懸架K&C特性對(duì)車輛操控性能影響的分析

郭家偉，李彥偉，陳旭升

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

懸架K&C特性對(duì)車輛操控性能影響的分析

郭家偉，李彥偉，陳旭升

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)是底盤開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于整車操控性能有至關(guān)重要的影響。本文以某A級(jí)車的大量K&C數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用面向總成特性的整車動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim分析懸架K&C特性變化對(duì)整車操控性能的影響，并運(yùn)用試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法計(jì)算各特性車輛操控性能指標(biāo)的主效應(yīng)，得到了懸架K&C特性影響整車操控性能的規(guī)律，在設(shè)定懸架性能目標(biāo)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注，為整車開發(fā)早期的結(jié)構(gòu)選擇和后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

K&C試驗(yàn)；操控性能；DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

CLC NO.:U463.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-07-03

引言

懸架系統(tǒng)特性參數(shù)主要是指懸架的K&C特性參數(shù)。所謂K特性即懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性, 是指車輪在垂直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中由于懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用而導(dǎo)致車輪平面和輪心點(diǎn)產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，C特性即懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性, 是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導(dǎo)致的車輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性[1]。懸架K&C特性是底盤開發(fā)的靈魂。

整車操控客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)是整車操控性評(píng)價(jià)的重要部分，其通過特定的測試設(shè)備在特定的試驗(yàn)場地、試驗(yàn)條件下，按一定的試驗(yàn)方法對(duì)車輛的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到表征車輛特性的相關(guān)指標(biāo)的特征量[2]。汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法包括了體現(xiàn)車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)以及閉環(huán)綜合動(dòng)態(tài)品質(zhì)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性試驗(yàn)，形成了一套較完整的客觀評(píng)價(jià)體系。

本文基于某A級(jí)車的懸架K&C試驗(yàn)數(shù)據(jù), 依托整車參數(shù)化仿真平臺(tái)CarSim, 通過大量的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和仿真試驗(yàn),探索懸架K&C特性影響整車操控性能的規(guī)律。由于車輛操控客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，文中僅對(duì)體現(xiàn)車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的不足轉(zhuǎn)向度、瞬態(tài)響應(yīng)的橫擺角速度超調(diào)量、諧振頻率以及轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)中殘余橫擺角速度這4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

1、懸架K&C特性參數(shù)選取

懸架K&C的特性主要包括軸跳動(dòng)、軸側(cè)傾、縱向力加載、側(cè)向力加載和回正力矩加載5大工況, 其中每種工況下都有若干項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。但是各項(xiàng)K&C參數(shù)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性的各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度并不相同。經(jīng)過多次仿真與數(shù)據(jù)處理，我們得到對(duì)整車操縱穩(wěn)定性影響較大的11個(gè)K&C特性參數(shù)。構(gòu)成本文所研究的懸架K&C特性參數(shù), 分別分析這11個(gè)參數(shù)發(fā)生變化后整車操控性能的影響。見表1[3]。

表1 懸架懸架K&C特性參數(shù)

2、懸架K&C特性對(duì)操控性能影響的分析

2.1 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

DOE（Design Of Experiments）是一系列試驗(yàn)及分析方法集，通過有目的的改變一個(gè)系統(tǒng)的輸入來觀察輸出的改變情況。試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行合理安排，以較小的試驗(yàn)規(guī)模（試驗(yàn)次數(shù)）、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。利用該方法可以保證參與試驗(yàn)的各項(xiàng)影響因素的概率均等性(正交性)。 DOE是目前國際工程設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種系統(tǒng)優(yōu)化方法。

表2 基于DOE的仿真規(guī)劃

由于懸架K&C試驗(yàn)的基本原理就是將作用于輪胎上相互耦合的6個(gè)分力及其所產(chǎn)生的相互耦合的車輪平面運(yùn)動(dòng)解耦為每個(gè)單獨(dú)的力或力矩作用下車輪平面的角位移和線位移的變化量, 同時(shí)本研究并不考慮上文中11個(gè)懸架K&C特性參數(shù)之間的耦合關(guān)系對(duì)仿真結(jié)果的影響。 因此本文將參數(shù)發(fā)生正負(fù)變化和未發(fā)生變化作為這11個(gè)參數(shù)變化的2個(gè)水平，選用無交互作用的正交試驗(yàn)表進(jìn)行仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)， 對(duì)所有仿真結(jié)果的操控性能指標(biāo)進(jìn)行分析進(jìn)而得到顯著性主效應(yīng)指數(shù)。表2給出了本研究16次仿真分析的試驗(yàn)規(guī)劃，按照該規(guī)劃進(jìn)行仿真分析，得到各方案的仿真結(jié)果，見表3。表4為各參數(shù)在發(fā)生正負(fù)變化和未發(fā)生變化兩個(gè)水平下對(duì)結(jié)果的影響(1代表變化后，2代表無變化)[4]。

表3 各次仿真得到的結(jié)果

表 4 各參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響

2.2 主效應(yīng)分析

表5 懸架K&C特性的主效應(yīng)

由表4的數(shù)據(jù)分析可得到A級(jí)車懸架總成特性的11個(gè)因素分別對(duì)4個(gè)整車指標(biāo)影響的主效應(yīng)影響，即一個(gè)因素變化所引起的響應(yīng)變化，見表5。

3、懸架K&C特性對(duì)操控性能的影響

3.1 不足轉(zhuǎn)向度

不足轉(zhuǎn)向度是車輛在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下保持穩(wěn)定的重要指標(biāo)，適當(dāng)?shù)牟蛔戕D(zhuǎn)向度在保證車輛安全駕駛的同時(shí)可以提供駕駛員豐富的駕駛樂趣，由表5可以看出，前后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率對(duì)不足轉(zhuǎn)向度產(chǎn)生負(fù)面影響，且后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率特性對(duì)不足轉(zhuǎn)向度的負(fù)面影響最為顯著，即后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率越大，車輛的不足轉(zhuǎn)向特性越差。

3.2 諧振頻率

方向盤角脈沖試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到的諧振頻率指標(biāo)描述了車輛接受脈沖信號(hào)激勵(lì)而趨于穩(wěn)態(tài)過程中，其頻率響應(yīng)的對(duì)數(shù)幅頻特性上峰值處對(duì)應(yīng)的頻率，表示可以引起車輛系統(tǒng)諧振的頻率，因諧振頻率引起的振動(dòng)可能對(duì)車輛造成更激勵(lì)的響應(yīng)，車輛諧振頻率應(yīng)盡可能高一些，避免因駕駛員的快速操作引起車輛的過度反應(yīng)，但是諧振頻率不宜過高，過高會(huì)造成其他頻率成分對(duì)車輛的擾動(dòng)。

由表5可以看出，大部分懸架總成參數(shù)都對(duì)諧振頻率有正面影響，少數(shù)參數(shù)有負(fù)面影響，后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率特性對(duì)諧振頻率的負(fù)面影響最為顯著。

3.3 橫擺角速度超調(diào)量

方向盤角階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到的橫擺角速度超調(diào)量指標(biāo)描述了車輛接受階躍信號(hào)激勵(lì)而趨于穩(wěn)態(tài)過程中，其橫擺角速度峰值與橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值之間的差值，再除以穩(wěn)態(tài)值，表示了車輛響應(yīng)過程中橫擺角速度的平穩(wěn)性，超調(diào)量越大，橫擺角速度的平穩(wěn)性越差，因此希望超調(diào)量越小越好。

由表5可以看出，大部分懸架總成參數(shù)都對(duì)橫擺角速度超調(diào)量有正面影響，少數(shù)參數(shù)由負(fù)面影響，而后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率特性對(duì)諧振頻率的負(fù)面影響最為顯著。

3.4 殘留橫擺角速度

方向盤低速轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到的殘留橫擺角速度描述了低速、小側(cè)向加速度狀態(tài)下，車輛系統(tǒng)在外界擾動(dòng)撤除后，向穩(wěn)定狀態(tài)過渡時(shí)，最終接近直線行駛狀態(tài)的程度。指標(biāo)越小，則性能越好，該指標(biāo)描述車輛系統(tǒng)的低速回正能力。

由表5可以看出，前懸架后傾角隨輪跳變化率對(duì)殘留橫擺角速度有較明顯的正面影響，而前懸架前束隨輪跳變化率對(duì)殘留橫擺角速度有較明顯的負(fù)面影響。

4、結(jié)論

由上面的分析可知，該車型后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率對(duì)車輛穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)特性影響顯著，因?yàn)樵谲囕v受到激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)，懸架導(dǎo)向桿系在各種力、力矩作用下發(fā)生變形，影響前后輪側(cè)偏剛度，同時(shí)由于輪胎在載荷變化下產(chǎn)生的外傾推力方向、大小可以與施加于車輪上的側(cè)向力共同影響輪胎與地面之間總的側(cè)向力，進(jìn)而影響車輛響應(yīng)[3]。

前后輪側(cè)偏剛度的匹配是影響車輛轉(zhuǎn)向特性的根本因素?？紤]了懸架總成的參數(shù)化車輛模型，其前、后輪側(cè)偏角加入了由于懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和彈性元件所產(chǎn)生的附加車輪轉(zhuǎn)向角成分，即K&C特性中側(cè)向力轉(zhuǎn)向率特性的部分，因此側(cè)向力轉(zhuǎn)向率特性會(huì)顯著影響車輛操控性能的仿真結(jié)果[4]。

在轉(zhuǎn)向回正的過程中，整車上側(cè)向力很小，而車輪轉(zhuǎn)角很大，會(huì)在內(nèi)外側(cè)前輪輪上形成強(qiáng)制的側(cè)偏角，在一個(gè)極限范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向力矩，為使車輛能夠自己回正，就需要借助于重力回正，而車輪抬起的高度取決于主銷的位置，因此主銷的參數(shù)變化顯著影響了車輛低速回正性能[6]。

5、結(jié)束語

1. 通過DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到了某A級(jí)車懸架總成特性參數(shù)對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響指數(shù)規(guī)律，分析結(jié)果支持車輛操控基礎(chǔ)理論的預(yù)測，基于該方法可以進(jìn)行更深一步結(jié)構(gòu)和性能方面的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.后懸架是操縱穩(wěn)定性的核心，尤其是后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化，即側(cè)向力轉(zhuǎn)向率部分顯著影響了整車操縱穩(wěn)定性仿真的結(jié)果[7]。在進(jìn)行懸架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把側(cè)向力轉(zhuǎn)向率這一類特性作為影響操控性能的主要因素考慮。

3. 本文僅僅對(duì)懸架總成特性部分參數(shù)影響整車操控性能的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，汽車底盤是一個(gè)復(fù)雜的操控系統(tǒng)，各項(xiàng)性能之間還存在相互關(guān)聯(lián)，在對(duì)其進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮各項(xiàng)性能。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006:120-125.

[2] 王蠡. K&C 懸架試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及操縱穩(wěn)定性分析:[學(xué)位論文].長春:吉林大學(xué)，2007，6.

[3] 耶爾森.賴姆帕爾[著]，張洪欣，余卓平[譯].汽車底盤基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)普及出版社，1992.

[4] 王蠡.扭力梁后橋總成參數(shù)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性的影響分析.汽車工程.2011.33(1):60-64.

[5] 郭孔輝.汽車操縱動(dòng)力學(xué).長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1991.12.

[6] 劉擁軍，王蠡，任凱，陳璟，舒進(jìn).麥佛遜懸架總成參數(shù)對(duì)政策操控性能的影響分析.汽車技術(shù).2011.33(1):22-28.

[7] 王爽.某微車懸架K&C特性研究及其對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響.[D].吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

Effect analysis of suspension K&C parameter which affect vehicle dynamics

Guo Jiawei, Li Yanwei, Chen Xusheng
( R&D Center of Great Wall Motor Company,Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Hebei Baoding 071000 )

The design of suspension system is a crucial part of chassis research and development, which has an important influence on vehicle handling. Based on a large amount of test data obtained in one A-class vehicle’s K&C characteristics test, use CarSim parameterized simulation software analyse the suspension K&C characteristics’ change influences vehicle handling, and applying the DOE experiment design, have been carried out respectively and parameter main effect analysis is made to the virtual test results, and the effect rule of the A class vehicle suspension parameter which affect vehicle handling are obtained, providing a basis for the structure selection in the early stage of platform development and subsequent structural design.

K&C test data; vehicle handling; Design of experiment

U463.3

A

1671-7988(2015)07-07-03

郭家偉，就職于長城汽車技術(shù)中心，從事懸架K&C測試類工作。