基于懸架K&C特性的某SUV操穩(wěn)性及平順性性能開(kāi)發(fā)

藍(lán)賢清 賀繼齡 汪衡虎 黃偉

摘 要：某SUV存在中高速轉(zhuǎn)向側(cè)傾偏大、后懸過(guò)大突起障礙時(shí)傳遞到車(chē)身的沖擊偏大等問(wèn)題，對(duì)該車(chē)輛進(jìn)行懸架K&C客觀試驗(yàn)，結(jié)合同等級(jí)同類(lèi)型車(chē)相關(guān)參數(shù)的對(duì)比分析，明確懸架K&C特性參數(shù)的優(yōu)化方向及目標(biāo)，通過(guò)仿真優(yōu)化完成懸架硬點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施背景提出懸架硬點(diǎn)優(yōu)化方案并實(shí)施，對(duì)優(yōu)化后的樣車(chē)進(jìn)行K&C客觀試驗(yàn)及整車(chē)性能主觀評(píng)價(jià)。K&C試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)硬點(diǎn)優(yōu)化后懸架相關(guān)K&C特性參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo);經(jīng)整車(chē)主觀評(píng)價(jià)確認(rèn)，該SUV相關(guān)操穩(wěn)性及平順性問(wèn)題有了較好的改善。

關(guān)鍵詞：K&C特性;主觀評(píng)價(jià);性能開(kāi)發(fā);硬點(diǎn)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-118-04

Abstract： For the subjective evaluation performance defects of a SUV on its larger rolling angle when steering at high speed， andlarger impact passed from rear suspension to the body when crossing bump obstacles， viacomparative analysis onthe related suspension K&C characteristic parameters， combined with data of the same class vehicle， to clarify the optimization goal. The design of suspension hard-point parameters are completed by simulation optimization analysis， combined with project background， appropriate suspension hard-point optimization scheme is set and implemented， thencarry out K&C test and dynamics performance subjective evaluation. The K&C test shows that related suspension K&C characteristic parameters have basically matched the design goal， while thesubjective evaluation results verify that theliving dynamic performance defectshave been improved better.

Keywords： K&C characteristic; Objective evaluation; Performance development; Hard-pointoptimization

CLC NO.： U461.4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-118-04

1 概述

懸架K&C特性作為一項(xiàng)重要的系統(tǒng)總成外特性，對(duì)乘用車(chē)操穩(wěn)性及平順性有著直接影響，而懸架硬點(diǎn)的布置又是決定懸架K&C特性的最重要因素[1]。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，乘用車(chē)行駛速度越來(lái)越高，車(chē)輛行駛過(guò)程中如車(chē)輪定位參數(shù)等的變化規(guī)律等對(duì)整車(chē)操穩(wěn)性及平順性的影響也越來(lái)越大，因此懸架K&C特性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為乘用車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

本文以獵豹汽車(chē)某SUV操穩(wěn)性及平順性性能開(kāi)發(fā)為例，針對(duì)其主觀評(píng)價(jià)提出的問(wèn)題，通過(guò)懸架K&C特性參數(shù)的分析研究，結(jié)合硬點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及方案實(shí)施驗(yàn)證，改善其操穩(wěn)性及平順性問(wèn)題。（注：出于保密原因，部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了修正）。

1.1 硬點(diǎn)與K&C特性

懸架硬點(diǎn)指懸架系統(tǒng)內(nèi)部各零部件以及懸架系統(tǒng)其它系統(tǒng)之間的連接點(diǎn)，比如懸架擺臂與副車(chē)架及轉(zhuǎn)向節(jié)的連接點(diǎn)，減震器、副車(chē)架及車(chē)身的連接點(diǎn)等，懸架硬點(diǎn)參數(shù)指硬點(diǎn)在整車(chē)坐標(biāo)系下X、Y、Z三個(gè)方向上的坐標(biāo)值。

懸架K&C特性包含K特性和C特性。K特性表示幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)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)生角位移及線位移變化的特性;C特性表示彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，指特定工況下地面作用于輪胎上的力及力矩、使車(chē)輪平面和輪心點(diǎn)處產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性[2]。由定義可知，K特性主要受懸架硬點(diǎn)參數(shù)的影響，而C特性則受硬點(diǎn)參數(shù)、彈性部件及襯套剛度等的綜合影響。

1.2 操穩(wěn)性及平順性性能開(kāi)發(fā)

懸架K&C特性能從系統(tǒng)級(jí)表征如操穩(wěn)性及平順性等整車(chē)級(jí)的動(dòng)力學(xué)性能，而K&C特性又與懸架硬點(diǎn)參數(shù)息息相關(guān)，因此可以說(shuō)懸架硬點(diǎn)參數(shù)直接決定著整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能[3]。前期懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)布置若不合理，后期車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，將導(dǎo)致車(chē)型開(kāi)發(fā)中后期出現(xiàn)反復(fù)工作，從而延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期、增加設(shè)計(jì)成本。

現(xiàn)階段大部分車(chē)企新車(chē)型開(kāi)發(fā)中，基于成熟車(chē)型底盤(pán)架構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整、進(jìn)而得到新車(chē)型底盤(pán)硬點(diǎn)是常用的懸架硬點(diǎn)開(kāi)發(fā)方法，這種方法既可以最大程度的與原底盤(pán)共用零部件，又能在新車(chē)型開(kāi)發(fā)初早期獲得一定的客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以避免因?yàn)橛颤c(diǎn)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致整車(chē)性能?chē)?yán)重偏離預(yù)期，從而降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

2 某SUV首次樣車(chē)性能摸底

該SUV基于成熟車(chē)型底盤(pán)架構(gòu)開(kāi)發(fā)，首次樣車(chē)制作時(shí)除彈簧及減震器長(zhǎng)度重新匹配設(shè)計(jì)外，底盤(pán)結(jié)構(gòu)及硬點(diǎn)布置未做調(diào)整，樣車(chē)制作完成后經(jīng)過(guò)一系列性能摸底工作，包括整車(chē)性能主觀評(píng)價(jià)，以及懸架K&C客觀試驗(yàn)。

2.1 操穩(wěn)性及平順性主觀評(píng)價(jià)

按獵豹汽車(chē)整車(chē)操穩(wěn)性及平順性主觀評(píng)價(jià)體系[5]，由專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)對(duì)SUV首次樣車(chē)及性能對(duì)標(biāo)車(chē)進(jìn)行操穩(wěn)性及平順性主觀評(píng)價(jià)，評(píng)分采用SAE十分制，結(jié)合車(chē)輛定義等確定了新開(kāi)發(fā)車(chē)型的性能目標(biāo)值，如表1。

由表1可知，除與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS助力性能強(qiáng)相關(guān)的指標(biāo)項(xiàng)外，該SUV首次樣車(chē)在彎道響應(yīng)特性及乘坐舒適性等方面與性能對(duì)標(biāo)車(chē)有一定的差距，主要的問(wèn)題點(diǎn)描述如下：

（1）0.4g及以上側(cè)向加速度彎道行駛時(shí)，前、后側(cè)傾均偏大，存在一定的不安全感。

（2）中等車(chē)速過(guò)減速帶及接縫路時(shí)，后懸傳遞到車(chē)身的沖擊感特別強(qiáng)。

（3）彎道行駛時(shí)前后輪胎抓地力變化不平衡，影響了車(chē)輛響應(yīng)的穩(wěn)定性。

2.2 懸架K&C客觀試驗(yàn)

在特定載荷下對(duì)前后懸架系統(tǒng)進(jìn)行全工況K&C試驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)工況下的各種K&C特性指標(biāo)，查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中類(lèi)似懸架結(jié)構(gòu)的同等級(jí)車(chē)K&C指標(biāo)范圍進(jìn)行對(duì)比分析，受篇幅限制，僅列出與本文強(qiáng)相關(guān)的指標(biāo)項(xiàng)見(jiàn)表2。

結(jié)合主觀評(píng)價(jià)提出的問(wèn)題點(diǎn)，分析各工況下的K&C試驗(yàn)參數(shù)，基本可以獲知：

（1）前后懸架側(cè)傾中心高度均偏低，對(duì)一定側(cè)向加速度下的側(cè)傾感覺(jué)影響很大。

（2）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。

（3）前后懸架輪跳前束角及外傾角變化率的不平衡，影響了前后輪胎抓地力不平衡、從而影響車(chē)輛在彎道響應(yīng)時(shí)的穩(wěn)定性。

3 某SUV懸架硬點(diǎn)優(yōu)化

3.1 硬點(diǎn)對(duì)K&C特性的影響分析

由汽車(chē)?yán)碚撓嚓P(guān)知識(shí)：

（1）如圖1，提高懸架側(cè)傾中心高度hw，相應(yīng)減小了質(zhì)心對(duì)側(cè)傾軸線的力矩H，對(duì)于控制側(cè)傾梯度非常有利，倘若未優(yōu)化側(cè)傾中心高度僅依靠增加懸架側(cè)傾剛度來(lái)控制側(cè)傾梯度，則需要加大彈簧或穩(wěn)定桿剛度，會(huì)降低平順性。

（2）如圖2，后輪過(guò)減速帶等較大的突起障礙時(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，將對(duì)平順性會(huì)非常有利。

（3）前后懸架輪跳前束角變化率的平衡，可保持前后輪胎抓地力的平衡，整車(chē)響應(yīng)更趨于穩(wěn)定，對(duì)直線行駛性能、彎道響應(yīng)特性非常有利。

（4）增加轉(zhuǎn)彎時(shí)后輪外傾角梯度，可增加后輪抓地力，有利于整車(chē)操穩(wěn)性控制。

據(jù)此，結(jié)合懸架結(jié)構(gòu)，明確需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵硬點(diǎn)。對(duì)于麥弗遜式前懸架，降低擺臂外球鉸提高側(cè)傾中心高度，同時(shí)修正轉(zhuǎn)向拉桿外球鉸高度以降低輪跳前束角變化率。對(duì)于多連桿式后懸架，降低上擺臂內(nèi)點(diǎn)、提高下擺臂內(nèi)點(diǎn)可提高側(cè)傾中心高度，同時(shí)輪跳外傾角變化率也會(huì)有一定的改善，再通過(guò)修正前束調(diào)節(jié)桿內(nèi)點(diǎn)高度來(lái)優(yōu)化輪跳前束角變化率，最后提高縱臂前安裝點(diǎn)高度來(lái)優(yōu)化輪心縱向位移變化率參數(shù)。

3.2 懸架動(dòng)力學(xué)模型建立

該SUV車(chē)型麥弗遜式前獨(dú)立懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表3，動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖3;多連桿式后獨(dú)立懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表4，動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖4。其余建模所需的整車(chē)參數(shù)，及彈簧穩(wěn)定桿等彈性件剛度、減震器阻尼力等參數(shù)，出于保密考慮，本文未逐項(xiàng)列出。

3.3 懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)優(yōu)化方案

在ADAMS/Car中通過(guò)建立目標(biāo)函數(shù)、選定設(shè)計(jì)變量及其取值范圍、確定設(shè)計(jì)目標(biāo)等，結(jié)合ADAMS/Insight進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]，并綜合考慮懸架硬點(diǎn)修正的技術(shù)可行性、難易程度、影響范圍、成本及周期等因素，最終經(jīng)過(guò)評(píng)審確定懸架硬點(diǎn)優(yōu)化方案，見(jiàn)表5。

4 某SUV樣車(chē)性能驗(yàn)證

按懸架硬點(diǎn)優(yōu)化方案改制樣車(chē)，為確保改制后硬點(diǎn)精度，通常會(huì)對(duì)懸架硬點(diǎn)進(jìn)行逆向掃描，保證關(guān)鍵硬點(diǎn)參數(shù)值誤差在±0.5mm內(nèi)。對(duì)改制后的樣車(chē)進(jìn)行與SUV首次樣車(chē)性能摸底時(shí)同等工況下的K&C客觀試驗(yàn)驗(yàn)證，以及操穩(wěn)性及平順性主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證。

4.1 懸架K&C客觀試驗(yàn)驗(yàn)證

如表6，經(jīng)懸架硬點(diǎn)優(yōu)化后，相關(guān)K&C特性參數(shù)仿真值完全控制在參考范圍內(nèi)的，改制樣車(chē)的K&C試驗(yàn)值除前懸側(cè)傾中心高度略微偏大之外，其余也都在參考范圍內(nèi)，整體符合要求。仿真值與試驗(yàn)值存在的一定差異，主要是因?yàn)閷?shí)車(chē)各零部件連接處存在一定的裝配間隙所導(dǎo)致。

4.2 操穩(wěn)及平順性主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證

主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證結(jié)果表明，一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的直線行駛性、回轉(zhuǎn)性能、乘坐舒適性指標(biāo)評(píng)分均達(dá)到6.25分，相比于硬點(diǎn)優(yōu)化前有一定提升。

針對(duì)性能摸底時(shí)主觀評(píng)價(jià)提出的側(cè)傾過(guò)大、及后懸過(guò)大障礙時(shí)傳遞到車(chē)身的沖擊較大等問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證，車(chē)身側(cè)傾已得到了較好的控制、側(cè)傾程度和性能對(duì)標(biāo)車(chē)相當(dāng);后懸過(guò)大突起障礙時(shí)的車(chē)身沖擊感雖然還存在，但也有了較大的改善，在可以接受的范圍，實(shí)際上與該性能直接相關(guān)的輪心縱向位移變化率指標(biāo)優(yōu)化后為-8.3mm/m，并未達(dá)到至最佳值，主要是受限于懸架結(jié)構(gòu)，縱臂與車(chē)身連接處已無(wú)垂向優(yōu)化空間。

5 結(jié)論

通過(guò)前期的樣車(chē)性能摸底（包括整車(chē)級(jí)主觀評(píng)價(jià)及懸架級(jí)K&C試驗(yàn)等）預(yù)先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，考數(shù)據(jù)庫(kù)中同等車(chē)型相關(guān)參數(shù)范圍，結(jié)合懸架系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，明確所涉及的懸架硬點(diǎn)及其優(yōu)化方向，在ADAMS中建模并進(jìn)行優(yōu)化仿真、提出硬點(diǎn)優(yōu)化方案，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況最終確定硬點(diǎn)優(yōu)化方案并實(shí)施，再通過(guò)主觀評(píng)價(jià)和客觀試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，是新車(chē)型操穩(wěn)性及平順性性能開(kāi)發(fā)的一種高效可靠方式。

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