基于平臺(tái)化開發(fā)的懸架動(dòng)力學(xué)分析

王光飛，王浩

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

在當(dāng)前汽車更新?lián)Q代日益加速的背景下，如何在開發(fā)過(guò)程中使用相似的底盤和下車體，承載不同車型的開發(fā)及生產(chǎn)制造，獲得造型和功能不盡相同的產(chǎn)品受到了各大主機(jī)廠廣泛的關(guān)注。因此汽車平臺(tái)化﹑模塊化開發(fā)的運(yùn)用，一方面可以有效降低技術(shù)中存在的問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的可靠性﹑降低了產(chǎn)品的故障率，另一方面，通過(guò)平臺(tái)化方案建立了統(tǒng)一的開發(fā)思路，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品開發(fā)效率﹑減少了開發(fā)需要的周期。平臺(tái)化戰(zhàn)略是產(chǎn)品集群化﹑系統(tǒng)化的高度集成，如何提高零部件的通用型，盡可能實(shí)現(xiàn)零部件的共享，結(jié)合客戶對(duì)產(chǎn)品不斷豐富多彩的市場(chǎng)需求，開發(fā)出具有差異化的車型，是當(dāng)前需要克服的難題。懸架是連接車身（車架）和車輪（車軸）的彈性構(gòu)件，是保證汽車的行駛舒適性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在汽車行駛過(guò)程中，懸架既能抵消減弱路面不平帶來(lái)的生硬沖擊，又能確保車身的橫向和縱向穩(wěn)定性，使車輛在懸架設(shè)計(jì)的自由行程內(nèi)時(shí)刻都可以保持一個(gè)較大范圍的動(dòng)態(tài)可控姿態(tài)。因此，懸架是關(guān)系到車輛操控性和舒適性的重要組成部件之一。因此，如何盡可能使用統(tǒng)一的懸架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)整車寬度的不同的差異化需求是當(dāng)前平臺(tái)化中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文基于平臺(tái)化開發(fā)方案過(guò)程中的輪距加大為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)建立懸架理論模型模擬變化情況，對(duì)比方案前后的性能特征，充分說(shuō)明了平臺(tái)化方案中加長(zhǎng)擺臂和轉(zhuǎn)向拉桿對(duì)懸架KC性能的影響，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了建立模型的準(zhǔn)確性及優(yōu)化結(jié)果的可行性，后期的平臺(tái)化開發(fā)提供了指導(dǎo)作用。

1 模型建立

1.1 麥弗遜懸架數(shù)學(xué)模型

本文說(shuō)明的平臺(tái)化基于麥弗遜式獨(dú)立懸架為例，為了說(shuō)明空間拓?fù)潢P(guān)系如下圖1表示，圖中G為車輪中心點(diǎn)，H為車輪接地點(diǎn)， C為下擺臂球鉸點(diǎn)，D為懸架上端固定點(diǎn)球銷中心， A、B為下擺臂前、后兩鉸點(diǎn)， F為減震器軸線與車輪軸線交點(diǎn)， P為主銷軸線與車輪軸線在后視圖上的交點(diǎn)。D、M、A、B四點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持不變，其坐標(biāo)可由設(shè)計(jì)圖紙確定，即D(xd，yd，zd)、M(xm，ym，zm)、A(xa，ya，za)、B(xb，yb，zb)、C點(diǎn)和 E 點(diǎn)的初始安裝位置可由設(shè)計(jì)圖紙確定為 C(xc0，yc0，zc0)、E(xe0，ye0，ze0)。

圖1 麥弗遜式獨(dú)立懸架空間拓?fù)鋱D

根據(jù)懸架各參數(shù)及輸入坐標(biāo)即可獲取各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，例如輪心C點(diǎn)坐標(biāo)獲取方法如下：

軸線AB：

垂直AB 過(guò)點(diǎn)C 的平面方程為：

式中：

解方程(1)和(2)可得O(xO，yO，zO)的坐標(biāo)

則懸架各參數(shù)獲得如下(為例)：

主銷后傾角

主銷內(nèi)傾角

車輪外傾角

前輪前束量

1.2 方案說(shuō)明

在底盤平臺(tái)化開發(fā)過(guò)程中，對(duì)于懸架結(jié)構(gòu)需要盡可能保證通用，但是通過(guò)輪輞偏距的修改已經(jīng)無(wú)法滿足差異較大的不同尺寸的輪距變化時(shí)，只能通過(guò)修改零部件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由于整車設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中對(duì)于整車姿態(tài)的需求，同時(shí)還要考慮輪心上下運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸布置的可行性，因此一般只能通過(guò)對(duì)下擺臂和轉(zhuǎn)向拉桿已經(jīng)穩(wěn)定桿在Y向的尺寸變化（即Y點(diǎn)坐標(biāo)值的變化），減震器（含彈簧）也需要一并外移，只是位置移動(dòng)不需要修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，另外還要考慮輪距加寬后更換大輪胎。如下圖2示意。

圖2 麥弗遜式獨(dú)立懸架加寬示意圖

1.3 硬點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)提供的整車架構(gòu)尺寸、各零部件硬點(diǎn)、根據(jù)數(shù)學(xué)理論可以計(jì)算出有影響的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)變化情況，下表只給出有變化的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的變化坐標(biāo)值（因?yàn)橹挥衁向有變化，只列舉出Y坐標(biāo)值），見表1。

表1

2 動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)該數(shù)學(xué)模型輸入輪心上下跳動(dòng)量，進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn)。雙輪同向輪跳從-50～+50mm，針對(duì)變化的參數(shù)初步識(shí)別出可能有影響的性能指標(biāo)，側(cè)傾 中心高度、輪距變化量、主銷后傾角、內(nèi)傾角等均有變化，依次測(cè)取前束角和外傾角等變化曲線。

圖3 主銷后傾角變化值（o）

圖4 主銷內(nèi)傾角變化值（o）

圖5 主銷后傾拖（mm）

圖6 主銷偏移距（mm）

圖7 側(cè)傾中心高度變化（mm）

圖8 總輪距變化（mm）

上圖中，虛線為加寬后的方案曲線，由上圖可得以下結(jié)論：（1）各參數(shù)均在變動(dòng)要求范圍內(nèi)。（2）后傾角和后傾拖距增加約 2%，提高了高速回正能力，但同時(shí)也會(huì)增加行駛過(guò)程側(cè)向隨機(jī)路面輸入對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊力，不過(guò)影響很小。（3）主銷內(nèi)傾角和偏移距均有所降低，相對(duì)于加寬前會(huì)降低低速回正性能，但是由于后傾角較大影響基本可以忽略不計(jì)。（4）加寬前后對(duì)側(cè)傾中心高度和輪距基本沒影響。結(jié)合以上分析，可得知：通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化方案對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響很小，可以實(shí)現(xiàn)不同車型的尺寸需求。但是增加的零部件尺寸需要對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核確認(rèn)，給平臺(tái)化提供了一定的方向。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)開發(fā)階段試制階段的麥弗遜懸架進(jìn)行測(cè)試，更換改制加長(zhǎng)的擺臂和拉桿，本文所使用的JLU-I型整車單軸懸架 K&C特性參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)是把整車的懸架性能道路試驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)架試驗(yàn)的一種技術(shù)裝備，它避免了實(shí)際懸架部件的拆卸，而將整車與臺(tái)架試驗(yàn)條件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，大大提高了試驗(yàn)效率。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如下圖9所示。試驗(yàn)使用在研車型。未能給出實(shí)圖。

圖9 圖JLU-I型整車單軸懸架測(cè)量實(shí)物

試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)比如下表2：

表2

從上圖可發(fā)現(xiàn)，1.理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，不考慮曲線倆端時(shí)能完全反應(yīng)試驗(yàn)情況，說(shuō)明了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為平臺(tái)化理論分析提供試驗(yàn)支撐。

4 結(jié)論

本文提出了平臺(tái)化方案的變動(dòng)情況，通過(guò)麥弗遜懸架為例建立了數(shù)學(xué)分析模型，通過(guò)初步識(shí)別的影響性能進(jìn)行分析確認(rèn)，結(jié)果表明變動(dòng)前后對(duì)懸架動(dòng)力學(xué)的影響比較小可以忽略不計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了分析模型的準(zhǔn)確性，為后期的平臺(tái)化提供了方向，但是由于平臺(tái)尺寸變動(dòng)的比較小，不能完全說(shuō)明尺寸變化較大時(shí)的性能情況，還需要進(jìn)一步的研究。