整車姿態仿真計算與影響因素分析

李進超，胡浩炬

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

整車姿態是乘用車的一項重要參數，直觀體現為前后輪眉的離地高度，一方面整車靜態姿態會直接影響整車的外觀造型[1]，是造型設計中很重要的元素；另一方面整車動態姿態的變化對整車操縱穩定性及舒適性等產生影響[2]。因此，在整車項目開發過程中對整車姿態進行分析與控制是一項非常重要的設計工作。

目前關于整車姿態相關文獻研究主要集中在整車動態姿態控制[2-5]、理論分析整車靜態姿態的影響因素[6-8]等方面，有關整車靜態姿態仿真計算及影響因素定量分析的研究較少。本文提出了一種整車靜態姿態的仿真計算方法，通過在Adams/Car軟件中建立懸架多體動力學模型，對整車姿態及懸架參數仿真計算并驗證，提出彈簧預載對整車姿態影響的理論計算公式，基于模型結合仿真與理論計算的方法研究了彈簧剛度、彈簧自由長度、彈簧安裝長度、襯套剛度、襯套裝配工藝等因素對整車姿態的影響。

1 基于Adams的整車姿態仿真計算

本文以輪眉離地高度H表征整車姿態，H是指輪眉最高點與地面線之間的垂向距離，如圖1所示。

1.1 整車姿態理論計算公式

輪眉離地間隙高度H可以通過以下公式計算得到：

式中：R為輪胎的自由半徑；F為輪荷；K為輪胎的垂直剛度；HL為輪眉最高點的Z向坐標；HC為輪心點的Z向坐標；HL、HC是多體動力學模型里整車坐標系下的坐標，該坐標系位于車身上。

HL通過在數模上量取得到，HC通過在建立的仿真模型里加載輪荷F計算得到，R、K為已知的參數輸入，從而按照式（1）可以仿真計算出輪荷F對應下的整車姿態，F對應空半滿輪荷時，則對應計算出空半滿狀態下的整車姿態。

圖1 輪眉離地高度

1.2 仿真模型的建立及驗證

從式（1）可知，計算整車姿態關鍵是要得到輪荷F對應下輪心Z向坐標，本文以某車型為研究對象，通過在Adams/Car軟件里建立其懸架模型，如圖2所示，該模型中硬點、彈性件剛度、彈簧參數等均為設計值。仿真計算時在車輪處施加輪荷F，如圖3所示，懸架達到靜平衡時輪心參考整車坐標系的Z向坐標即為HC，仿真計算可得到空半滿輪荷對應下的HC，從而計算出空半滿下的姿態。

由于空半滿狀態之間姿態的變化不僅跟輪荷變化相關，還跟懸架剛度相關，因此應該對模型計算的懸架剛度同實測值進行對標，以驗證模型的準確性，如圖4所示，為該模型前后懸架剛度仿真與試驗的對比，通過對比可以看出，懸架剛度曲線同試驗數據吻合良好，驗證了模型的準確性，滿足姿態計算分析所要求的精度。

圖2 某車型前/后懸架模型

圖3 懸架姿態仿真計算

圖4 前/后懸架剛度仿真與試驗對比

1.3 整車姿態及相關參數的仿真計算

基于上節建立的懸架模型，依據式（1）仿真計算出來該車型的整車姿態如表1所示，可以看出，仿真計算出半載狀態下的姿態同設計值一致，這也驗證了仿真模型的準確性。下文中將該仿真計算的姿態結果作為基準值開展關于姿態的影響因素分析。

懸架部分參數計算結果如表2所示，彈簧貢獻剛度是指彈簧對懸架剛度的貢獻量，其貢獻剛度Kspring=彈簧剛度·彈簧杠桿比2；其他彈性件貢獻剛度是指襯套、緩沖塊等對懸架剛度的貢獻量，其貢獻剛度Kbush=懸架剛度Ks-彈簧貢獻剛度Kspring。

表1 整車姿態仿真結果與設計值對比

表2 懸架部分參數

2 整車姿態的影響因素分析

從式（1）可知，整車姿態由輪胎受載半徑（R-F/K）、輪眉造型HL和懸架姿態HC組成。受載半徑由輪胎自由半徑R、輪胎垂直剛度K及輪荷F決定，該3個參數對姿態的影響較簡單和直觀；HL為輪眉最高點里相對車身基準的高度，可認為是一個定值；HC為輪心相對車身基準的高度，可稱為懸架姿態。本文主要對懸架姿態的影響因素進行分析。

2.1 彈簧預載

彈簧預載是指懸架設計狀態時彈簧提供的作用力，該參數是彈簧很重要的設計輸入參數，彈簧預載對姿態的影響可用以下公式計算：

式中：δH為姿態變化量，正值表示抬高，負值表示降低；δFs為彈簧預載的變化量，正值表示增大，負值表示減小；λs為彈簧杠桿比；Ks為懸架剛度。

彈簧預載由彈簧剛度、安裝長度和自由長度決定，Fs=Ksp·（Lz-La），其中Ksp為彈簧剛度，Lz為彈簧自由長度，La為彈簧安裝長度，3個參數任何一個變化都會引起彈簧預載的變化。通過分析可知：

由式（2）、（3）可以得到：

式（4）是彈簧剛度對各狀態下整車姿態的影響計算公式。式中：δKsp為彈簧剛度變化量；Kbush為空半滿狀態下其他彈性件對懸架剛度的貢獻度；λs為空半滿狀態下的彈簧杠桿比；Ft為設計狀態下的輪荷；F為空半滿狀態下的輪荷。

式（5）、（6）是彈簧自由長度和安裝長度對各狀態下的姿態的影響計算公式，近似認為彈簧自由長度和安裝長度對懸架剛度無影響。式中：δLz為彈簧自有長度變化量；δLa為彈簧安裝長度變化量；λs為空半滿狀態下的彈簧杠桿比；Ks空半滿狀態下的懸架剛度。

2.1.1 彈簧剛度對姿態的影響分析

基于以上的分析，通過仿真、理論公式兩種方法分析彈簧剛度對姿態的影響，如表3、4及圖5、6所示：仿真計算的姿態同理論公式計算的結果基本吻合，一方面驗證了理論計算公式（4）的準確性；另一方面可得彈簧剛度對姿態的影響基本成線性正比關系。

前彈簧剛度對空、半、滿整車姿態的影響靈敏度分別為 ： 6 mm/（N/mm）、 6.4 mm/（N/mm）、 6.5 mm/（N/mm），后彈簧剛度對空、半、滿整車姿態的影響靈敏度分別為：2.6 mm/（N/mm）、3.1 mm/（N/mm）、3.2 mm/（N/mm），彈簧剛度的變化會導致懸架剛度的變化，因此對各狀態下的姿態影響靈敏度略有差異。

表3 彈簧剛度對前懸姿態影響

表4 彈簧剛度對后懸姿態影響

圖5 彈簧剛度對前懸姿態影響

圖6 彈簧剛度對后懸姿態影響

2.1.2 彈簧自由長度對姿態的影響分析

彈簧自由長度對姿態的影響如表5、6及圖7、8所示。仿真計算的姿態同理論公式計算的結果基本吻合，一方面驗證了理論計算公式（5）的準確性；另一方面可知彈簧自由長度對姿態的影響基本成線性正比關系。

前彈簧自由長度對空、半、滿整車姿態的影響靈敏度分別為：0.9 mm/mm、0.9 mm/mm、0.9 mm/mm，由于彈簧自由長度的變化會不會影響懸架剛度的變化，前懸空、半、滿懸架剛度差異很小，因此對各狀態下的姿態影響靈敏度基本一致。

后彈簧自由長度對空、半、滿整車姿態的影響靈敏度分別為：1.2 mm/mm、1.2 mm/mm、1 mm/mm，后懸由于滿載狀態的懸架剛度相比空、半載大，因此對滿載姿態的影響靈敏度較小，空、半狀態下的姿態影響靈敏度基本一致。

表5 彈簧自由長度對前懸姿態影響

表6 彈簧自由長度對后懸姿態影響

圖7 彈簧自由長度對前懸姿態影響

圖8 彈簧自由長度對后懸姿態影響

2.1.3 彈簧安裝長度對姿態的影響分析

實車中由于彈簧墊的受力變形等原因會導致彈簧實際安裝長度相比設計安裝長度有誤差。彈簧安裝長度對姿態的影響如表7、8及圖9、10所示。仿真計算的姿態同理論公式計算的結果基本吻合，一方面驗證了理論計算公式（6）的準確性；另一方面可得彈簧安裝長度對姿態的影響基本成線性反比關系。

前彈簧安裝長度對空、半、滿整車姿態的影響靈敏度分別為：-0.9 mm/mm、-0.9 mm/mm、-0.9 mm/mm，由于彈簧安裝長度的變化會不會影響懸架剛度的變化，前懸空、半、滿懸架剛度差異很小，因此對各狀態下的姿態影響靈敏度基本一致。

后彈簧安裝長度對空、半、滿整車姿態的影響靈敏度分別為：-1.2 mm/mm、-1.2 mm/mm、-1 mm/mm，后懸由于滿載狀態的懸架剛度相比空、半載大，因此對滿載姿態的影響靈敏度較小，對空、半狀態下的姿態影響靈敏度基本一致。

表7 彈簧安裝長度對前懸姿態影響

表8 彈簧安裝長度對后懸姿態影響

圖9 彈簧安裝長度對前懸姿態影響

圖10 彈簧安裝長度對后懸姿態影響

2.2 襯套剛度

懸架襯套的剛度變化對懸架剛度有影響，從而對整車姿態產生影響。前后懸襯套剛度變化對整車姿態的影響分析如表9、10所示，襯套剛度對整車姿態的影響很小，尤其對設計狀態姿態影響最小，因此可認為襯套剛度對整車姿態基本無影響。

表9 前懸襯套剛度對前懸姿態影響

表10 后懸襯套剛度對后懸姿態影響

2.3 裝配工藝的影響

設計狀態下各襯套的受力及變形都很小，如表11所示，輪荷主要由彈簧分擔。如果在非設計狀態裝配襯套，襯套在設計狀態時會產生較大的變形，導致車輪受到附加的垂向力，從而使得整車姿態與設計值不一致。

表11 設計狀態各襯套的變形

表12、13仿真計算了懸架各襯套在輪跳不同位置裝配對整車姿態的影響，可以看出非設計狀態下裝配襯套對整車姿態有很大的影響。相對設計狀態，裝配襯套時懸架下跳量越多，整車姿態抬高越多。

表12 前懸襯套裝配位置對前懸姿態影響

表13 后懸襯套裝配位置對后懸姿態影響

前懸襯套較少，襯套裝配工藝對姿態影響量從大到小依次為：下擺臂前襯套，下擺臂后襯套，穩定桿襯套。若3個襯套同時在懸架下跳90 mm時裝配，模擬實車在舉升機上的狀態，會造成整車姿態會抬高7.5 mm左右。

后懸襯套較多，襯套裝配工藝對姿態影響量從大到小依次為：前束桿內套，上擺臂內襯套，前束桿外襯套。下擺臂襯套，上擺臂外襯套，穩定桿襯套，縱臂襯套，副車架襯套影響很小，若所有襯套同時在懸架下跳90 mm時裝配，模擬實車在舉升機上的狀態，會造成整車姿態抬高12 mm左右。

3 結束語

（1）基于Adams/Car建立的懸架多體動力學模型可以準確地仿真計算整車空載、半載、滿載狀態的姿態；

（2） 彈簧預載對姿態的影響可通過本文提出的理論公式進行定量計算，仿真計算結果驗證了理論公式的準確性；

（3）彈簧預載由彈簧剛度、自由長度和安裝長度決定，任何一項因素的變化對姿態都有較大的影響，彈簧剛度和自由長度對姿態的影響基本成線性正比關系，安裝長度對姿態的影響基本成線性反比關系；

（4）襯套剛度的變化對整車姿態基本無影響；

（5）非設計狀態下裝配襯套對整車姿態有很大的影響，襯套裝配應該在設計狀態進行。