整車設計姿態確認方法

趙丹

摘 要：整車設計姿態舉足輕重，跑車、轎車、SUV均有其專屬姿態特征。奧迪系列、沃爾沃S90、本田雅閣等轎車相比國產轎車整體觀感給人感覺不止提升一個檔次，為什么同級轎車會相差這么大？就是因為整車姿態。前者整車整備和滿載姿態角接近0°，后者前低后高，為什么設計成前低后高？下文將從定義、影響因素、推理過程、影響性能四個版塊描述。

關鍵詞：姿態 整車設計 懸架計算 輪胎剛度曲線

Confirmation Method of Vehicle Design Posture

Zhao Dan

Abstract：The design posture of the whole vehicle is very important. Sports cars， cars， and SUVs all have their own posture characteristics. Compared with domestic cars， the overall look and feel of Audi series， Volvo S90， Honda Accord and other sedans is more than a higher level. Why are cars in the same class so different？ It is because of the posture of the vehicle. The former has a complete vehicle preparation and full-load attitude angle close to 0°， while the latter is low in the front and high in the rear. The following sections describe the definition， influencing factors， reasoning process， and influencing performance.

Key words：posture， vehicle design， suspension calculation， tire stiffness curve

1 前言

本文站在總布置職業角度，基于一款緊湊型SUV開發過程，介紹一種從整車逆向對標結合正向理論計算確定整車設計姿態的方法，同時闡釋姿態確定的影響因素。

2 整車姿態定義[1]

造型領域整車姿態是指綜合地面線、輪胎型號、輪眉、前后輪心、腰線、C點、D點、整車尺寸及前后懸綜合得到的視覺效果，一般通過車頭車尾離地高度、車身腰線走向等。

總布置領域整車姿態通過整車設計姿態角（地面線和水平線的夾角）、前后輪心坐標、輪胎靜力負荷半徑、地面線進行表示，如圖1所示。在整車開發設計過程中，一般取整備狀態作為設計基準狀態，其對應的姿態即為整車設計姿態，（備注：除此之外，也有選取半載或者滿載作為設計狀態的情形，裝載狀態必須為對稱狀態。）其他半載、滿載結合懸架全行程跳動狀態作為懸架設計輸入條件亦很重要。造型所述的姿態包含了總布置領域的姿態，本文主要就總布置領域整車姿態確定進行闡述。（下文所提設計姿態角默認為整備姿態角）

3 整車姿態影響因素

車型定位：不同車型，整備姿態角范圍相差較大。SUV前低后高明顯，整備姿態角大些（SUV整備姿態角范圍一般在0.3-0.8°之間，滿載一般-0.1-0.2°），超跑或者轎跑車型底盤較低，整備姿態角較小接近0度;動力系統布置位置：布置方式對軸荷分布和整車姿態影響較大，發動機前置前驅、中置、后置對應的胎荷相差較大，輪胎變形量相差較大，整備地面線及整備姿態夾角相差較大;輪胎型號：輪胎型號的大小、剛度屬性變形量影響地面線位置;懸架參數：懸架的形程、彈簧剛度、偏頻等對整車在不同負荷狀態下輪心位置息息相關;設計狀態輪心定義，空半滿3種狀態下輪心定義對懸架參數和整車舒適性影響較大;空氣動力學要求：為了保證車身空氣動力學性能，汽車行駛時底盤下方有氣流快速通過，如果底盤氣流速度太慢會導致底盤下方空氣壓力增加，除非車型級別較高軸距較大，一般車型均為前低后高的整車姿態，目的是有利于汽車高速行駛的穩定性及行駛安全性。

4 以SUV為例介紹整車姿態確定開發方法

下述過程基于內部人體姿態、輪胎型號已經確定進行闡述。

4.1 Benchmark（圖2）

掃描技術標桿車得出標桿車整車整備、半載、滿載姿態，結合對標車型初步定義開發車型姿態角和輪心位置。上圖SUV在SC設計階段姿態定義同標桿車：整備0.6°、半載0.37°、滿載0.1°。

4.2 總布置輸出布置數據及姿態硬點

整備前/后輪心坐標（0，0，50）、（2650，0，26.3）、半載前/后輪心坐標（0，0，62.5）、（2647，0，48）、滿載前/后輪心坐標（0，0，66）、（2644，0，68）;整備、半載、滿載前輪靜力負荷半徑分別為305.39、303.3、302.65mm;整備、半載、滿載后輪靜力負荷半徑分別為309.96、306.75、306.41mm。對應地面線和輪心坐標數據輸入給懸架工程師。

4.3 懸架參數計算及輪心位置正向修正、靜力負荷半徑確定

懸架系統主要參數如下：螺旋彈簧剛度、懸架系統剛度、懸架系統偏頻、懸架系統靜撓度、懸架側傾角剛度、懸架系統縱向角剛度、減震器參數。

先對參考標桿車基本性能參數進行計算，求得懸架系統性能基本參數，然后參考得到的結果選取設計車型的參數，為具體的零部件設計提供依據。設計輸入包括標桿車和開發車型的質心高（空載和滿載狀態）、前輪距、后輪距、整備質量、最大總質量、前軸荷（空載和滿載狀態）、后軸荷（空載和滿載狀態）、前懸架系統非簧載質量、后懸架系統非簧載質量。

4.3.1 螺旋彈簧剛度計算

標桿車前后螺旋彈簧通過剛度試驗進行測試，并根據試驗值做出剛度曲線。針對開發車型先用下述公式正向計算。

Cs1=Gd14/8D13n前 1）

Cs2=Gd24/8D23n后 2）

G—彈簧剪切模量，83000N/mm2;d1—前螺旋彈簧簧絲直徑，mm;d2—后螺旋彈簧簧絲直徑，mm;D1—前螺旋彈簧中徑，mm; D2—前螺旋彈簧中徑，mm;n——彈簧有效圈數。

將理論計算所得數值和試驗所得曲線對比，如果相差較小則取試驗所得數值作為彈簧剛度;如果相差較大，則重新測試并重新理論計算。

4.3.2 懸架系統剛度計算

根據懸架系統平衡關系式，得下述公式3）

C1=Cs1×μ×cosδ/P×cosβ? ? ? ?3）

Cs1—前螺旋彈簧剛度，N/mm（圖3）。

后懸架系統剛度計算，按照公式4）進行。

C2=2×L1b2×Cs2×cosα2/L1b1? ? ? ? ? ? ? 4）

L1b1：地面反作用的力臂，mm;Cs2：后懸架螺旋彈簧剛度，N/mm。

α2：空載狀態下彈簧與垂直方向的夾角;L1b2：彈簧力的力臂，mm。

4.3.3 懸架系統偏頻計算

n=1/2π? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5）

n：懸架系統偏頻，Hz;C：由剛度試驗測試的懸架系統剛度，N/mm;簧載質量，kg。轎車常用偏頻0.9-1.6Hz。

4.3.4 懸架系統撓度計算

懸架系統設計中，根據平順性要求確定前后懸架偏頻n1和n2以及前后懸架靜撓度fc1和fc2。前后懸架靜撓度和偏頻的匹配一般fc2=0.8-0.9 fc1。轎車常用靜撓度一般100-300mm，動撓度一般70-90mm，動撓度的設置是為了防止不平路面上沖擊緩沖塊。懸架工程師根據懸架系統剛度及整備、半載、滿載之間的相對簧上質量差值計算懸架撓度，以整備設計姿態為基準，理論正向推導半載和滿載輪心位置。結合供應商提供的輪胎剛度曲線，在整備、半載、滿載對應胎荷情況下計算輪胎靜力負荷半徑。正向修正地面線和輪心位置。

4.4 總布置圖更新

總布置根據底盤懸架工程師輸出輪心位置（半載和滿載輪心位置）、靜力負荷半徑畫出地面線，總布置繪制完善布置圖。（注：懸架工程師根據總布置輸入整備狀態前后輪心位置，結合懸架零部件計算選型根據半載和滿載狀態簧上和非簧載質量計算懸架跳動行程并給出理論半載和滿載輪心位置及輪胎靜力符合半徑，一般和標桿車和初期定義半載滿載有區別，因動力系統或者電控選型布置位置有區別，懸架選型參數也會調整。）

5 整車姿態影響的整車性能

美觀性和整車空氣動力性和整車操控穩定性，一般除豪華型高級別轎車，大部分車型整車整備姿態是前低后高的，轎車整備姿態角范圍一般在0.2-0.4之間，SUV一般在0.3-0.8之間。同時還要考慮滿載姿態接近0度是最佳姿態角，避免滿載塌車尾。前低后高的姿態，有利于氣流通過，以及避免尾部后升力增加影響整車穩定性和平順性及車型在爬坡和行駛時前輪抓地力不夠。整車設計過程中總布置的工作起著方向性作用，下車體機械布置、上車體人機布置，定義了整車尺寸，內部空間，通過性，整車設計姿態，關系著整車駕乘舒適性，整車動力性經濟性。所有的服務都是為整車性能和駕駛操控及UI人機界面操控性及后期的AI自動和智能駕駛所服務。

參考文獻：

[1]羅永文，凌紅芳，王師，馬傳帥，機電工程技術，2014（8）：116-122.

[2]余志生，汽車理論，機械工業初版社，2002年.

[3]王望矛，汽車設計，機械工業初版社，2000年.