懸架K特性分析

闞國(guó)慶，徐申敏，周 軍，張 慶，劉振華

（奇瑞新能源汽車(chē)股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)（Kinematics and Compliance, K&C）特性，包括幾何運(yùn)行學(xué)（K特性）和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)（C特性）兩部分。K特性指車(chē)輪垂向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下，車(chē)輪平面和輪心點(diǎn)處產(chǎn)生的角位移及線性位移變化的特性，主要根據(jù)懸架各部件的幾何硬點(diǎn)位置及尺寸，在不考慮受力、重量及慣量的前期下，對(duì)懸架的運(yùn)行特性進(jìn)行分析。C特性指特定工況下地面作用于輪胎上的力及力矩，使車(chē)輪平面和輪心處產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，主要對(duì)懸架部件的受力變形和剛度作用的分析，分析懸架在受力狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

在汽車(chē)操穩(wěn)性能開(kāi)發(fā)中，通常包括計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Charging, CAE）虛擬仿真、K&C試驗(yàn)和實(shí)車(chē)調(diào)校三階段，其中懸架K&C分析主要作用是幫助確認(rèn)懸架硬點(diǎn)設(shè)置的合理性及懸架各部件的剛度、重量、尺寸等設(shè)計(jì)的合理性，在整個(gè)操穩(wěn)性能開(kāi)發(fā)周期中均發(fā)揮重要作用，在產(chǎn)品初期可用于指導(dǎo)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在競(jìng)品研究階段用于解析懸架運(yùn)動(dòng)性能，在不同樣件調(diào)校階段可指導(dǎo)底盤(pán)調(diào)校工作[1]。因此，一個(gè)準(zhǔn)確的K&C推薦方向?qū)τ诘妆P(pán)的設(shè)計(jì)和調(diào)校都有至關(guān)重要的意義。

1 K&C試驗(yàn)

K&C試驗(yàn)需在K&C臺(tái)架上進(jìn)行，K&C臺(tái)架作用為在試驗(yàn)臺(tái)架上模擬汽車(chē)在行駛過(guò)程中懸架受到輪胎運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的懸架變形，該臺(tái)架主要模擬汽車(chē)運(yùn)動(dòng)輸入（K特性）和力輸入（C特性）下的懸架和車(chē)身力、角度、位移等參數(shù)變化，有雙軸式和單軸式臺(tái)架兩種，雙軸式K&C臺(tái)架一次性可同時(shí)測(cè)試前軸和后軸，試驗(yàn)臺(tái)的核心為測(cè)量系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)，分別控制參數(shù)測(cè)量和整車(chē) 運(yùn)動(dòng)，單個(gè)K&C試驗(yàn)臺(tái)單價(jià)成本在千萬(wàn)以上，試驗(yàn)安裝圖見(jiàn)圖1。

圖1 K&C試驗(yàn)安裝圖

該臺(tái)架主要包括測(cè)量系統(tǒng)、車(chē)輪平臺(tái)、車(chē)身框架和慣性測(cè)量系統(tǒng)四部分。測(cè)量系統(tǒng)由各種傳感器組合而成，用來(lái)測(cè)量各個(gè)工況下車(chē)輪定位參數(shù)的變化，包括位置、力、力矩和角度等。車(chē)輪平臺(tái)由四個(gè)組合而成，見(jiàn)圖2，用來(lái)固定四個(gè)車(chē)輪并提供相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，車(chē)身框架配合工裝使用可以固定車(chē)身，配合平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛整體輪跳、側(cè)傾、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，慣性測(cè)量系統(tǒng)由各種控制柜、液壓伺服系統(tǒng)和電腦組合而成，其中液壓伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)車(chē)輪的側(cè)向、縱向、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖2 車(chē)輪平臺(tái)局部示意圖

目前生產(chǎn)K&C臺(tái)架的廠家主要有美國(guó)MTS、英國(guó)ABD和中國(guó)孔輝等，常用的6種工況和參數(shù)范圍見(jiàn)表1，本文主要介紹輪跳、側(cè)傾和轉(zhuǎn)向三種K特性工況。

表1 K&C試驗(yàn)工況

2 K特性

本文主要介紹一款乘用運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（Sport Utility Vehicle, SUV）車(chē)型K特性試驗(yàn)結(jié)果，前懸架為麥弗遜形式，后懸架為多連桿形式，主要說(shuō)明K特性工況和重點(diǎn)試驗(yàn)曲線的解讀。

2.1 平行輪跳

試驗(yàn)前用夾具工裝將車(chē)身部分固定，四個(gè)車(chē)輪安裝固定在四個(gè)平臺(tái)上，給車(chē)輪施加垂直力，讓車(chē)輪沿垂直上下方向跳動(dòng)，需左右車(chē)輪同時(shí)施加垂直力，保證水平方向的力為零，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試懸架位移、角度、力等，從而得出相關(guān)參數(shù)。K&C試驗(yàn)一輪可測(cè)上百組數(shù)據(jù)，本文只針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注部分進(jìn)行說(shuō)明。

2.1.1 剛度

剛度為位移與力的關(guān)系（見(jiàn)表2），在車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)，主要關(guān)注懸架垂向剛度，其中包括行駛剛度和懸架剛度兩種，兩種測(cè)量剛度的測(cè)量方式不同。懸架剛度測(cè)量點(diǎn)為輪心處，包括彈簧、減振器和車(chē)身連接處垂向剛度，行駛剛度測(cè)量點(diǎn)為輪胎接地點(diǎn)，在懸架剛度的基礎(chǔ)上增加輪胎垂向剛度，通常比懸架剛度要小。懸架剛度和行駛剛度沒(méi)有一個(gè)推薦范圍，每個(gè)車(chē)型定位不同，剛度值也不一樣，如果懸架剛度過(guò)大，懸架較硬，有利于操縱、穩(wěn)定性，不利于平順性。如果懸架 剛度過(guò)小，懸架較軟，不利于操縱、穩(wěn)定性，有利于平順性，懸架剛度值的大小直接決定整車(chē)偏頻的高低。

表2 Bounce工況剛度表

在剛度曲線中（見(jiàn)圖3），當(dāng)車(chē)輪垂向位移為0時(shí)縱坐標(biāo)垂向力對(duì)應(yīng)的值為懸架摩擦（N），平順性的重要指標(biāo)越小越好，主要影響小振動(dòng)小沖擊，目前主要在200～500 N之間。

圖3 行駛剛度參數(shù)圖

2.1.2 角度

在汽車(chē)上下跳動(dòng)時(shí)，主要關(guān)注前束角和外傾角的變化（見(jiàn)表3），車(chē)輪前束可以抵消由于外傾角的存在而導(dǎo)致的輪胎磨損[2]。原則為前束變化前負(fù)后正，理論上無(wú)論車(chē)輪上跳還是下跳時(shí)，前束角都不應(yīng)有較大變化。否則，汽車(chē)在不平路面直線行駛時(shí)，由于車(chē)輪上、下跳動(dòng)所產(chǎn)生的前束角變化會(huì)破壞汽車(chē)的直線行駛性能，變化越小對(duì)直線穩(wěn)定性越好。當(dāng)前懸架輪跳值偏大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛轉(zhuǎn)向不足過(guò)大，通常推薦值為?（4～7）°/m左右[3]。

表3 Bounce工況角度表

外傾角在理想情況下為0，越小對(duì)直線行駛的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)越大，但由于懸架設(shè)計(jì)的固有特性，通常情況下多少有些變化，這時(shí)候最好前后懸架的外傾角變化越接近越好，外傾角變化率通常為?35～?10 deg/m。

2.1.3 位移變化

在汽車(chē)上下跳動(dòng)時(shí)，位移方面主要關(guān)注輪心縱向位移變化（見(jiàn)表4），簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)輪輪心的跟隨性能，理想狀態(tài)下當(dāng)車(chē)輪上跳時(shí)，為減少對(duì)乘員的沖擊，輪心應(yīng)該向后移動(dòng)。后輪過(guò)沖擊時(shí)，若后輪具有往后方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，即輪心縱向位移變化率為負(fù)值，對(duì)平順性有利（圖4），后輪平行輪跳時(shí)輪心縱向位移變化率為正值，表示后輪受沖擊上跳時(shí)有向前上方的沖擊力傳遞，是影響后懸過(guò) 減速帶時(shí)車(chē)身的沖擊感太強(qiáng)的主要因素[4]。推薦范圍：前軸輪心縱向位移變化率＜10 mm/m，后軸在?200～?100 mm/m之間。

表4 Bounce工況位移表

圖4 輪心縱向位移參數(shù)圖

2.2 側(cè)傾工況

側(cè)傾運(yùn)動(dòng)和平行跳動(dòng)不同，此時(shí)需要左右兩側(cè)車(chē)輪反方向跳動(dòng)，一側(cè)向上一側(cè)向下，模擬汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，通常為測(cè)試有無(wú)穩(wěn)定桿兩種試驗(yàn)工況，兩種工況對(duì)比來(lái)得出穩(wěn)定桿提供的側(cè)傾貢獻(xiàn)度。

2.2.1 剛度

側(cè)傾運(yùn)動(dòng)中考察懸架側(cè)傾剛度（見(jiàn)表5），前后側(cè)傾剛度分配的影響因素有前后質(zhì)量分配、前后側(cè)傾控制、不足轉(zhuǎn)向度的大小。一般前后側(cè)傾剛度的分配與前后質(zhì)量分配接近，通常前懸架側(cè)傾剛度大于后懸架來(lái)保證一定的不足轉(zhuǎn)向度（圖5），整車(chē)不足轉(zhuǎn)向特性是車(chē)輛操穩(wěn)性能的重要參數(shù)，也是底盤(pán)性能開(kāi)發(fā)的重要依據(jù)，影響不足轉(zhuǎn)向特性的主要參數(shù)包括軸荷分配、側(cè)傾剛度等[5]。

圖5 懸架側(cè)傾剛度參數(shù)圖

表5 Roll工況剛度表

橫向穩(wěn)定桿對(duì)側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)度比較高，增加穩(wěn)定桿的直徑可以增加懸架的側(cè)傾剛度，雖然太粗的穩(wěn)定桿能提供很好的側(cè)傾控制，但是會(huì)帶來(lái)平順性的惡化（左右懸架相互干擾）和更大的不足轉(zhuǎn)向度[6]。懸架的側(cè)傾剛度一定要足夠大以保證直線行駛的穩(wěn)定性，理論上在一定的范圍內(nèi)側(cè)傾剛度越大越好，通常前懸架側(cè)傾剛度在1500～3000 Nm/deg范圍內(nèi)，后懸架在500～1500 Nm/deg范圍內(nèi)。

2.2.2 角度

側(cè)傾運(yùn)動(dòng)中主要關(guān)注前束角和外傾角的變化 （見(jiàn)表6），對(duì)于前束角的變化希望汽車(chē)在左右側(cè)傾時(shí)，前輪前束角有減小的趨勢(shì)，后輪前束角有增大的趨勢(shì)，這樣有利于車(chē)輛的不足轉(zhuǎn)向。而對(duì)于外傾角的變化前后輪外傾角有減小的趨勢(shì)，保證車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車(chē)輪最大程度上與地面保持垂直，保證輪胎的側(cè)偏性能，此外前后側(cè)傾外傾系數(shù)應(yīng)盡量匹配。

表6 Roll工況角度表

2.3 轉(zhuǎn)向工況

轉(zhuǎn)向工況和輪跳、側(cè)傾不同，此時(shí)車(chē)輪平臺(tái)保持水平，轉(zhuǎn)向前使水平方向力為零，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)測(cè)量方向盤(pán)和車(chē)輪相關(guān)參數(shù)，通常有發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和未啟動(dòng)兩種工況。

在轉(zhuǎn)向工況中主要關(guān)注轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比可以理論為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車(chē)輪轉(zhuǎn)角的比值，一般根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)總?cè)?shù)和轉(zhuǎn)向管柱行程，結(jié)合前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)定，后期基本很難改變。Steer工況比例如表7 所示，在K&C報(bào)告中有總傳動(dòng)比代表±360 deg的比例，中間位置傳動(dòng)比代表±20 deg的比例，左右通常一致，如圖6所示傳動(dòng)比為圖中斜率的倒數(shù)，目前推薦的范圍為12～17之間，通常傳動(dòng)比集中在15左右。

表7 Steer工況比例表

圖6 總傳動(dòng)比參數(shù)圖

表8為某車(chē)型部分K特性結(jié)果，可以得出懸架剛度，穩(wěn)定桿提供的側(cè)傾剛度等參數(shù)，通過(guò)對(duì)K特性運(yùn)動(dòng)工況分析和K&C數(shù)據(jù)庫(kù)的積累，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以得出推薦范圍，可以得出某SUV車(chē)型經(jīng)過(guò)操穩(wěn)調(diào)校后參數(shù)符合要求。

表8 某車(chē)型K特性結(jié)果

3 總結(jié)

根據(jù)以上描述，基本了解K&C試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)工況和部分K特性試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)介紹位移、角度和力隨懸架輸入?yún)?shù)的變化，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工況的分析，指出各個(gè)工況的運(yùn)動(dòng)原理和參數(shù)推薦方向，重點(diǎn)介紹前束、外傾角和輪心位移的變化對(duì)整車(chē)運(yùn)動(dòng)的影響。

底盤(pán)性能是一個(gè)復(fù)雜的性能，在正式底盤(pán)調(diào)校前，需結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真分析和K&C試驗(yàn)結(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)規(guī)避車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，而在正式調(diào)校時(shí)可以花很多精力在系統(tǒng)零部件的匹配上，這樣可以節(jié)約開(kāi)發(fā)周期，提高整車(chē)性能。