懸架側(cè)傾中心分析及其在底盤調(diào)校中的應(yīng)用

郝景賢

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

懸架側(cè)傾中心分析及其在底盤調(diào)校中的應(yīng)用

郝景賢

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

針對(duì)汽車底盤調(diào)校的關(guān)鍵問(wèn)題，以某型商用車底盤為研究載體，簡(jiǎn)述了如何根據(jù)懸架布置來(lái)設(shè)計(jì)校核側(cè)傾中心高度及其變化.再?gòu)纳逃密囎陨淼母咧匦奶攸c(diǎn)出發(fā)，圍繞抗側(cè)翻特性和舒適性對(duì)底盤調(diào)校的要求，論述了懸架側(cè)傾中心高度設(shè)計(jì)和后期底盤調(diào)校懸架彈性元件調(diào)校范圍之間的關(guān)系.說(shuō)明了在特定側(cè)傾中心高度下，如何通過(guò)車輛基礎(chǔ)舒適性和抗側(cè)翻要求來(lái)確定底盤調(diào)校彈性元件的范圍，從而可以在設(shè)計(jì)前期對(duì)后期底盤的可調(diào)性進(jìn)行評(píng)估，從而減少了項(xiàng)目后期無(wú)法達(dá)到基本目標(biāo)的可能性.該調(diào)教方法對(duì)于提升商用車的整體性能具有重要的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

懸架側(cè)傾中心；側(cè)傾舉升效應(yīng)；底盤調(diào)校；抗側(cè)翻特性

懸架的側(cè)傾中心高度是懸架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)車輛的抗側(cè)翻特性、操控性、輪胎的磨損、用戶駕乘信心等車輛性能均有重要的影響.由于側(cè)傾中心高度由懸架的幾何機(jī)構(gòu)決定，在設(shè)計(jì)初期確定之后，后期很難更改，所以對(duì)它的理論分析和優(yōu)化就顯得尤為重要.

國(guó)外汽車企業(yè)的工程師們對(duì)懸架側(cè)傾中心高度進(jìn)行深入的研究，并在實(shí)際車輛設(shè)計(jì)中詳細(xì)考量了懸架側(cè)傾中心高度與車輛操控性之間的關(guān)系［1］.而國(guó)內(nèi)由于目前底盤自主開發(fā)水平較低，側(cè)傾中心高度的設(shè)計(jì)還以參考國(guó)外車型為主，未形成自己的底盤設(shè)計(jì)思路，只是單獨(dú)的對(duì)側(cè)傾中心高度進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算［2］，底盤整體設(shè)計(jì)思路中缺少對(duì)側(cè)傾中心高度的認(rèn)識(shí).

底盤調(diào)校作為在項(xiàng)目后期進(jìn)行的工作，其提升車輛操控和平順性的程度，一定意義上取決于前期的客觀設(shè)計(jì).很難想象一個(gè)前期基礎(chǔ)設(shè)計(jì)互相矛盾的車輛能夠通過(guò)主觀調(diào)校使得車輛性能有質(zhì)的提升.所以前期的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，對(duì)底盤調(diào)校有著至關(guān)重要的影響.在這些基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)中，尤其對(duì)于具有較高質(zhì)心的商用車輛而言，懸架側(cè)傾中心高度直接關(guān)系到底盤調(diào)校最重要的平順性和抗側(cè)翻特性，直接影響到底盤調(diào)校樣件所能包括的范圍.

本文首先從懸架前、后側(cè)傾中心的設(shè)計(jì)和匹配出發(fā)，進(jìn)行底盤架構(gòu)的基礎(chǔ)抗設(shè)計(jì).討論了懸架側(cè)傾中心高度和車輛舒適性及抗側(cè)翻性能之間的關(guān)系，闡述了懸架側(cè)傾中心高度對(duì)底盤彈性原件調(diào)校范圍的影響.

1 前后懸架側(cè)傾中心的設(shè)計(jì)及匹配

懸架的側(cè)傾中心對(duì)車輛輪胎的磨損、側(cè)翻穩(wěn)定性等有著決定性的作用，前后懸架側(cè)傾中心的連線——側(cè)傾軸線，也對(duì)車輛的操控性能有著決定性的影響［3］.

對(duì)于商用車而言，由于其重心較高，因而要求較高的側(cè)傾中心來(lái)滿足抗側(cè)翻的要求，而商用車較大的載荷及懸架行程則要求行駛中輪距變化較小來(lái)避免輪胎的早期磨損，需要綜合考慮以上情況來(lái)設(shè)計(jì)匹配前后懸架側(cè)傾中心.

1.1 車輛前后懸架側(cè)傾中心的匹配設(shè)計(jì)

如圖1所示，以麥?zhǔn)姜?dú)立懸架為例，側(cè)傾中心高度既要滿足車輛輪距變化最大值要求，又要具備一定的高度以滿足抗側(cè)傾要求.側(cè)傾中心高度148 mm，側(cè)傾中心高度主要由底盤硬點(diǎn)設(shè)計(jì)來(lái)決定，在硬點(diǎn)設(shè)計(jì)初期需用通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)手段（例如ADAMS仿真）保證側(cè)傾中心高度和如圖2所示的輪距隨車輪上下跳動(dòng)變化梯度合乎要求.對(duì)于獨(dú)立懸架需要仔細(xì)校核其輪距變化情況.

非獨(dú)立懸架如圖3所示，一般用為商用車的后懸架，其側(cè)傾中心主要由橫向布置的潘哈桿來(lái)決定，其輪距隨車輪的上下跳動(dòng)的變化量很小，如圖4所示.主要設(shè)計(jì)點(diǎn)在于側(cè)傾中心的高度匹配.

圖1 前懸架及側(cè)傾中心圖示Fig.1 Front suspension roll center

圖2 前輪輪距隨車輪上下跳動(dòng)變化圖Fig.2 Variation of front wheel track with the wheel jumping

圖3 后懸架及側(cè)傾中心圖示Fig.3 Rear suspension roll center

圖4 后懸架輪心橫向坐標(biāo)隨車輛側(cè)傾角度變化圖Fig.4 Variation of rear wheel center position with the vehicle rolling angle

典型的商用車前懸架為獨(dú)立懸架，后懸架采用非獨(dú)立懸架，其前后懸架側(cè)傾中心高度決定著操控性.對(duì)于商用車而言，其空滿載時(shí)車輛姿態(tài)及車輛操控特性變化相當(dāng)大，尤其是后懸架，所以不只需要在設(shè)計(jì)狀態(tài)下校核前后側(cè)傾中心高度連線角度，尤其重要的是在滿載情況下的校核.

1.2 動(dòng)態(tài)“jack up”效應(yīng)對(duì)車輛側(cè)傾中心設(shè)計(jì)的要求

車輛在運(yùn)行過(guò)程中側(cè)傾中心會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示.不同的懸架會(huì)在車輛轉(zhuǎn)彎過(guò)程對(duì)人的主觀感受產(chǎn)生不同的影響.對(duì)于一個(gè)較好的懸架側(cè)傾中心匹配，希望在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中呈現(xiàn)出車身高度不上升，車頭不抬高的狀態(tài)，有利于駕乘人員的駕乘信心［4］，稱之為“jack up”.

圖5 側(cè)傾舉升效應(yīng)Fig.5 Jacking up effect

圖6 懸架側(cè)傾中心變化圖Fig.6 Variation of suspension roll center

商用車懸架行程相對(duì)較大，側(cè)傾梯度較大，“jack up”的效應(yīng)更加突出，在設(shè)計(jì)中需要校核車輛轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的“jack up”效應(yīng).利用ADAMS軟件分別建立前后懸架的MBD模型進(jìn)行相關(guān)的分析［5］，即可得到前后懸架側(cè)傾中心在車輛轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的變化，如圖6所示.從而可以在設(shè)計(jì)早期即識(shí)別此效應(yīng)，在前期設(shè)計(jì)中避免此問(wèn)題.

2 懸架側(cè)傾中心高度與底盤調(diào)校

底盤調(diào)校中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)車輛的動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻特性和懸架偏頻之間的矛盾，一方面需要較大的彈簧剛度來(lái)減小車輛的側(cè)傾以增強(qiáng)抗側(cè)翻特性，一方面又需要減小彈簧剛度以獲得較好的平順性，而通過(guò)這兩個(gè)性能要求，可以得到基本的彈性件調(diào)校范圍，其流程如圖7所示.從基本的懸架特性可知，影響動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻特性的可設(shè)計(jì)參數(shù)中最為關(guān)鍵是懸架側(cè)傾中心高度，前期合理設(shè)計(jì)懸架側(cè)傾中心高度可以有效地保證后期底盤調(diào)校有較為平衡的抗側(cè)翻和平順特性.

圖7 底盤調(diào)校彈性件范圍設(shè)計(jì)流程Fig.7 Design flow chart of chassis elastic parts tuning range

2.1 側(cè)傾中心高度與車輛抗側(cè)翻特性

懸架的側(cè)傾中心高度直接與車輛的動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻特性相關(guān)，如圖8所示.圖中Fz0，F(xiàn)z1，F(xiàn)y0，F(xiàn)y1分別為車輛左、右輪胎所受的重向力及側(cè)向力；Mg為車輛質(zhì)心所受重力；φ為車輛側(cè)傾角.影響車輛抗側(cè)翻特性的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要素包括：輪距t、重心距離地面高度h、側(cè)傾中心離地高度hr、側(cè)傾梯度.其中側(cè)傾梯度主要由底盤調(diào)校的彈性件剛度決定，其余可設(shè)計(jì)點(diǎn)僅僅為懸架側(cè)傾中心高度.

圖8 車輛側(cè)傾計(jì)算Fig.8 Calculation of rolling angle

車輛的動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻特性主要采用美國(guó)NHTSA的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，采用5星級(jí)評(píng)分.一般在車輛開發(fā)中首先設(shè)定車輛所要求達(dá)到的NHTSA的星級(jí)［6］，如圖9所示，對(duì)于商用車而言，由于重心較高，抗側(cè)翻特性需要特別加以重點(diǎn)考慮，在設(shè)計(jì)之初對(duì)于基本的抗側(cè)翻特性需加以詳細(xì)較算.一般在設(shè)計(jì)中，車輛的基本抗側(cè)翻性能［7］最大側(cè)向加速度計(jì)算如下

式中，t為輪距；h為重心距離地面高度；hr為側(cè)視圖中重心位置處側(cè)傾中心離地高度；R為側(cè)傾梯度.

圖9 美國(guó)NHTSA評(píng)分一般要求Fig.9 General Requirement of NHTSA

在最大側(cè)向加速度一定的情況下，通過(guò)式（1）得到懸架側(cè)傾角剛度和懸架側(cè)傾中心高度之間的關(guān)系，再通過(guò)基本的懸架側(cè)傾角剛度計(jì)算［8］，即可得到懸架彈性件的所需最小剛度值.

從此可以得出，前期懸架側(cè)傾中心高度的設(shè)計(jì)值，決定了后期底盤調(diào)校時(shí)所能達(dá)到的最小的彈簧剛度.

2.2 側(cè)傾中心高度與車輛平順性

平順性是底盤調(diào)校中一個(gè)最為重要的內(nèi)容，車輛的平順性最重要的指標(biāo)之一就是懸架偏頻.在進(jìn)行底盤調(diào)校時(shí)，為了獲得較好的平順性，通常希望能夠降低懸架彈簧的剛度.

通常在車輛前期目標(biāo)設(shè)定時(shí)，設(shè)定懸架的偏頻最大值，這樣也確定了懸架彈簧剛度的上限值.通過(guò)側(cè)傾中心與車輛抗側(cè)翻特性的關(guān)系可知，要保證能夠達(dá)到合理的抗側(cè)翻特性，彈簧的剛度必須與懸架側(cè)傾中線高度進(jìn)行匹配設(shè)計(jì).這樣，要使得懸架剛度足夠低，則需要一個(gè)較高的懸架側(cè)傾中心高度.

從以上分析得出，懸架側(cè)傾中心高度，直接在底盤設(shè)計(jì)前期確定了底盤調(diào)校彈性件的范圍，較低的懸架側(cè)傾中心，尤其對(duì)于商用車而言，會(huì)使得后期底盤調(diào)校時(shí)無(wú)法采用較軟的懸架彈簧，從而使得車輛的平順性受到很大影響.所以在底盤前期架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，就需要從后期的舒適性設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)懸架側(cè)傾中心高度提出一定的要求.

3 結(jié) 論

懸架的側(cè)傾中心高度及其對(duì)車輛特性的影響是底盤整體設(shè)計(jì)的一條主線，尤其對(duì)于商用車而言，較高的質(zhì)心高度使得車輛特性對(duì)側(cè)傾中心高度更加敏感.而對(duì)于底盤調(diào)校而言，根據(jù)側(cè)傾中心高度、抗側(cè)翻特性、平順性客觀指標(biāo)，可以通過(guò)計(jì)算得到底盤主要彈性件的限定范圍，然后采用動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)車輛平順性進(jìn)行仿真分析［9］，在底盤主觀調(diào)校時(shí)可有效減少調(diào)試的規(guī)格和時(shí)間.同樣，亦可避免前期錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)造成后期底盤調(diào)校時(shí)無(wú)法協(xié)調(diào)抗側(cè)翻特性和平順性.

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（編輯：董 偉）

Suspension Roll Center Analysis and Its Application in Chassis Tuning

HAOJing-xian
（School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Aiming at studying the key problems of vehicle chassis tuning，the roll center height and its migration were designed and checked taking certain type of commercial vehicle as an investigated object.Based on the feature of high roll center of commercial vehicle，the relationship betmeen the suspension roll center height and the suspension elastic element tuning range was explained.It was made clear how to define the suspension elastic element tuning range in acoordance with the comfort requirement and the anti-roll equation，so as to evaluate the tuning availability on the primary design stage，and avoid the possibility of dissatisfaction of chassis performance.The tuning method provided in the paper has important guiding significance and engineering application value to improve the overall performance of commercial vehicle.

roll center；jack up effect；suspension tuning；anti-rollover

U 463.33文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1007-6735（2014）05-0507-04

10.13255／j.cnki.jusst.2014.05.019

2013-09-18

郝景賢（1972-），男，高級(jí)工程師.研究方向：汽車設(shè)計(jì).Email：Haojingxian＠saicmotor.com