邱垂翔，胡彭俊，張啟亮

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

最小離地間隙是指：汽車在滿載(允許最大荷載質(zhì)量)的情況下，底盤最低點(diǎn)距離地面的距離(圖1)。最小離地間隙作為汽車通過性一個(gè)重要的指標(biāo)，對(duì)汽車的使用、性能及銷售均有影響。如果銷售定位面向某個(gè)國(guó)家或地區(qū)銷售，還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐缆焚|(zhì)量的情況，汽車開發(fā)設(shè)計(jì)中的最小離地間隙的目標(biāo)值選擇尤為重要。

圖1 最小離地間隙示意

合理的最小離地間隙目標(biāo)值不僅使汽車具有時(shí)尚且比例協(xié)調(diào)的外造型，同時(shí)讓汽車具有更好的性能表現(xiàn)。本文作者主要介紹了在汽車開發(fā)過程中，如何合理地選擇最小離地間隙目標(biāo)值，通過對(duì)設(shè)計(jì)流程分析、對(duì)標(biāo)分析、性能需求分析、空氣動(dòng)力學(xué)需求等方面介紹了最小離地間隙的開發(fā)方法。

1 底盤剮蹭故障介紹

如果汽車經(jīng)常在坑洼不平的路面上行車，很容易造成剮蹭底盤的現(xiàn)象(圖2)，對(duì)汽車的安全性以及性能有較大影響。

圖2 汽車底盤磕碰

對(duì)市場(chǎng)上常見的汽車剮蹭底盤現(xiàn)象進(jìn)行收集分析，主要有如下幾種：

(1)排氣管剮蹭

車輛的排氣管布置基本上都在車輛底部，排氣管本體結(jié)構(gòu)很薄，如果碰到堅(jiān)硬的石頭刀，甚至?xí)澠?。減速帶是比較常見的，而且高度不一，形狀也不一樣，有些比較高或較寬，加上有的車主過減速帶沒有減速的習(xí)慣，就很容易磕碰，造成排氣管破裂等常見問題，如圖3所示。

圖3 排氣管剮蹭損壞

(2)擺臂磕碰變形

當(dāng)發(fā)生汽車托底時(shí)，汽車的橫臂極有可能發(fā)生變形，對(duì)要求精確的輪胎定位參數(shù)影響極大，汽車高速轉(zhuǎn)向時(shí)的操控安全有著較大的安全性的影響，如圖4所示。

圖4 擺臂磕碰變形

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼剮蹭漏油

如果汽車發(fā)生托底，發(fā)動(dòng)機(jī)變速器的油底殼很容易發(fā)生破裂，從而引起機(jī)油泄漏，這也是最容易被發(fā)現(xiàn)的損傷，但要及時(shí)維修，否則對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷將是永久性的。

另外還有很多未列舉的剮蹭事故，如燃油箱刮底、純電車動(dòng)力電池刮碰……因此，結(jié)合以上案例及最小離地間隙的重要性，為了避免剮蹭，除了在開車時(shí)會(huì)繞開這些坑洼不平的路面外，汽車在開發(fā)中根據(jù)車型定位，設(shè)計(jì)合理的最小離地間隙尤為重要。下文重點(diǎn)展開對(duì)如何設(shè)定正確的最小離地間隙目標(biāo)值方法進(jìn)行研究探討。

2 遵循設(shè)計(jì)開發(fā)控制流程

汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，各個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)均有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范或控制流程，最小離地間隙設(shè)計(jì)開發(fā)控制流程是選擇合理的最小離地間隙值的前提(圖5)。規(guī)定了汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中整車最小離地間隙開發(fā)的工作流程及內(nèi)容要求，主要包括項(xiàng)目開發(fā)各階段的工作任務(wù)、各專業(yè)領(lǐng)域的職責(zé)分工以及各階段主要內(nèi)容要求等，設(shè)計(jì)開發(fā)中以下各要素應(yīng)確定：

圖5 最小離地間隙設(shè)計(jì)流程

(1)應(yīng)完成對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品定位，確定車型畫像，確定對(duì)標(biāo)車；

(2)應(yīng)完成相關(guān)參數(shù)對(duì)標(biāo)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析的工作；

(3)應(yīng)輸出懸架偏頻、懸架剛度等相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析的工作;

(4)根據(jù)前面的各種輸入，集成應(yīng)制定整車最小離地間隙目標(biāo)，并納入性能控制；

(5)根據(jù)輸入懸架硬點(diǎn)、懸架剛度、輪胎靜力半徑隨負(fù)荷變化等參數(shù)，完成滿足最小離地間隙要求的地面線；

(6)根據(jù)地面線設(shè)計(jì)彈簧，要求針對(duì)不同車型設(shè)計(jì)不同自由長(zhǎng)度彈簧使之滿足目標(biāo)值。

3 各性能系統(tǒng)需求確定

最小離地間隙越小，車輛通過有障礙物或凹凸不平的地面的能力就越弱，但重心低，可增加穩(wěn)定性。如F1賽車，離地間隙小、重心低，在特制賽道上風(fēng)馳電掣。但是通過性極差，在砂石土路上寸步難行。最小離地間隙越大，車輛通過有障礙物或凹凸不平的地面的能力就越強(qiáng)，但重心偏高，降低了穩(wěn)定性。離地間隙大的車輛通過性好，停車方便，除了在沙石山路上通過性好，還能預(yù)防在過積水路時(shí)排氣管進(jìn)水等；因此在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)中最小離地間隙目標(biāo)值的選擇，應(yīng)充分對(duì)以下因素進(jìn)行分析，合理制定目標(biāo)值。

3.1 對(duì)標(biāo)研究分析

一般情況下轎車的最小離地間隙在110～150 mm之間，基于轎車車型定義，離地間隙越大(≥130 mm)，通過性能相對(duì)來說比較好，但高速穩(wěn)定性較差；離地間隙越小(≤110 mm)，高速穩(wěn)定性就越好，但通過性較差。

SUV最小離地間隙一般在140～250 mm，基于SUV定義，離地間隙越小(≤160 mm)，通過性能就越差，越注重公路性能，偏向于城市型SUV；離地間隙越大(≥200 mm)，通過性能就越好，注重野外表現(xiàn)，偏向純粹越野型SUV。

由此可看出，隨著車型的不同，最小離地間隙的差別是很大的。另外現(xiàn)在一些高端車型裝有可調(diào)高度空氣懸架，能做到了操控性和通過性的雙層兼容。

因此，在車型開發(fā)目標(biāo)定義前期，依據(jù)企劃輸入定義的開發(fā)車型畫像，應(yīng)及時(shí)開展對(duì)同級(jí)別車對(duì)標(biāo)車的研究分析，為開發(fā)車型的最小離地間隙目標(biāo)值確定一個(gè)參考范圍。如下案例介紹了某款車型開發(fā)中，根據(jù)車型定位畫像，從對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)38款軸距介于2 700～2 850 mm之間的車型最小離地間隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及分析，如圖6和圖7所示。

圖6 對(duì)標(biāo)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖7 對(duì)標(biāo)參數(shù)分析

從圖中的統(tǒng)計(jì)分布可以看出，車型的最小離地間隙與軸距無明顯關(guān)聯(lián);通過推測(cè)，離地間隙不大于130 mm為滿載最小離地間隙；確定離地間隙也取決于負(fù)載的變化情況，要依據(jù)負(fù)載變化的最大值去考慮離地間隙。

因此，通過最小離地間隙直方圖，結(jié)合產(chǎn)品商品性定義，建議此款車型滿載離地間隙目標(biāo)范圍在不大于120 mm以內(nèi)。

3.2 制造公差確定

最小離地間隙的設(shè)定，除了關(guān)注車型商品性及對(duì)標(biāo)分析外，也應(yīng)考慮整車各相關(guān)系統(tǒng)的制造公差而預(yù)留相關(guān)的公差值，避免制定的最小離地間隙值過大或過小。對(duì)影響整車離地間隙相關(guān)因素的公差進(jìn)行解析，確定各公差的差值:

(1)幾何公差，主要包含輪胎靜力半徑公差、彈簧總成長(zhǎng)度公差、下擺臂上彈簧安裝面公差等；

(2)彈性變形，主要包含車身彈簧安裝面變形、懸架襯套變形等；

(3)其他因素，主要包含質(zhì)量公差引起的姿態(tài)變化、襯套剛度公差對(duì)姿態(tài)的影響等。

確定了各影響因素公差后，可運(yùn)用公差極值法尺寸鏈計(jì)算或公差統(tǒng)計(jì)法尺寸鏈計(jì)算對(duì)相關(guān)制造公差進(jìn)行分析[1]。如下案例假設(shè)前提：各組成環(huán)實(shí)際尺寸的分布都服從正態(tài)分布，分布中心與公差帶中心重合，分布范圍與公差范圍相同，如圖8所示。

圖8 公差正態(tài)分布

假設(shè)彈簧、輪胎、其他的公差服從正態(tài)分布，即：T彈簧～N(0，16/9)、T輪胎～N(0，4/9)、T其他～N(0，4/9),由于上述3個(gè)公差相互獨(dú)立，故：

T總=T彈簧+T輪胎+T其他～N(0，24/9)

統(tǒng)計(jì)法公差分布如圖9所示，公差統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表1。

圖9 統(tǒng)計(jì)法公差分布

表1 公差統(tǒng)計(jì)計(jì)算

綜上，建議與最小離地間隙相關(guān)的制造公差總考慮范圍為±5 mm。

3.3 姿態(tài)衰減需求分析

各懸架系統(tǒng)衰減示意如圖10所示。

圖10 各懸架系統(tǒng)衰減示意

一般車輛經(jīng)過較長(zhǎng)的行駛里程后，底盤彈性件、車身等部件都會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，由于部件衰減，將帶來姿態(tài)偏低、耐久下沉等，從而導(dǎo)致車輛離地間隙減小，出現(xiàn)車輛底盤部件發(fā)生磕底概率增加的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)車輛的各懸架系統(tǒng)及部件進(jìn)行分析，相關(guān)衰減因素對(duì)整車姿態(tài)的影響量由大到小可總結(jié)為：彈簧預(yù)載衰減、彈簧墊變形、氣體反彈力衰減、襯套剛度衰減。襯套剛度衰減對(duì)姿態(tài)的影響基本可以忽略不計(jì)，姿態(tài)總的衰減量盡量控制在一定的范圍之內(nèi)。不同的懸架耐久衰減量無現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需各企業(yè)底盤對(duì)各零部件進(jìn)行分解仿真分析，通過零部件的衰減量擬合得到對(duì)整車姿態(tài)的衰減量。

因此最小離地間隙目標(biāo)值設(shè)定時(shí)計(jì)算各與衰減相關(guān)的部件衰減量[2]，應(yīng)確定減振器氣體反彈力衰減量、彈簧預(yù)載衰減量、彈簧墊變形量、襯套剛度衰減量、車身耐久衰減量。

3.4 風(fēng)阻性能分析

整車開發(fā)中離地間隙的大小對(duì)于整車風(fēng)阻系數(shù)有直接的影響，低離地間隙有利于達(dá)成低風(fēng)阻系數(shù)的目標(biāo)。離地間隙減小不單單能夠降低風(fēng)阻，也會(huì)減小投影面積。在目標(biāo)設(shè)定與分解開發(fā)策略評(píng)審階段，根據(jù)車型定位及相關(guān)性能需求后，可結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)的仿真開展CFD分析，通過對(duì)標(biāo)車或性能需求確定空氣動(dòng)力學(xué)目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分解，盡可能地降低離地間隙，達(dá)到降低風(fēng)阻目標(biāo)。一般情況下，每降低5～10 mm可不同程度地降低風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)阻降低對(duì)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力學(xué)也帶來了可觀的價(jià)值。下降量對(duì)風(fēng)阻影響見表2。

表2 下降量對(duì)風(fēng)阻影響

3.5 造型需求

結(jié)合企劃車型開發(fā)輸入，造型美觀性一般對(duì)離地間隙的大小有著一定的需求。外造型設(shè)計(jì)開展過程中，應(yīng)確認(rèn)輪胎選型、輪眉、側(cè)裙、前后保等與通過性相關(guān)的外造型需求，配合造型設(shè)計(jì)要求及模型評(píng)價(jià)結(jié)果，離地間隙可通過適度調(diào)整，制定滿足性能需求與造型需求的目標(biāo)值。

4 結(jié)束語

文中介紹了汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中最小離地間隙設(shè)定的方法，以便選擇合適的目標(biāo)值，確保車輛的性能、造型等需求，最終實(shí)現(xiàn)顧客滿意的宗旨。