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(yùn)動學(xué)和彈性運(yùn)動學(xué)（Kinematics and Compliance, K&C）特性，包括幾何運(yùn)行學(xué)（K特性）和彈性運(yùn)動學(xué)（C特性）兩部分。K特性指車輪垂向往復(fù)運(yùn)動時，在懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下，車輪平面和輪心點(diǎn)處產(chǎn)生的角位移及線性位移變化的特性，主要根據(jù)懸架各部件的幾何硬點(diǎn)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(yùn)行特性進(jìn)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(chǎn)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(tài)下的運(yùn)動趨勢。

在汽車操穩(wěn)性能開發(fā)中，通常包括計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Charging, CAE）虛擬仿真、K&C試驗和實車調(diào)校三階段，其中懸架K&C分析主要作用是幫助確認(rèn)懸架硬點(diǎn)設(shè)置的合理性及懸架各部件的剛度、重量、尺寸等設(shè)計的合理性，在整個操穩(wěn)性能開發(fā)周期中均發(fā)揮重要作用，在產(chǎn)品初期可用于指導(dǎo)懸架系統(tǒng)設(shè)計，在競品研究階段用于解析懸架運(yùn)動性能，在不同樣件調(diào)校階段可指導(dǎo)底盤調(diào)校工作[1]。因此，一個準(zhǔn)確的K&C推薦方向?qū)τ诘妆P的設(shè)計和調(diào)校都有至關(guān)重要的意義。

1 K&C試驗

K&C試驗需在K&C臺架上進(jìn)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(yùn)動所產(chǎn)生的懸架變形，該臺架主要模擬汽車運(yùn)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(shù)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(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)，分別控制參數(shù)測量和整車 運(yùn)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(tǒng)、車輪平臺、車身框架和慣性測量系統(tǒng)四部分。測量系統(tǒng)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(shù)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(yīng)的運(yùn)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(xiàn)車輛整體輪跳、側(cè)傾、轉(zhuǎn)向運(yùn)動，慣性測量系統(tǒng)由各種控制柜、液壓伺服系統(tǒng)和電腦組合而成，其中液壓伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)各個車輪的側(cè)向、縱向、轉(zhuǎn)動運(yùn)動。

圖2 車輪平臺局部示意圖

目前生產(chǎn)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(shù)范圍見表1，本文主要介紹輪跳、側(cè)傾和轉(zhuǎn)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(yùn)動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型K特性試驗結(jié)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(diǎn)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(tǒng)測試懸架位移、角度、力等，從而得出相關(guān)參數(shù)。K&C試驗一輪可測上百組數(shù)據(jù)，本文只針對重點(diǎn)關(guān)注部分進(jìn)行說明。

2.1.1 剛度

剛度為位移與力的關(guān)系（見表2），在車輪上下跳動時，主要關(guān)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(diǎn)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(diǎn)為輪胎接地點(diǎn)，在懸架剛度的基礎(chǔ)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(wěn)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(wěn)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(dāng)車輪垂向位移為0時縱坐標(biāo)垂向力對應(yīng)的值為懸架摩擦（N），平順性的重要指標(biāo)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(shù)圖

2.1.2 角度

在汽車上下跳動時，主要關(guān)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(dǎo)致的輪胎磨損[2]。原則為前束變化前負(fù)后正，理論上無論車輪上跳還是下跳時，前束角都不應(yīng)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(chǎn)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(wěn)定性越好。當(dāng)前懸架輪跳值偏大時，會導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)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(wěn)定性貢獻(xiàn)越大，但由于懸架設(shè)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(guān)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(tài)下當(dāng)車輪上跳時，為減少對乘員的沖擊，輪心應(yīng)該向后移動。后輪過沖擊時，若后輪具有往后方運(yùn)動的趨勢，即輪心縱向位移變化率為負(fù)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(qiáng)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(shù)圖

2.2 側(cè)傾工況

側(cè)傾運(yùn)動和平行跳動不同，此時需要左右兩側(cè)車輪反方向跳動，一側(cè)向上一側(cè)向下，模擬汽車在轉(zhuǎn)彎時所產(chǎn)生的側(cè)傾運(yùn)動，通常為測試有無穩(wěn)定桿兩種試驗工況，兩種工況對比來得出穩(wěn)定桿提供的側(cè)傾貢獻(xiàn)度。

2.2.1 剛度

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

圖5 懸架側(cè)傾剛度參數(shù)圖

表5 Roll工況剛度表

橫向穩(wěn)定桿對側(cè)傾剛度的貢獻(xiàn)度比較高，增加穩(wěn)定桿的直徑可以增加懸架的側(cè)傾剛度，雖然太粗的穩(wěn)定桿能提供很好的側(cè)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(zhuǎn)向度[6]。懸架的側(cè)傾剛度一定要足夠大以保證直線行駛的穩(wěn)定性，理論上在一定的范圍內(nèi)側(cè)傾剛度越大越好，通常前懸架側(cè)傾剛度在1500～3000 Nm/deg范圍內(nèi)，后懸架在500～1500 Nm/deg范圍內(nèi)。

2.2.2 角度

側(cè)傾運(yùn)動中主要關(guān)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(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)彎的時候車輪最大程度上與地面保持垂直，保證輪胎的側(cè)偏性能，此外前后側(cè)傾外傾系數(shù)應(yīng)盡量匹配。

表6 Roll工況角度表

2.3 轉(zhuǎn)向工況

轉(zhuǎn)向工況和輪跳、側(cè)傾不同，此時車輪平臺保持水平，轉(zhuǎn)向前使水平方向力為零，通過轉(zhuǎn)動方向盤測量方向盤和車輪相關(guān)參數(shù)，通常有發(fā)動機(jī)啟動和未啟動兩種工況。

在轉(zhuǎn)向工況中主要關(guān)注轉(zhuǎn)向傳動比，轉(zhuǎn)向角傳動比可以理論為方向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值，一般根據(jù)轉(zhuǎn)向盤總?cè)?shù)和轉(zhuǎn)向管柱行程，結(jié)合前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)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(shù)，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(shù)圖

表8為某車型部分K特性結(jié)果，可以得出懸架剛度，穩(wěn)定桿提供的側(cè)傾剛度等參數(shù)，通過對K特性運(yùn)動工況分析和K&C數(shù)據(jù)庫的積累，結(jié)合主觀評價的結(jié)果，可以得出推薦范圍，可以得出某SUV車型經(jīng)過操穩(wěn)調(diào)校后參數(shù)符合要求。

表8 某車型K特性結(jié)果

3 總結(jié)

根據(jù)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(jié)果，重點(diǎn)介紹位移、角度和力隨懸架輸入?yún)?shù)的變化，通過對試驗工況的分析，指出各個工況的運(yùn)動原理和參數(shù)推薦方向，重點(diǎn)介紹前束、外傾角和輪心位移的變化對整車運(yùn)動的影響。

底盤性能是一個復(fù)雜的性能，在正式底盤調(diào)校前，需結(jié)合動力學(xué)仿真分析和K&C試驗結(jié)果，提前發(fā)現(xiàn)規(guī)避車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，而在正式調(diào)校時可以花很多精力在系統(tǒng)零部件的匹配上，這樣可以節(jié)約開發(fā)周期，提高整車性能。