

1.3 整車姿態(tài)角確定

整車姿態(tài)角指地面線與XY平面之間的夾角，如圖6所示，滿載地面線和XY平面之間的夾角即滿載姿態(tài)角，地面線前高后低為正值，前低后高為負值。

整車各質量狀態(tài)姿態(tài)角的設定順序：先確定半載狀態(tài)姿態(tài)角，然后根據(jù)懸架剛度、輪荷變化量及輪胎半徑值確定整備狀態(tài)、滿載等其他狀態(tài)的姿態(tài)角。

半載狀態(tài)為乘用車最常用的狀態(tài)，其姿態(tài)角一般設定為0°～0.2°，車身相對地面保持在水平狀態(tài)或前端稍低狀態(tài)。整備狀態(tài)到滿載狀態(tài)的姿態(tài)角變化量根據(jù)不同車型的軸荷變化量、軸距及懸架剛度求得，通過分析可知，對五座A～C級乘用車，軸距越短，前懸剛度越大，后懸剛度越小，整車重量越輕，整備到滿載狀態(tài)的姿態(tài)角變化量就越大。如表1所示，A00級車中QQ3的軸距最小，為2 340 mm，整備質量也最小，為870 kg，以該車型為例分析，對該車型來說，滿載前懸偏頻一般取1.0～1.45 Hz，后懸架偏頻一般取1.17～1.58 Hz，同時考慮到半載狀態(tài)前后懸偏頻比值小于1的條件，若取滿載狀態(tài)前懸偏頻為1.45 Hz，后懸偏頻應大于1.3 Hz，則整備到滿載狀態(tài)姿態(tài)角的最大變化量小于1.3°，同時可推算出整備到半載狀態(tài)的姿態(tài)角變化量小于0.6°，設計到滿載狀態(tài)的姿態(tài)角變化量小于0.8°。四座乘用車的姿態(tài)角變化量比五座車型小，故該車型的姿態(tài)角變化量參考五座車型。

圖6 整車姿態(tài)角示意圖

表1 乘用車參數(shù)統(tǒng)計表

綜合以上分析，可得各質量狀態(tài)下整車姿態(tài)角的合適范圍：半載狀態(tài)姿態(tài)角在0°～0.2°范圍內，整備姿態(tài)角在0°～0.8°范圍內，滿載姿態(tài)角在-0.8°～0.2°范圍內，整備到滿載的姿態(tài)角變化量在1.3°以內。

1.4 地面線的設定流程

在概念設計階段，根據(jù)初定的懸架偏頻、前后軸荷、半載狀態(tài)輪心坐標值及初步的懸架運動學模型推算其他質量狀態(tài)的輪心坐標值，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)“輪胎負荷——輪胎半徑關系圖”插值求得輪胎半徑后，即可編制V1版整車地面線，如圖1所示。V1版地面線是造型設計、總布置初步方案制定、人機參數(shù)設定、法規(guī)分析等設計工作的必須輸入，同時在產品數(shù)據(jù)設計過程中，由于各種設計約束條件的限制，如最小離地間隙要求、懸架行程要求、輪胎包絡周邊間隙要求、懸架性能要求限制、零部件沿用策略限制等，反過來要求地面線進行修改和優(yōu)化，地面線應盡量滿足這些要求，各方設計要求綜合平衡達到最佳，此時可確定V2版地面線。在樣車驗證階段，對整車底盤性能進行調教，對整車操縱穩(wěn)定性、平順性、底盤噪聲等性能進行主觀評價，通過調整懸架剛度、減震器阻尼、橫向穩(wěn)定桿粗細等參數(shù)，使得各項性能綜合評價達到最佳匹配狀態(tài)。由于調教后的懸架剛度、阻尼等特性參數(shù)與數(shù)據(jù)設計階段一般都會有所偏差，故需要根據(jù)調教后的懸架剛度等參數(shù)修正地面線，此時可獲得V3版地面線，一般來說，該版地面線是該車型的最終確定的地面線，根據(jù)該版地面線即可確定量產狀態(tài)整車姿態(tài)，整車地面線具體設定流程如圖7所示。

圖7 整車地面線設定流程

對于某一款車型來說，不同配置通常搭載不同的發(fā)動機、變速箱等件，其整車重量及前后軸荷也有偏差，若不同配置車型的軸荷偏差量大于50 kg時，應設定兩組自由長度不同的彈簧，確保高低配置車型具有相同的整車姿態(tài)。

2 輪眉間隙設計

輪眉間隙是整車造型中非常重要的設計元素，合理的輪眉間隙不僅需匹配整車造型特征，同時需要確保輪胎包絡和輪眉間隙有足夠的安全空間。輪眉間隙設計一般是指整備狀態(tài)下輪胎和輪眉之間垂向距離的設定，如圖8所示。

圖8 輪眉間隙示意圖

對轎車和城市SUV車型來說，輪眉間隙的設定原則上是在滿足輪胎包絡周邊間隙要求的情況下，盡量減小輪眉間隙值；對偏向越野性能的SUV車型，輪眉間隙一般為了凸顯越野風格，有意增加輪眉間隙，如圖9所示?？紤]到整備狀態(tài)到半載狀態(tài)或滿載狀態(tài)時，后輪向上的跳動量大于前輪，故整備狀態(tài)后輪眉間隙要稍大于前輪。

圖9 不同車型的輪眉間隙圖

3 整車姿態(tài)控制方法

整車姿態(tài)的設計工作主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)設計階段地面線的設定，后期樣車驗證階段對前期的姿態(tài)設計進行修正；而整車姿態(tài)的控制工作主要是指在樣車驗證階段及量產時對整車姿態(tài)進行檢測把控，使得整車姿態(tài)滿足設計要求。

整車姿態(tài)在3D數(shù)據(jù)體現(xiàn)為地面線的姿態(tài)角，但實車測量時該角度很難檢測，因此一般是通過測量某底盤件的離地高度或輪眉離地高度來監(jiān)控整車姿態(tài)，該方法既能快速批量地對樣車姿態(tài)進行測量，同時也能保證較好的精確度[5]。在樣車驗證初期，樣車車身尚不能完全體現(xiàn)造型CAS，車身輪眉也往往與設計狀態(tài)不一致，此時通常測量某底盤件離地高度監(jiān)控整車姿態(tài)；在樣車驗證后期，車身輪眉與設計狀態(tài)基本一致，此時可通過測量輪眉離地高度來監(jiān)控整車姿態(tài)，如圖10所示；量產階段也是通過測量輪眉離地高度來監(jiān)控整車姿態(tài)。

圖10 樣車驗證階段姿態(tài)測量點

如何確定姿態(tài)的合理偏差范圍是整車姿態(tài)控制非常重要的工作，也是整車姿態(tài)控制的依據(jù)。整車姿態(tài)的偏差范圍是通過對相關零部件的偏差累積計算獲得的，影響底盤件離地高度和輪眉離地高度的零部件稍有不同，其偏差允許范圍也略有不同，具體推算過程如下。

輪眉離地高度的偏差要求包含了輪胎、懸架構件、車身件的制造和裝配誤差值以及輪荷偏差引起的姿態(tài)變化量。其中輪胎制造和裝配誤差為±2 mm；車身件在輪眉處的制造和裝配誤差為±1 mm；懸架構件主要考慮彈簧剛度誤差，約為±0.5 N/mm，產生的輪眉離地高度偏差量約為±2 mm；輪荷偏差約為輪荷的±3%，產生的輪眉離地高度偏差量約為±5 mm，故輪眉離地高度偏差要求設定為±10 mm。而底盤件離地高度的影響因素里不含車身件的制造和裝配誤差值，故減去該部分偏差量，則底盤件離低高度偏差范圍應為±9 mm。

若整車姿態(tài)不達標，通常需要對其相關影響因素進行逐個分析，如彈簧剛度、自由長度、輪胎氣壓、輪胎尺寸參數(shù)、軸荷、車身底盤件的制造裝配誤差等是否滿足設計要求，對不滿足要求的項目進行改善修正，使得整車姿態(tài)滿足設計要求。

4 結語

整車姿態(tài)不僅影響到整車造型的美觀協(xié)調性，而且對整車性能也有直接的聯(lián)系，整車姿態(tài)設定和實車監(jiān)控是乘用車開發(fā)過程中非常重要的設計工作。整車姿態(tài)設計時需要綜合考慮造型的協(xié)調美觀性、零部件通用性、最小離地間隙、懸架性能等各方面因素，其主要的設計工作體現(xiàn)在地面線的設定上。實車姿態(tài)監(jiān)控時為提高工作效率和數(shù)據(jù)測量的準確度，通常對某底盤件離地高度或輪眉離地高度進行監(jiān)測，并提出了整車姿態(tài)的合理偏差范圍。本文根據(jù)乘用車實際開發(fā)經(jīng)驗，結合大量對標數(shù)據(jù)，總結歸納了一套系統(tǒng)全面的整車姿態(tài)設定流程和控制方法；可在數(shù)據(jù)設計階段對整車姿態(tài)進行合理的設計，在樣車驗證階段及量產階段對整車姿態(tài)進行快速準確地檢測和控制。

［1］王望予.汽車設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］黃英豪，黎兆宇.汽車坐標系和車身姿態(tài)角的確定方法［J］.裝備制造技術，2012（10）：113-115.

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［5］王新，李衡輝.某車型整車姿態(tài)分析［J］.汽車科技，2009（3）：27-31.

圖3 上位工控機組態(tài)界面及腳本

（2）當RDF自動生產線主控制柜上手自選擇開關置于手動時，主控制柜上及上位工控機手動啟停按鈕可單獨啟停對應設備，而兩位置的自動啟停按鈕為不可用；

（3）各位置急停按鈕實現(xiàn)設計要求功能。

3 結論

本文主要介紹了一種基于三菱PLC的RDF自動生產線控制系統(tǒng)，經(jīng)過實際工廠現(xiàn)場測試，該套系統(tǒng)使用情況良好，各項要求均達到了預設的目的，該套系統(tǒng)隨RDF自動生產線具有相應的經(jīng)濟價值，具有一定的推廣意義。

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［4］ 三 菱 公 司.GXworks2 Operating Manual vertion1［Z］.2009.

第一作者簡介：張 震，男，1986年生，內蒙古烏蘭察布人，大學本科，助理工程師。研究領域：固體廢棄物綜合處理系統(tǒng)自動化。

(編輯：阮 毅)

Research on Vehicle Attitude Design and Control Method for Passenger Car

LUO Wen-shui，LING Hong-fang，WANG Shi，MA Chuan-shuai
（GAC Engineering，Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.，Guangzhou511434，China）

Vehicle attitude is not only having great effect on the harmonious of style，but also having a direct effect on vehicle performance.A systematic and comprehensive vehicle attitude design process and control method is built in this paper，according to this process，the vehicle attitude can be designed reasonable in initial vehicle design phase，and the vehicle attitude also can be measured quickly and accurately，then the vehicle attitude can meet the design requirements very well.

vehicle attitude；ground line；wheel arch height；vehicle attitude angle；clearance between wheel arch and tire

U462

A

1009－9492(2014)08－0116－07

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.033

羅文水，男，1981年生，湖南邵陽人，碩士，工程師。研究領域：整車總體設計及車輛動力學。已發(fā)表論文2篇。 (編輯：王智圣)

2014－07－23