某SUV懸架與整車操縱穩(wěn)定性分析

但世群

摘 要：汽車底盤是車輛的核心系統(tǒng)，而懸架系統(tǒng)又是底盤的重要組成部分。懸架系統(tǒng)對整車行駛動力學（如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等）有舉足輕重的影響，懸架系統(tǒng)的運動學特性會對整車的性能造成影響。操縱性是按駕駛員的意志操縱汽車方面的性能，穩(wěn)定性是即使受到干擾后恢復原來運動狀態(tài)的能力，兩者相互聯(lián)系，不可分開，穩(wěn)定性的好壞直接影響操縱穩(wěn)定的結果。本文以目標車型為研究對象，以虛擬樣機CAE仿真技術為前提，采用虛擬樣機仿真軟件ADAMS/Car模塊來分析懸架和整車的性能。

關鍵詞：懸架系統(tǒng)；懸架運動學；操縱穩(wěn)定性；虛擬樣機；ADAMS/Car

1 引言

懸架桿系的設計，使得整車姿態(tài)受到不同路面和工況是產(chǎn)生不同的變化，乘坐人員會感覺到路面的顛簸等不適，也會造成交通安全隱患。所以，汽車懸架不同的結構、不同桿系的設計具有重要的研究意義，如何提高桿系的剛度、模態(tài)及壽命，并將這種對整車姿態(tài)的影響減小，從而提高整車的行駛穩(wěn)定性和操縱方便性，提高消費者的滿意度，也提高我們自主品牌的知名度。

隨著理論研究的發(fā)展和計算機技術的進步，虛擬樣機技術應運而生?；诙囿w動力學理論的虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一項新技術，它可以在各種虛擬環(huán)境中真實的模擬產(chǎn)品整體的運動及受力情況等，快速分析多種設計方案。使用虛擬樣機技術，不但可以縮短開發(fā)周期，而且大大提供了設計質量[1]。

本文主要依托某公司自選SUV項目，采用虛擬樣機技術，先在Adams/Car模塊中創(chuàng)建前懸架總成、后懸架總成和整車模型，然后依據(jù)汽車行業(yè)關于操縱穩(wěn)定性性的試驗方法，對它們進行計算機輔助仿真分析，并且按照國標要求給出整車的評價，并初步探討了影響操縱穩(wěn)定性的因素。

2 多體系統(tǒng)動力學建模與求解過程

一個機械系統(tǒng)，從初始的幾何模型，到動力學模型的建立，經(jīng)過對模型的數(shù)值求解，最后得到分析結果，其流程如圖1所示[2]。

多剛體系統(tǒng)動力學的研究對象一般比較復雜的多體系統(tǒng)，其結構和連接方式也是多種多樣的，這個動力學方程帶來很大困難；并且系統(tǒng)的動力學方程多為高階非線性方程，所以動力學方程的建立和求解都必須由計算機去完成。多剛體系統(tǒng)動力學的研究方法主要有經(jīng)典力學、圖論方法、凱恩方法、變分方法、旋量方法[3]。

國內(nèi)外主機廠通常采用Adams/Car軟件來進行汽車多體建模和分析，并通過及后處理獲得試驗曲線和動畫。下圖2，圖3，圖4是根據(jù)某SUV的各種輸入建立的前懸、后懸和整車虛擬樣機模型。

整車模型通過11個旋轉副、8個球副及14個固定副等進行約束，模型的自由度為103個，整車主要性能參數(shù)如下：

長×寬×高（mm）4260×1804×1740

前/后輪距（mm） 1545/1540

軸距（mm） 2576

空載質量（kg） 1640

滿載質量（kg） 2070

前/后懸架剛度（N/mm） 21.3/22.2

3 典型工況分析結果

進入新時代，各主機廠均基于國際、國標形成自己的標準，我國國標主要有以下常見的試驗評價方法[4]-[9]。限于篇幅，本文只給出穩(wěn)態(tài)回轉工況的分析結果。依據(jù)國標“汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗”的要求，以比較低的車速使得能在半徑為15m的圓周上行駛；維持轉向盤的角度，逐漸加速待該SUV側向加速度0.65g，期間應注意縱向加速度不能超過0.25g，具體分析結果如下圖5，圖6，圖7，圖8和表1。

由下圖和表分析可知，該SUV中性轉向點的側向加速度、不足轉向梯度和整車側傾角梯度具有較好的計算結果，說明該車具有很好的穩(wěn)態(tài)轉向特性。

4 影響操縱穩(wěn)定性因素的探討

影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素有很多，本文選取了幾個主要的汽車特征參數(shù)，包括質心高低、質心前后位置和整車載荷等。通過仿真對比來分析這些特征參數(shù)的變化對汽車操縱穩(wěn)定性所造成的不同影響，對整車的設計具有指導意義。

4.1 質心高低對操縱穩(wěn)定性的影響

改變質心高度進行仿真分析對比（以轉向角階躍輸入為例）：定義三種狀態(tài)：Design：原車質心高度；Higher：質心抬高50mm；Lower：質心降低50mm。下圖是各質心高度的仿真曲線對比：

從下圖中可以看出，質心高度不同時，對汽車的瞬態(tài)響應性能影響較為明顯，質心抬高時，轉向盤角階躍輸入后，汽車的橫擺角度和側向加速度減小，橫擺角度響應時間和側向加速度響應時間明顯延后，同時汽車的側傾角也明顯增大。而質心降低時，橫擺角速度和側向加速度響應時間縮短，汽車的側傾角也明顯減小。因此，適當?shù)慕档唾|心高度可以提高汽車的瞬態(tài)響應特性，有利于整車的操縱穩(wěn)定性。

4.2 質心前后位置對操縱穩(wěn)定性的影響

改變質心前后位置進行仿真分析對比（以轉向角階躍輸入為例）：定義三種狀態(tài)：Design：原車質心位置；Front：質心前移100mm；Rear：質心后移100mm。下圖是各質心位置的仿真曲線對比：

從上圖中可以看出，質心前移100mm后，汽車的側向加速度和橫擺角速度都明顯增大，側向加速度和橫擺角速度響應時間增加，同時汽車的側傾角增大。質心后移100mm后，汽車的側向加速度和橫擺角速度有所減小，響應的響應時間也明顯縮短，同時汽車的側傾角也明顯減小。因此，對本車來說略微后移有利于整車的操縱穩(wěn)定性。

4.3 不同載荷對操縱穩(wěn)定性的影響

改變整車載荷進行仿真分析對比（以轉向角階躍輸入為例）：定義兩種狀態(tài)：Curb Weight：原車載荷；Full Weight：滿載。下圖是各載荷的仿真曲線對比：

從上圖中可以看出，滿載時汽車的橫擺角速度和側向加速度的峰值比空載時小，車身的側傾角也比空載時明顯較小。橫擺角速度和側向加速度的超調量也增大，橫擺角速度和側向加速度響應時間也有所延長。

5 結語

綜合對某SUV的整車的GB典型6種工況的整車開環(huán)和閉環(huán)工況的仿真分析，分析研究每個試驗的各個具體結果，根據(jù)行業(yè)標準進行總體的結果為90.5分，符合標準，說明該SUV具有良好的操縱穩(wěn)定性，也虛擬樣機的建模及操縱穩(wěn)定性試驗仿真的正確性得到了驗證，體現(xiàn)了在現(xiàn)代汽車開發(fā)中虛擬樣機技術具有了重要的作用。這對于我們汽車的開發(fā)、調教及后續(xù)的改進減少了多輪物理樣機投入，節(jié)省了公司成本、提高了效率，為新產(chǎn)品的投產(chǎn)贏得了時間。

參考文獻：

[1]鄭建榮，ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高，機械工業(yè)出版社，2002.1.

[2]陳立平等編著，機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程，清華大學出版社，2006.

[3]俞凡 林逸編制，汽車系統(tǒng)動力學，機械工業(yè)出版社，2008.

[4]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.1-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 蛇行試驗.北京：中國標準出版社，1994.

[5]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.2-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉向瞬態(tài)響應試驗（轉向盤轉角階躍輸入）.北京：中國標準出版社，1994.

[6]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.3-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉向瞬態(tài)響應試驗（轉向盤轉角脈沖輸入）.北京：中國標準出版社，1994.

[7]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.4-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉向回正性能試驗.北京：中國標準出版社，1994.

[8]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.5-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉向輕便性試驗.北京：中國標準出版社，1994.

[9]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.6-1994，汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 穩(wěn)態(tài)回轉試驗.北京：中國標準出版社，1994.