某SUV動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)

吳然 王勇

【摘要】本文介紹了某SUV動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)流程，并用理論計(jì)算的方法將懸架K&C參數(shù)對(duì)整車(chē)不足轉(zhuǎn)向度的影響定量化；采用Adams軟件對(duì)某SUV進(jìn)行操縱穩(wěn)定性仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)車(chē)型懸架正向設(shè)計(jì)提供思路和方法。

【關(guān)鍵詞】懸架；K&C；不足轉(zhuǎn)向度；Adams/car

1、引言

某SUV車(chē)型進(jìn)行新一代開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，需將整車(chē)姿態(tài)加高，經(jīng)初步分析，整車(chē)側(cè)傾度增大，不足轉(zhuǎn)向度減少，嚴(yán)重影響整車(chē)操縱穩(wěn)定性，需將后懸架扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。懸架K&C特性是影響整車(chē)操縱穩(wěn)定性的主要因素，本文通過(guò)優(yōu)化懸架K&C特性，達(dá)到滿(mǎn)足整車(chē)操縱穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。

2、開(kāi)發(fā)流程

2.1開(kāi)發(fā)流程總體介紹。動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)流程為根據(jù)整車(chē)操縱穩(wěn)定性客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)，先確定整車(chē)級(jí)性能目標(biāo)，再根據(jù)整車(chē)級(jí)性能目標(biāo)分解出懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能目標(biāo)，最后確定零部件性能目標(biāo)。

2.2整車(chē)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)。上一代車(chē)型整車(chē)操縱穩(wěn)定性客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)表現(xiàn)較好，且市場(chǎng)表現(xiàn)得到了顧客的認(rèn)可，所以確定新一代車(chē)型整車(chē)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)與上一代車(chē)型基本一致。如表1：

表1 整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)

整車(chē)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要參數(shù)

項(xiàng)目 上一代車(chē)型 新一代車(chē)型

偏頻 后懸架：1.4Hz

后懸架：1.4Hz 前懸架：1.2Hz

前懸架：1.2Hz

車(chē)身側(cè)傾度 5°/g <4.8°/g

不足轉(zhuǎn)向度（0.2g） 2°/g >1.9°/g

中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)側(cè)向加速度 9.8m/s? 9.8m/s?

建立上一代車(chē)型的仿真分析模型，仿真得出的整車(chē)性能參數(shù)、K&C特性參數(shù)與實(shí)車(chē)客觀測(cè)試值基本一致，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，因此在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行新一代車(chē)型的設(shè)計(jì)。

2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。2.3.1偏頻和車(chē)身側(cè)傾度設(shè)計(jì)。由于新一代車(chē)型整車(chē)重量增大，根據(jù)公式（1）、（2）重新匹配整車(chē)偏頻和側(cè)傾度。此類(lèi)車(chē)型前懸架偏頻一般為1.2Hz左右，后懸架為前懸架的1.2倍左右；前后側(cè)傾角剛度比一般為1.4-2.6；側(cè)傾度一般小于5°/g。在調(diào)整前后側(cè)傾角剛度比時(shí)，同時(shí)考慮不足轉(zhuǎn)向度應(yīng)具有一定的線(xiàn)性區(qū)，可通過(guò)不同的前后側(cè)傾角剛度匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）

（2）

式中，n為偏頻；φ為側(cè)傾度；Cs為懸架剛度；ms簧載質(zhì)量；hs為質(zhì)心到側(cè)傾軸線(xiàn)的距離；Cφ?為前懸架側(cè)傾角剛度；Cφr為后懸架側(cè)傾角剛度。經(jīng)分析扭轉(zhuǎn)梁截面形狀，開(kāi)口方向和開(kāi)口大小對(duì)后懸架側(cè)傾中心高度、側(cè)傾角剛度影響較大。圓形截面比三角形截面?zhèn)葍A中心高、側(cè)傾角剛度大、側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向大。開(kāi)口越小，側(cè)傾中心越大，側(cè)傾角剛度越大，側(cè)傾轉(zhuǎn)向越大。開(kāi)口方向朝下，側(cè)傾中心最高、側(cè)傾角剛度最大、側(cè)傾轉(zhuǎn)向最大。綜合以上分析采用圓形截面、開(kāi)口向下，開(kāi)口角度為130度的扭轉(zhuǎn)梁，可滿(mǎn)足整車(chē)側(cè)傾度4.8°/g的要求。

2.3.2估算不足轉(zhuǎn)向度。新一代車(chē)型輪心坐標(biāo)不變，車(chē)身加高，縱臂與車(chē)身安裝硬點(diǎn)到輪心硬點(diǎn)的距離增大，導(dǎo)致后懸架出現(xiàn)趨于減少不足轉(zhuǎn)向梯度的特性，需重新設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)梁安裝硬點(diǎn)，根據(jù)空間布置情況，該硬點(diǎn)只能向下移動(dòng)10mm，并優(yōu)化縱臂軸套布置角度，減少側(cè)向力轉(zhuǎn)向引起的過(guò)多轉(zhuǎn)向。對(duì)更改后的后扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行K&C分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2：

表2懸架的K&C參數(shù)

參數(shù) 前懸架 后懸架

前輪 后輪

側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù) （deg/deg） 0.011 0.0205

側(cè)傾外傾系數(shù) （deg/deg） -0.7168 0.469

側(cè)向力轉(zhuǎn)向系數(shù)（deg/KN） 0.0294 -0.00423

側(cè)向力外傾系數(shù)（deg/KN） 0.10993 -0.13395

回正力矩轉(zhuǎn)向系數(shù)（deg/100N.m） 0.40192 -0.062126

回正力矩外傾系數(shù)（deg/100N.m） 0.026363 0.0042492

根據(jù)以下公式，對(duì)不足轉(zhuǎn)向度的影響進(jìn)行分解。不足轉(zhuǎn)向度的計(jì)算見(jiàn)表3

式中，Ktires為輪胎對(duì)于不足轉(zhuǎn)向梯度的影響；Krc為側(cè)傾外傾對(duì)不足轉(zhuǎn)向梯度的影響；Krs為側(cè)傾轉(zhuǎn)向?qū)τ诓蛔戕D(zhuǎn)向梯度的影響；Kls為側(cè)向力轉(zhuǎn)向?qū)τ诓蛔戕D(zhuǎn)向梯度的影響；Klc為側(cè)向力外傾對(duì)于不足轉(zhuǎn)向的影響；Kats為回正力矩轉(zhuǎn)向?qū)Σ蛔戕D(zhuǎn)向梯度的影響；Katc為回正力矩外傾對(duì)不足轉(zhuǎn)向梯度的影響；W?為前軸靜態(tài)載荷；Wr為后軸靜態(tài)載荷；Cα?為兩個(gè)前輪胎側(cè)偏剛度；Cαr為兩個(gè)后輪胎側(cè)偏剛度；為前懸架的外傾梯度；為后懸架的外傾梯度；為側(cè)傾梯度；Cγ?為前輪胎外傾剛度；Cγr為后輪胎外傾剛度；ε?為前懸架側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)；εr為后懸架側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)；A?為前懸架側(cè)向力轉(zhuǎn)向系數(shù)；Ar為后懸架側(cè)向力轉(zhuǎn)向系數(shù)；C?為前懸架側(cè)向力外傾系數(shù)；Cr為后懸架側(cè)向力外傾系數(shù)；M?為前懸架回正力矩轉(zhuǎn)向系數(shù)；Mr為后懸架回正力矩轉(zhuǎn)向系數(shù)；P為輪胎拖距；Cm?為前懸架回正力矩外傾系數(shù)；Cmr為后懸架回正力矩外傾系數(shù)。

表3 懸架的不足轉(zhuǎn)向度

項(xiàng)目 前懸架 后懸架

輪胎 1.64 -1.25

側(cè)傾外傾 -0.01 0.03

側(cè)傾轉(zhuǎn)向 0.05 0.09

側(cè)向力外傾 0.02 -0.01

側(cè)向力轉(zhuǎn)向 0.24 -0.03

回正力矩外傾 0 0

回正力矩轉(zhuǎn)向 0.83 -0.10

綜合不足轉(zhuǎn)向梯度 2.77 -1.26

經(jīng)計(jì)算新一代車(chē)型的不足轉(zhuǎn)向梯度為1.51°/g，小于整車(chē)目標(biāo)值。因后懸架已沒(méi)有更改的空間，需優(yōu)化前懸架K&C特性，以便滿(mǎn)足整車(chē)不足轉(zhuǎn)向度。通過(guò)分析將前懸架轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點(diǎn)的Z向上移10mm，增大懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)，可滿(mǎn)足整車(chē)不足轉(zhuǎn)向度 >1.9°/g的要求。優(yōu)化后結(jié)果見(jiàn)表4，不足轉(zhuǎn)向度的計(jì)算見(jiàn)表5。

表4 優(yōu)化后懸架的K&C參數(shù)

參數(shù) 前懸架 后懸架

前輪 后輪

側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù) （deg/deg） 0.1092 0.0205

側(cè)傾外傾系數(shù) （deg/deg） -0.7085 0.469

側(cè)向力轉(zhuǎn)向系數(shù)（deg/KN） 0.0235 -0.00423

側(cè)向力外傾系數(shù)（deg/KN） 0.10993 -0.13395

回正力矩轉(zhuǎn)向系數(shù)（deg/100N.m） 0.39505 -0.062126

回正力矩外傾系數(shù)（deg/100N.m） 0.025727 0.0042492

表5 優(yōu)化后懸架的不足轉(zhuǎn)向度

項(xiàng)目 前懸架 后懸架

輪胎 1.64 -1.25

側(cè)傾外傾 -0.01 0.03

側(cè)傾轉(zhuǎn)向 0.55 0.09

側(cè)向力外傾 0.02 -0.01

側(cè)向力轉(zhuǎn)向 0.2 -0.03

回正力矩外傾 0 0

回正力矩轉(zhuǎn)向 0.81 -0.10

綜合不足轉(zhuǎn)向梯度 3.21 -1.26

通過(guò)估算不足轉(zhuǎn)向度，可明確懸架K&C優(yōu)化方向。估算后可知道側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向和回正力矩轉(zhuǎn)向要大于側(cè)傾外傾、側(cè)向力外傾和回正力矩外傾對(duì)不足轉(zhuǎn)向度的影響。這是因?yàn)檐?chē)輪外傾角產(chǎn)生的側(cè)向力要遠(yuǎn)小于側(cè)偏角產(chǎn)生的側(cè)偏力，對(duì)于子午線(xiàn)輪胎，大約10-15度的外傾角產(chǎn)生的側(cè)向力相當(dāng)于1度的側(cè)偏角所產(chǎn)生的側(cè)向力。在進(jìn)行輪胎性能試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向角可看做為側(cè)偏角，且側(cè)偏剛度要大于外傾剛度。

2.3.3仿真計(jì)算。搭建整車(chē)仿真分析模型，擺臂、副車(chē)架和后扭轉(zhuǎn)梁采用柔性化處理，輪胎采用PAC2002模型，經(jīng)分析整車(chē)側(cè)傾度和不足轉(zhuǎn)向度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)驗(yàn)證，建立模型時(shí)部分零部件的柔性化處理，可增大操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)相關(guān)性。整車(chē)仿真模型見(jiàn)圖1。

2.3零部件設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)以上分析結(jié)果，需結(jié)構(gòu)變更的零部件為前轉(zhuǎn)向節(jié)和后扭轉(zhuǎn)梁。進(jìn)行載荷分解，采用慣性釋放的方法仿真分析轉(zhuǎn)向節(jié)和扭轉(zhuǎn)梁滿(mǎn)足零部件的強(qiáng)度要求。轉(zhuǎn)向節(jié)和扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行模態(tài)分析滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。扭轉(zhuǎn)梁的分析結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

3、驗(yàn)證

經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，懸架K&C特性、操縱穩(wěn)定性滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能要求，零部件強(qiáng)度、模態(tài)滿(mǎn)足設(shè)定的目標(biāo)要求。

4、結(jié)論

K&C參數(shù)的設(shè)定是影響整車(chē)操縱穩(wěn)定性的主要影響因素，應(yīng)根據(jù)整車(chē)級(jí)性能目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算分解到系統(tǒng)級(jí)K&C目標(biāo)，達(dá)到設(shè)計(jì)和優(yōu)化整車(chē)性能的目的。

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