某輕型客車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)優(yōu)化

景立新+吳利廣+李飛

摘 要：某輕型客車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于受雙橫臂前懸架配氣壓制動(dòng)系統(tǒng)、低地板等條件要求限制，懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均無(wú)法參考對(duì)標(biāo)車(chē)設(shè)計(jì)，底盤(pán)硬點(diǎn)及底盤(pán)零部件需要全新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。通過(guò)分析對(duì)標(biāo)車(chē)性能的優(yōu)缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中優(yōu)化了前懸架主銷(xiāo)定位參數(shù)、K&C特性、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)布置及后懸架K特性以提供車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性能，配合后期底盤(pán)調(diào)校工作使開(kāi)發(fā)車(chē)型性能最終達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：雙橫臂懸架；氣壓制動(dòng)；懸架K&C；操縱穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）06-0060-05

Abstract： During the development process of a light bus， due to the limits of double wishbone front suspension with air brake system， low floor， suspension system and steering system were unable to reference the benchmarking bus， chassis hard points and components had to be redesign. By analyzing the advantages and disadvantages of the benchmarking bus， in the development of the new product ，we optimized the front suspension kingpin parameters， K & C characteristics， layout of steering transmission system and rear suspension K characteristics which can improve the vehicle handling stability performance， in late chassis turning ，we achieved the goal of the vehicle performance.

Key Words： wishbone suspension； air brake system； suspension K&C； handling stability

1 前言

汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)過(guò)程需要解決布置、性能、耐久等關(guān)鍵技術(shù)，

某輕型客車(chē)底盤(pán)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要滿足以下設(shè)計(jì)要求：1、雙橫臂前懸架配氣壓制動(dòng)；2、后鋼板彈簧非獨(dú)立懸架；3、車(chē)身二級(jí)踏步（前地板高度630mm）4、操縱穩(wěn)定性及平順性性能對(duì)標(biāo)某一上市車(chē)型。由于目前市場(chǎng)上尚無(wú)此配置車(chē)型，因此底盤(pán)需要全新的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，在保證底盤(pán)性能的同時(shí)還要保證底盤(pán)零部件的耐久可靠性要求。前懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 底盤(pán)布置

由于采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向節(jié)位置需要配置一個(gè)尺寸較大的氣室，且在轉(zhuǎn)向過(guò)程中與轉(zhuǎn)向節(jié)一起旋轉(zhuǎn)，需要與上下擺臂、轉(zhuǎn)向拉桿、減振器保持足夠的空間，因而對(duì)底盤(pán)布置、運(yùn)動(dòng)間隙校核及零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。對(duì)標(biāo)車(chē)雙橫臂前懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示：

由于車(chē)身二級(jí)踏步及車(chē)身縱梁成形要求，雙橫臂懸架的扭桿彈簧只能安裝在下擺臂上，為滿足強(qiáng)度要求需要重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)于雙橫臂懸架，上下擺臂外球鉸點(diǎn)連線即為懸架主銷(xiāo)，其在YZ平面及XZ平面投影相對(duì)Z軸的夾角即為主銷(xiāo)內(nèi)傾角及后傾角；主銷(xiāo)穿地點(diǎn)與輪胎接地點(diǎn)在YZ平面及XZ平面的投影距離即為主銷(xiāo)偏移距及后傾拖距；輪胎中心與主銷(xiāo)軸線在YZ平面的投影距離即為縱向力臂[1]。

主銷(xiāo)內(nèi)傾角對(duì)車(chē)輛的重力回正有顯著影響；主銷(xiāo)后傾角及后傾拖距對(duì)車(chē)輛的側(cè)向力回正及高速穩(wěn)定性有顯著影響[2]；主銷(xiāo)偏移距對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性有顯著影響，一般的設(shè)計(jì)范圍為-10至5mm；縱向力臂對(duì)車(chē)輛的力矩轉(zhuǎn)向（加減速工況）特性有顯著影響[3]，一般設(shè)計(jì)范圍為小于75mm。

通過(guò)對(duì)標(biāo)車(chē)的主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)車(chē)回正能力及高速穩(wěn)定性能較差，為改進(jìn)此方面性能，設(shè)計(jì)過(guò)程中將主銷(xiāo)后傾角及后傾拖距增大；設(shè)計(jì)中由于氣室的空間限制，主銷(xiāo)偏移距采用最小化設(shè)計(jì)；同樣由于氣室的空間限制，縱向力臂采用最小化設(shè)計(jì)，如表1所示：

3 性能優(yōu)化

通過(guò)對(duì)標(biāo)車(chē)的客觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)車(chē)很多K&C特性并不是很理想，如前懸架Roll camber大于1（外傾角隨車(chē)輪上跳而增大）、后懸架Roll steer趨勢(shì)過(guò)大及前懸架側(cè)向力剛度過(guò)低等。針對(duì)以上問(wèn)題通過(guò)多體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，調(diào)整懸架硬點(diǎn)及襯套剛度，對(duì)懸架K&C進(jìn)行優(yōu)化。

懸架K&C優(yōu)化遵循以下原則：盡量減小后軸的過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，增大其等效側(cè)偏剛度，提高車(chē)輛的側(cè)向響應(yīng)特性及穩(wěn)定性；提高懸架側(cè)向力剛度，提高車(chē)輛的側(cè)向響應(yīng)特性；降低懸架的縱向剛度，改善車(chē)輛的舒適性；優(yōu)化前后懸架剛度，使前后懸架偏頻匹配；優(yōu)化前后懸架側(cè)向中心高度及側(cè)傾剛度，使整車(chē)的側(cè)傾梯度及輪胎側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)（TLLTD）合理等。

對(duì)于雙橫臂懸架，外傾角隨輪跳的變化趨勢(shì)取決于上下擺臂的相對(duì)長(zhǎng)度及傾斜角度，如圖3所示，如輪跳時(shí)上擺臂外點(diǎn)相對(duì)下擺臂外點(diǎn)內(nèi)移，則外傾角減小；如輪跳時(shí)上擺臂外點(diǎn)相對(duì)下擺臂外點(diǎn)外移，則外傾角增大；為滿足輪跳時(shí)外傾角減小的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)中調(diào)整了上擺臂的長(zhǎng)度及傾斜角度[4]。

對(duì)標(biāo)車(chē)后懸架側(cè)傾軸轉(zhuǎn)向較嚴(yán)重，降低了整車(chē)的瞬態(tài)響應(yīng)特性及穩(wěn)定性，為改進(jìn)此方面性能，設(shè)計(jì)過(guò)程中將鋼板彈簧前安裝點(diǎn)位置降低[5]，但為了不影響離地間隙，前安裝點(diǎn)不能太低，這導(dǎo)致后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向還是有過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，如圖4所示：

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于布置原因，底盤(pán)零部件需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，除需要滿足底盤(pán)性能及零部件之間的運(yùn)動(dòng)間隙外，還需要滿足強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)中采用靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度工況進(jìn)行校核，具體工況見(jiàn)表3（表中六個(gè)工況及對(duì)應(yīng)的各方向慣性載荷系數(shù)為某公司在平臺(tái)車(chē)型設(shè)計(jì)過(guò)程中積累及修正后的值，并根據(jù)可靠性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證）。強(qiáng)度分析中將整個(gè)懸架系統(tǒng)在有限元軟件中建模，設(shè)置各零部件之間的約束關(guān)系，通過(guò)在車(chē)輪上加載靜態(tài)載荷來(lái)分析各工況下零部件的應(yīng)力水平，只有滿足強(qiáng)度要求，零部件結(jié)構(gòu)才能初步確定，而疲勞耐久特性還需在后期進(jìn)一步驗(yàn)證[7]。圖7與圖8分別為前懸架上、下擺臂有限元分析結(jié)果。

5 樣車(chē)驗(yàn)證

樣車(chē)試制階段對(duì)懸架硬點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，樣車(chē)完成后首先進(jìn)行檢查驗(yàn)證工作。

1、進(jìn)行四輪定位調(diào)整；

2、進(jìn)行懸架K&C特性測(cè)試；

四輪定位主要是為了保證車(chē)輛的初始定位參數(shù)正確，是進(jìn)行后續(xù)工作的基礎(chǔ)。懸架K&C測(cè)試用于檢查樣車(chē)是否滿足設(shè)計(jì)意圖，并可檢測(cè)車(chē)輛制造過(guò)程中左右懸架的對(duì)稱(chēng)性。圖9為懸架K&C測(cè)試過(guò)程。

K&C測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)階段相關(guān)參數(shù)。圖10～圖16列出了各曲線詳細(xì)對(duì)比。包括：驗(yàn)證了前懸架Roll camber設(shè)計(jì)，使前外車(chē)輪側(cè)傾時(shí)外傾角減?。▓D中紅色曲線為樣車(chē)，藍(lán)色曲線為對(duì)標(biāo)車(chē)，下同），有利于提高車(chē)輛的極限性能；驗(yàn)證了后懸架Roll steer設(shè)計(jì)，后軸過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)減小，有利于整車(chē)響應(yīng)特性及穩(wěn)定性；驗(yàn)證了前懸架側(cè)向力剛度設(shè)計(jì)，使樣車(chē)剛度增加，有利于車(chē)輛的側(cè)向響應(yīng)特性；驗(yàn)證了主銷(xiāo)后傾角及后傾拖距設(shè)計(jì)，通過(guò)硬點(diǎn)調(diào)整達(dá)到目標(biāo)值；主銷(xiāo)偏移距及縱向力臂與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，為最小化設(shè)計(jì)，有利制動(dòng)穩(wěn)定性及力矩轉(zhuǎn)向特性。

6 樣車(chē)調(diào)校

樣車(chē)驗(yàn)證工作證明了樣車(chē)制造與設(shè)計(jì)的一致性，隨后則開(kāi)展底盤(pán)調(diào)校工作。底盤(pán)調(diào)校工作主要是根據(jù)主觀專(zhuān)家的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)懸架彈簧、穩(wěn)定桿、橡膠襯套及減振器特性進(jìn)行多輪的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)操縱穩(wěn)定性及平順性的提升及平衡[8] [9]。

本車(chē)底盤(pán)調(diào)校由某國(guó)際專(zhuān)家完成，調(diào)校場(chǎng)地選擇襄樊汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)，調(diào)校過(guò)程中減振器供應(yīng)商及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商配合樣件性能調(diào)整。

調(diào)校后主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖17所示。開(kāi)發(fā)樣車(chē)在操縱穩(wěn)定方面優(yōu)于對(duì)標(biāo)車(chē)，特別是在高速穩(wěn)定性及回正特性方面；開(kāi)發(fā)樣車(chē)舒適性低于對(duì)標(biāo)車(chē)，主要是由于簧下質(zhì)量相對(duì)對(duì)標(biāo)車(chē)增加40%，造成平順性下降。

底盤(pán)調(diào)校后對(duì)樣車(chē)進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中底盤(pán)零部件沒(méi)有出現(xiàn)明顯的疲勞失效，證明零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足可靠性要求。

7 總結(jié)

在該車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要滿足氣壓制動(dòng)等先決條件，造成底盤(pán)硬點(diǎn)及零部件需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)；通過(guò)參考對(duì)標(biāo)車(chē)的特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)車(chē)部分參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化，從而可提供車(chē)輛的某些性能；利用多體動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化了懸架的K&C特性進(jìn)而獲得相應(yīng)的硬點(diǎn)位置、橡膠襯套剛度；利用有限元分析，在前期分析優(yōu)化底盤(pán)零部件以滿足經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度工況，通過(guò)過(guò)去的可靠性試驗(yàn)證明了方法的有效性；利用K&C等設(shè)備檢查驗(yàn)證樣車(chē)制造與設(shè)計(jì)的一致性，并可檢查樣車(chē)制動(dòng)的左右對(duì)稱(chēng)性；通過(guò)底盤(pán)調(diào)校來(lái)調(diào)整彈性元件以獲得操縱穩(wěn)定性及平順性的提升及平衡；樣車(chē)的整車(chē)性能達(dá)到了開(kāi)發(fā)目標(biāo)，證明了開(kāi)發(fā)過(guò)程的有效性，為之后的底盤(pán)開(kāi)發(fā)提供的思路。

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