懸架K特性分析

闞國慶，徐申敏，周 軍，張 慶，劉振華

（奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241002）

懸架運動學和彈性運動學（Kinematics and Compliance, K&C）特性，包括幾何運行學（K特性）和彈性運動學（C特性）兩部分。K特性指車輪垂向往復運動時，在懸架導向機構的作用下，車輪平面和輪心點處產生的角位移及線性位移變化的特性，主要根據懸架各部件的幾何硬點位置及尺寸，在不考慮受力、重量及慣量的前期下，對懸架的運行特性進行分析。C特性指特定工況下地面作用于輪胎上的力及力矩，使車輪平面和輪心處產生角位移和線位移變化的特性，主要對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下的運動趨勢。

在汽車操穩性能開發中，通常包括計算機輔助工程（Computer Aided Charging, CAE）虛擬仿真、K&C試驗和實車調校三階段，其中懸架K&C分析主要作用是幫助確認懸架硬點設置的合理性及懸架各部件的剛度、重量、尺寸等設計的合理性，在整個操穩性能開發周期中均發揮重要作用，在產品初期可用于指導懸架系統設計，在競品研究階段用于解析懸架運動性能，在不同樣件調校階段可指導底盤調校工作[1]。因此，一個準確的K&C推薦方向對于底盤的設計和調校都有至關重要的意義。

1 K&C試驗

K&C試驗需在K&C臺架上進行，K&C臺架作用為在試驗臺架上模擬汽車在行駛過程中懸架受到輪胎運動所產生的懸架變形，該臺架主要模擬汽車運動輸入（K特性）和力輸入（C特性）下的懸架和車身力、角度、位移等參數變化，有雙軸式和單軸式臺架兩種，雙軸式K&C臺架一次性可同時測試前軸和后軸，試驗臺的核心為測量系統和液壓伺服系統，分別控制參數測量和整車 運動，單個K&C試驗臺單價成本在千萬以上，試驗安裝圖見圖1。

圖1 K&C試驗安裝圖

該臺架主要包括測量系統、車輪平臺、車身框架和慣性測量系統四部分。測量系統由各種傳感器組合而成，用來測量各個工況下車輪定位參數的變化，包括位置、力、力矩和角度等。車輪平臺由四個組合而成，見圖2，用來固定四個車輪并提供相應的運動，車身框架配合工裝使用可以固定車身，配合平臺可以實現車輛整體輪跳、側傾、轉向運動，慣性測量系統由各種控制柜、液壓伺服系統和電腦組合而成，其中液壓伺服系統可以實現各個車輪的側向、縱向、轉動運動。

圖2 車輪平臺局部示意圖

目前生產K&C臺架的廠家主要有美國MTS、英國ABD和中國孔輝等，常用的6種工況和參數范圍見表1，本文主要介紹輪跳、側傾和轉向三種K特性工況。

表1 K&C試驗工況

2 K特性

本文主要介紹一款乘用運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型K特性試驗結果，前懸架為麥弗遜形式，后懸架為多連桿形式，主要說明K特性工況和重點試驗曲線的解讀。

2.1 平行輪跳

試驗前用夾具工裝將車身部分固定，四個車輪安裝固定在四個平臺上，給車輪施加垂直力，讓車輪沿垂直上下方向跳動，需左右車輪同時施加垂直力，保證水平方向的力為零，通過測量系統測試懸架位移、角度、力等，從而得出相關參數。K&C試驗一輪可測上百組數據，本文只針對重點關注部分進行說明。

2.1.1 剛度

剛度為位移與力的關系（見表2），在車輪上下跳動時，主要關注懸架垂向剛度，其中包括行駛剛度和懸架剛度兩種，兩種測量剛度的測量方式不同。懸架剛度測量點為輪心處，包括彈簧、減振器和車身連接處垂向剛度，行駛剛度測量點為輪胎接地點，在懸架剛度的基礎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有一個推薦范圍，每個車型定位不同，剛度值也不一樣，如果懸架剛度過大，懸架較硬，有利于操縱、穩定性，不利于平順性。如果懸架 剛度過小，懸架較軟，不利于操縱、穩定性，有利于平順性，懸架剛度值的大小直接決定整車偏頻的高低。

表2 Bounce工況剛度表

在剛度曲線中（見圖3），當車輪垂向位移為0時縱坐標垂向力對應的值為懸架摩擦（N），平順性的重要指標越小越好，主要影響小振動小沖擊，目前主要在200～500 N之間。

圖3 行駛剛度參數圖

2.1.2 角度

在汽車上下跳動時，主要關注前束角和外傾角的變化（見表3），車輪前束可以抵消由于外傾角的存在而導致的輪胎磨損[2]。原則為前束變化前負后正，理論上無論車輪上跳還是下跳時，前束角都不應有較大變化。否則，汽車在不平路面直線行駛時，由于車輪上、下跳動所產生的前束角變化會破壞汽車的直線行駛性能，變化越小對直線穩定性越好。當前懸架輪跳值偏大時，會導致車輛轉向不足過大，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，越小對直線行駛的穩定性貢獻越大，但由于懸架設計的固有特性，通常情況下多少有些變化，這時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

在汽車上下跳動時，位移方面主要關注輪心縱向位移變化（見表4），簡稱車輪輪心的跟隨性能，理想狀態下當車輪上跳時，為減少對乘員的沖擊，輪心應該向后移動。后輪過沖擊時，若后輪具有往后方運動的趨勢，即輪心縱向位移變化率為負值，對平順性有利（圖4），后輪平行輪跳時輪心縱向位移變化率為正值，表示后輪受沖擊上跳時有向前上方的沖擊力傳遞，是影響后懸過 減速帶時車身的沖擊感太強的主要因素[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 輪心縱向位移參數圖

2.2 側傾工況

側傾運動和平行跳動不同，此時需要左右兩側車輪反方向跳動，一側向上一側向下，模擬汽車在轉彎時所產生的側傾運動，通常為測試有無穩定桿兩種試驗工況，兩種工況對比來得出穩定桿提供的側傾貢獻度。

2.2.1 剛度

側傾運動中考察懸架側傾剛度（見表5），前后側傾剛度分配的影響因素有前后質量分配、前后側傾控制、不足轉向度的大小。一般前后側傾剛度的分配與前后質量分配接近，通常前懸架側傾剛度大于后懸架來保證一定的不足轉向度（圖5），整車不足轉向特性是車輛操穩性能的重要參數，也是底盤性能開發的重要依據，影響不足轉向特性的主要參數包括軸荷分配、側傾剛度等[5]。

圖5 懸架側傾剛度參數圖

表5 Roll工況剛度表

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

2.2.2 角度

側傾運動中主要關注前束角和外傾角的變化 （見表6），對于前束角的變化希望汽車在左右側傾時，前輪前束角有減小的趨勢，后輪前束角有增大的趨勢，這樣有利于車輛的不足轉向。而對于外傾角的變化前后輪外傾角有減小的趨勢，保證車輛在轉彎的時候車輪最大程度上與地面保持垂直，保證輪胎的側偏性能，此外前后側傾外傾系數應盡量匹配。

表6 Roll工況角度表

2.3 轉向工況

轉向工況和輪跳、側傾不同，此時車輪平臺保持水平，轉向前使水平方向力為零，通過轉動方向盤測量方向盤和車輪相關參數，通常有發動機啟動和未啟動兩種工況。

在轉向工況中主要關注轉向傳動比，轉向角傳動比可以理論為方向盤轉角和車輪轉角的比值，一般根據轉向盤總圈數和轉向管柱行程，結合前懸架硬點坐標來定，后期基本很難改變。Steer工況比例如表7 所示，在K&C報告中有總傳動比代表±360 deg的比例，中間位置傳動比代表±20 deg的比例，左右通常一致，如圖6所示傳動比為圖中斜率的倒數，目前推薦的范圍為12～17之間，通常傳動比集中在15左右。

表7 Steer工況比例表

圖6 總傳動比參數圖

表8為某車型部分K特性結果，可以得出懸架剛度，穩定桿提供的側傾剛度等參數，通過對K特性運動工況分析和K&C數據庫的積累，結合主觀評價的結果，可以得出推薦范圍，可以得出某SUV車型經過操穩調校后參數符合要求。

表8 某車型K特性結果

3 總結

根據以上描述，基本了解K&C試驗臺、試驗工況和部分K特性試驗結果，重點介紹位移、角度和力隨懸架輸入參數的變化，通過對試驗工況的分析，指出各個工況的運動原理和參數推薦方向，重點介紹前束、外傾角和輪心位移的變化對整車運動的影響。

底盤性能是一個復雜的性能，在正式底盤調校前，需結合動力學仿真分析和K&C試驗結果，提前發現規避車輛結構設計問題，而在正式調校時可以花很多精力在系統零部件的匹配上，這樣可以節約開發周期，提高整車性能。