懸架特性對(duì)縱向沖擊舒適性的影響研究

姜軍平 孫福祿 辛慶鋒 葉明瑞 張棟江 郭志明

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司 浙江 杭州 311228）

引言

車輛行駛中碰到減速帶時(shí)，懸架向上跳動(dòng)的同時(shí)會(huì)向后縮退，從而對(duì)沖擊力進(jìn)行衰減。懸架向上和向后的位移越大，對(duì)沖擊能量的衰減就越多，傳遞到車身的振動(dòng)就越小，車輛的沖擊舒適性就越好[1-4]。目前，對(duì)于沖擊舒適性的研究比較多。賴欣[5]基于特殊沖擊路面（如凹坑、凸塊、鼓包、斜坡等）進(jìn)行了平順性分析，得出對(duì)于每種特定路面都有一個(gè)最佳車速，使得汽車通過時(shí)垂向振動(dòng)最小。宋年秀等[6]采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未提及的其它脈沖工況（如矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶等）進(jìn)行了仿真對(duì)比，得出在對(duì)汽車的平順性進(jìn)行分析時(shí)，將矩形凸塊或減速帶作為脈沖輸入比較合理。高晉等[7]在考慮副車架的柔性變形下對(duì)沖擊舒適性進(jìn)行了研究，得出副車架的柔性變形可以改善沖擊舒適性。李寧寧等[8]就簧下質(zhì)量對(duì)電動(dòng)汽車沖擊舒適性的影響進(jìn)行了研究，得出質(zhì)心處的最大加速度跟簧下質(zhì)量有關(guān)。

車輛行駛中，車輪碰到減速帶時(shí)，不僅存在垂向沖擊，也存在縱向沖擊。上述研究都是對(duì)垂向沖擊舒適性進(jìn)行研究，沒有考慮縱向沖擊對(duì)舒適性的影響。由于縱向沖擊容易被乘客感知，且對(duì)車輛舒適性的影響非常大，因此，研究縱向沖擊舒適性具有重要的意義。

1 懸架特性對(duì)縱向沖擊舒適性的影響

1.1 沖擊力的衰減機(jī)理

為了改善某車型經(jīng)過減速帶時(shí)的縱向沖擊舒適性，對(duì)車輛經(jīng)過減速帶時(shí)的振動(dòng)衰減機(jī)理進(jìn)行分析。車輛行駛中碰到減速帶時(shí)，車輪向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)向后運(yùn)動(dòng)，通過懸架垂向和縱向的變形對(duì)沖擊力進(jìn)行衰減。懸架變形量越大，沖擊力的衰減就越多。由于懸架上跳行程一般比較大，在70～120 mm 之間，可以對(duì)垂向沖擊力進(jìn)行大幅度衰減。相比懸架上跳行程，懸架縱向行程受襯套厚度和懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的影響，一般比較小，在2～7 mm 之間。當(dāng)懸架縱向變形已到達(dá)極限，而縱向沖擊力還未得到大幅度衰減時(shí)，沖擊能量將直接傳遞到車身，從而使車內(nèi)乘客產(chǎn)生不舒服感。要改善車輛的縱向沖擊舒適性，需要增加懸架受到?jīng)_擊后縱向的退縮量，即懸架的縱向運(yùn)動(dòng)行程。懸架的縱向運(yùn)動(dòng)行程由2 部分構(gòu)成，一部分為懸架上跳過程中車輪自動(dòng)向后產(chǎn)生的行程，跟懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（簡(jiǎn)稱K 特性）有關(guān)；另一部分為懸架受到?jīng)_擊力后在縱向產(chǎn)生的變形，跟懸架的彈性形變（簡(jiǎn)稱C 特性）有關(guān)。

1.2 K 特性下懸架運(yùn)動(dòng)特性分析

研究時(shí)，不考慮懸架運(yùn)動(dòng)過程中襯套變形產(chǎn)生的影響，僅從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析車輪碰到減速帶時(shí)懸架在Z 向、X 向的運(yùn)動(dòng)特性。

當(dāng)車輛行駛中碰到減速帶時(shí)，其運(yùn)動(dòng)特性見圖1。

圖1 K 特性下車輪運(yùn)動(dòng)示意圖

首先，車輪會(huì)繞瞬心向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)向后運(yùn)動(dòng)。將車輪向上運(yùn)動(dòng)的位移記作DZ，DZ的大小由車輪所受垂向沖擊力的大小和懸架剛度的大小決定，垂向沖擊力越大或者懸架剛度越小，則DZ越大；將車輪向后運(yùn)動(dòng)的位移記作DX，DX由懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性即輪心縱向位移隨輪心跳動(dòng)量的變化率和車輪的上跳行程決定。在車輪上跳行程不變的情況下，輪心縱向位移隨輪心跳動(dòng)量的變化率越大，輪心往后移動(dòng)距離越大，越有利于沖擊舒適性的改善；在輪心縱向位移隨輪心跳動(dòng)量的變化率不變的情況下，車輪上跳行程越大，越有利于沖擊舒適性的改善。

1.3 C 特性下懸架運(yùn)動(dòng)特性分析

車輪受到縱向沖擊力后，由于襯套的作用，懸架會(huì)沿著受力方向發(fā)生彈性形變，從而對(duì)沖擊力進(jìn)行衰減。為了形象地說明受到縱向力時(shí)懸架的變形特性，可以近似看作車輛的輪心處安裝有襯套，見圖2。

圖2 C 特性下車輪運(yùn)動(dòng)示意圖

當(dāng)受到縱向力作用時(shí)，襯套沿著受力方向發(fā)生變形，帶動(dòng)車輪向后移動(dòng)，從而對(duì)沖擊力進(jìn)行衰減。將車輪向后運(yùn)動(dòng)的位移記作DX1，DX1越大，越有利于沖擊舒適性的改善。本文的懸架C 特性僅研究受到縱向力后懸架的縱向變形，不考慮懸架跳動(dòng)所產(chǎn)生的縱向形變，跟常規(guī)的懸架C 特性有所區(qū)別。

2 仿真模型的搭建

2.1 前懸架模型的搭建

為了研究懸架特性對(duì)縱向沖擊舒適性的影響，在ADAMS 中分別搭建僅具有K 特性的前懸架模型和僅具有C 特性的前懸架模型。

搭建僅具有K 特性的懸架模型時(shí)，不考慮襯套的影響。因此，在建模時(shí)，懸架各部件之間采用鉸鏈進(jìn)行連接，對(duì)采用鉸鏈連接的2 個(gè)部件分別用I part 和J part 表示，懸架中各部件之間的鏈接關(guān)系見表1。

表1 鏈接關(guān)系表

搭建僅具有C 特性的懸架模型時(shí)，懸架各部件之間采用襯套進(jìn)行連接，襯套的空心方向、安裝角度保持跟實(shí)車一致，通過調(diào)整擺臂后點(diǎn)Z 向坐標(biāo)，使輪心縱向位移隨輪心跳動(dòng)量的變化率近似為0。此時(shí)，車輪跳動(dòng)過程中，在縱向產(chǎn)生的位移是0，縱向的位移量可以看作完全由襯套變形引起。

2.2 整車模型的搭建

在ADAMS 中分別搭建轉(zhuǎn)向、車輪、車身、動(dòng)力系統(tǒng)和后懸架的模型，并基于前期搭建的前懸架模型，在裝配模塊分別搭建前懸架為K 特性的整車模型和前懸架為C 特性的整車模型。其中，進(jìn)行車輪模型搭建時(shí)，考慮到路面激勵(lì)的輸入頻率比較高，輪胎選用Ftire 模型。

Ftire 模型屬于典型的物理模型，適用于時(shí)域范圍內(nèi)高頻（200 Hz）路面的激勵(lì)分析，一般用于操縱穩(wěn)定性、平順性、耐久性分析。用于平順性研究的Ftire模型主要由力學(xué)結(jié)構(gòu)模型和胎面模型構(gòu)成。其中，力學(xué)結(jié)構(gòu)模型主要由帶束（原理圖見圖3）、胎體和胎圈組成，相互之間用彈簧、阻尼、摩擦單元進(jìn)行連接。

圖3 帶束節(jié)點(diǎn)與輪輞之間連接示意圖

帶束單元在平面內(nèi)和平面外與鄰近單元通過彎曲彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行連接，其自由度示意圖如圖4所示。

圖4 帶束單元的自由度示意圖

胎面模型由無質(zhì)量的接觸、摩擦單元組成，主要用來描述輪胎在不同路面條件下的接觸情況以及計(jì)算輪胎在路面接地印跡區(qū)的壓力分布和摩擦力[9-10]。

3 懸架K&C 仿真

3.1 車輪平行跳動(dòng)仿真

為了研究懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和彈性形變特性對(duì)沖擊舒適性的影響，在K 特性和C 特性下分別進(jìn)行懸架平行跳動(dòng)仿真，分析懸架跳動(dòng)過程中輪心縱向位移的變化量，見圖5。圖中，橫坐標(biāo)的負(fù)數(shù)表示向下跳動(dòng)量，正數(shù)表示向上跳動(dòng)量。

圖5 輪心縱向位移隨輪心跳動(dòng)量的變化

由圖5 可以看出，K 特性下，車輪上跳60 mm后，輪心向后移動(dòng)1.56 mm；C 特性下，車輪上跳60 mm后，輪心向后移動(dòng)1.67 mm。通過對(duì)比可以得出，車輪上跳過程中，由于襯套變形導(dǎo)致輪心向后移動(dòng)了0.11 mm。相比跳動(dòng)過程中向后移動(dòng)的總行程，襯套的貢獻(xiàn)量不大。因此可得出，車輪跳動(dòng)過程中，縱向行程主要是由懸架K 特性，即布置結(jié)構(gòu)決定。

3.2 車輪縱向力加載仿真

分別在K 特性和C 特性下進(jìn)行縱向力加載仿真，分析輪心縱向位移的變化量，見圖6。圖中，橫坐標(biāo)的負(fù)數(shù)表示向后加載的縱向力，正數(shù)表示向前加載的縱向力。

圖6 輪心縱向位移隨縱向力的變化

由圖6 可以看出，在K 特性下，縱向力加載對(duì)輪心縱向位移的變化沒有影響。C 特性下，向后加載4 000 N 的縱向力，輪心向后移動(dòng)4.58 mm。因此可得出，懸架受到縱向沖擊力作用時(shí)，對(duì)沖擊舒適性的改善主要是由襯套決定的，懸架的布置結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)量不大。

4 脈沖路面平順性仿真

在ADAMS 中按GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》的要求搭建三角凸塊路面，用來模擬減速帶，并進(jìn)行仿真，見圖7。以駕駛員腳底板處垂向、縱向加速度最大值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)前懸架在K 特性和C 特性下對(duì)沖擊舒適性的影響。

圖7 脈沖路面仿真模型

圖8 和圖9 分別為車輛以典型車速40 km/h 經(jīng)過減速帶時(shí)駕駛員腳底板處縱向加速度變化曲線和輪心處受到的縱向力變化曲線，圖10 為不同車速下駕駛員腳底板處縱向加速度最大值的對(duì)比曲線。

從圖8 可以看出，K 特性下，縱向加速度的最大值比C 特性下大很多。從圖9 可以看出，K 特性下，輪心處受到的縱向力最大值比C 特性下大很多。從圖10 可以看出，K 特性下，縱向加速度的最大值比C特性下大，隨著車速的增加，2 者的差距增大。原因是C 特性下縱向產(chǎn)生的位移量比K 特性下大，導(dǎo)致懸架在C 特性下對(duì)縱向沖擊舒適性的改善比K 特性下好。

圖8 駕駛員腳底板處縱向加速度隨時(shí)間的變化

圖9 輪心處受到的縱向力隨時(shí)間的變化

圖10 縱向加速度最大值隨車速的變化

圖11 和圖12 分別為車輛以典型車速40 km/h經(jīng)過減速帶時(shí)駕駛員腳底板處垂向加速度變化曲線和輪心處受到的垂向力變化曲線，圖13 為不同車速下駕駛員腳底板處垂向加速度最大值的對(duì)比曲線。

圖11 駕駛員腳底板處垂向加速度隨時(shí)間的變化

圖12 輪心處受到的垂向力隨時(shí)間的變化

圖13 垂向加速度最大值隨車速變化

從圖11 可以看出，C 特性下，垂向加速度的最大值比K 特性下稍大一些。從圖12 可以看出，C 特性下，輪心處受到的垂向力與K 特性下差別不大。從圖13 可以看出，C 特性下，垂向加速度的最大值比K特性下大一些，隨著車速的增加，2 者的差距并沒有增大。原因是C 特性下，襯套剛度對(duì)懸架垂向剛度有貢獻(xiàn)量，導(dǎo)致C 特性下懸架剛度比K 特性下大。因此，懸架在K 特性下對(duì)垂向沖擊舒適性的改善比C特性下稍好一些。

通過對(duì)比受到?jīng)_擊后駕駛員腳底板處縱向、垂向加速度以及前輪受到的縱向和垂向沖擊力后得出，襯套對(duì)車輛縱向沖擊的衰減比懸架硬點(diǎn)（決定懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的點(diǎn)）顯著。要提高整車縱向沖擊舒適性，調(diào)整襯套比調(diào)整懸架硬點(diǎn)效果明顯。調(diào)整襯套時(shí)，需要考慮對(duì)懸架垂向剛度的影響，否則會(huì)導(dǎo)致懸架垂向的沖擊舒適性變差。

5 結(jié)論

本文就懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和彈性形變特性對(duì)縱向沖擊舒適性的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1）車輪跳動(dòng)過程中，懸架縱向的縮退量主要由懸架硬點(diǎn)決定，襯套的貢獻(xiàn)量不大。車輪受到縱向的沖擊力時(shí)，懸架縱向的縮退量主要由襯套決定，懸架硬點(diǎn)的貢獻(xiàn)量不大。

2）要提高整車縱向沖擊舒適性，調(diào)整襯套比調(diào)整懸架硬點(diǎn)效果明顯。

3）不同的汽車懸架結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)過程中，其對(duì)沖擊舒適性的改善機(jī)理是相同的，故當(dāng)前的研究結(jié)論適用于所有的汽車懸架結(jié)構(gòu)。