整車姿態(tài)仿真計算與影響因素分析

李進(jìn)超，胡浩炬

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

整車姿態(tài)是乘用車的一項重要參數(shù)，直觀體現(xiàn)為前后輪眉的離地高度，一方面整車靜態(tài)姿態(tài)會直接影響整車的外觀造型[1]，是造型設(shè)計中很重要的元素；另一方面整車動態(tài)姿態(tài)的變化對整車操縱穩(wěn)定性及舒適性等產(chǎn)生影響[2]。因此，在整車項目開發(fā)過程中對整車姿態(tài)進(jìn)行分析與控制是一項非常重要的設(shè)計工作。

目前關(guān)于整車姿態(tài)相關(guān)文獻(xiàn)研究主要集中在整車動態(tài)姿態(tài)控制[2-5]、理論分析整車靜態(tài)姿態(tài)的影響因素[6-8]等方面，有關(guān)整車靜態(tài)姿態(tài)仿真計算及影響因素定量分析的研究較少。本文提出了一種整車靜態(tài)姿態(tài)的仿真計算方法，通過在Adams/Car軟件中建立懸架多體動力學(xué)模型，對整車姿態(tài)及懸架參數(shù)仿真計算并驗證，提出彈簧預(yù)載對整車姿態(tài)影響的理論計算公式，基于模型結(jié)合仿真與理論計算的方法研究了彈簧剛度、彈簧自由長度、彈簧安裝長度、襯套剛度、襯套裝配工藝等因素對整車姿態(tài)的影響。

1 基于Adams的整車姿態(tài)仿真計算

本文以輪眉離地高度H表征整車姿態(tài)，H是指輪眉最高點與地面線之間的垂向距離，如圖1所示。

1.1 整車姿態(tài)理論計算公式

輪眉離地間隙高度H可以通過以下公式計算得到：

式中：R為輪胎的自由半徑；F為輪荷；K為輪胎的垂直剛度；HL為輪眉最高點的Z向坐標(biāo)；HC為輪心點的Z向坐標(biāo)；HL、HC是多體動力學(xué)模型里整車坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，該坐標(biāo)系位于車身上。

HL通過在數(shù)模上量取得到，HC通過在建立的仿真模型里加載輪荷F計算得到，R、K為已知的參數(shù)輸入，從而按照式（1）可以仿真計算出輪荷F對應(yīng)下的整車姿態(tài)，F(xiàn)對應(yīng)空半滿輪荷時，則對應(yīng)計算出空半滿狀態(tài)下的整車姿態(tài)。

圖1 輪眉離地高度

1.2 仿真模型的建立及驗證

從式（1）可知，計算整車姿態(tài)關(guān)鍵是要得到輪荷F對應(yīng)下輪心Z向坐標(biāo)，本文以某車型為研究對象，通過在Adams/Car軟件里建立其懸架模型，如圖2所示，該模型中硬點、彈性件剛度、彈簧參數(shù)等均為設(shè)計值。仿真計算時在車輪處施加輪荷F，如圖3所示，懸架達(dá)到靜平衡時輪心參考整車坐標(biāo)系的Z向坐標(biāo)即為HC，仿真計算可得到空半滿輪荷對應(yīng)下的HC，從而計算出空半滿下的姿態(tài)。

由于空半滿狀態(tài)之間姿態(tài)的變化不僅跟輪荷變化相關(guān)，還跟懸架剛度相關(guān)，因此應(yīng)該對模型計算的懸架剛度同實測值進(jìn)行對標(biāo)，以驗證模型的準(zhǔn)確性，如圖4所示，為該模型前后懸架剛度仿真與試驗的對比，通過對比可以看出，懸架剛度曲線同試驗數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了模型的準(zhǔn)確性，滿足姿態(tài)計算分析所要求的精度。

圖2 某車型前/后懸架模型

圖3 懸架姿態(tài)仿真計算

圖4 前/后懸架剛度仿真與試驗對比

1.3 整車姿態(tài)及相關(guān)參數(shù)的仿真計算

基于上節(jié)建立的懸架模型，依據(jù)式（1）仿真計算出來該車型的整車姿態(tài)如表1所示，可以看出，仿真計算出半載狀態(tài)下的姿態(tài)同設(shè)計值一致，這也驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。下文中將該仿真計算的姿態(tài)結(jié)果作為基準(zhǔn)值開展關(guān)于姿態(tài)的影響因素分析。

懸架部分參數(shù)計算結(jié)果如表2所示，彈簧貢獻(xiàn)剛度是指彈簧對懸架剛度的貢獻(xiàn)量，其貢獻(xiàn)剛度Kspring=彈簧剛度·彈簧杠桿比2；其他彈性件貢獻(xiàn)剛度是指襯套、緩沖塊等對懸架剛度的貢獻(xiàn)量，其貢獻(xiàn)剛度Kbush=懸架剛度Ks-彈簧貢獻(xiàn)剛度Kspring。

表1 整車姿態(tài)仿真結(jié)果與設(shè)計值對比

表2 懸架部分參數(shù)

2 整車姿態(tài)的影響因素分析

從式（1）可知，整車姿態(tài)由輪胎受載半徑（R-F/K）、輪眉造型HL和懸架姿態(tài)HC組成。受載半徑由輪胎自由半徑R、輪胎垂直剛度K及輪荷F決定，該3個參數(shù)對姿態(tài)的影響較簡單和直觀；HL為輪眉最高點里相對車身基準(zhǔn)的高度，可認(rèn)為是一個定值；HC為輪心相對車身基準(zhǔn)的高度，可稱為懸架姿態(tài)。本文主要對懸架姿態(tài)的影響因素進(jìn)行分析。

2.1 彈簧預(yù)載

彈簧預(yù)載是指懸架設(shè)計狀態(tài)時彈簧提供的作用力，該參數(shù)是彈簧很重要的設(shè)計輸入?yún)?shù)，彈簧預(yù)載對姿態(tài)的影響可用以下公式計算：

式中：δH為姿態(tài)變化量，正值表示抬高，負(fù)值表示降低；δFs為彈簧預(yù)載的變化量，正值表示增大，負(fù)值表示減??；λs為彈簧杠桿比；Ks為懸架剛度。

彈簧預(yù)載由彈簧剛度、安裝長度和自由長度決定，F(xiàn)s=Ksp·（Lz-La），其中Ksp為彈簧剛度，Lz為彈簧自由長度，La為彈簧安裝長度，3個參數(shù)任何一個變化都會引起彈簧預(yù)載的變化。通過分析可知：

由式（2）、（3）可以得到：

式（4）是彈簧剛度對各狀態(tài)下整車姿態(tài)的影響計算公式。式中：δKsp為彈簧剛度變化量；Kbush為空半滿狀態(tài)下其他彈性件對懸架剛度的貢獻(xiàn)度；λs為空半滿狀態(tài)下的彈簧杠桿比；Ft為設(shè)計狀態(tài)下的輪荷；F為空半滿狀態(tài)下的輪荷。

式（5）、（6）是彈簧自由長度和安裝長度對各狀態(tài)下的姿態(tài)的影響計算公式，近似認(rèn)為彈簧自由長度和安裝長度對懸架剛度無影響。式中：δLz為彈簧自有長度變化量；δLa為彈簧安裝長度變化量；λs為空半滿狀態(tài)下的彈簧杠桿比；Ks空半滿狀態(tài)下的懸架剛度。

2.1.1 彈簧剛度對姿態(tài)的影響分析

基于以上的分析，通過仿真、理論公式兩種方法分析彈簧剛度對姿態(tài)的影響，如表3、4及圖5、6所示：仿真計算的姿態(tài)同理論公式計算的結(jié)果基本吻合，一方面驗證了理論計算公式（4）的準(zhǔn)確性；另一方面可得彈簧剛度對姿態(tài)的影響基本成線性正比關(guān)系。

前彈簧剛度對空、半、滿整車姿態(tài)的影響靈敏度分別為 ： 6 mm/（N/mm）、 6.4 mm/（N/mm）、 6.5 mm/（N/mm），后彈簧剛度對空、半、滿整車姿態(tài)的影響靈敏度分別為：2.6 mm/（N/mm）、3.1 mm/（N/mm）、3.2 mm/（N/mm），彈簧剛度的變化會導(dǎo)致懸架剛度的變化，因此對各狀態(tài)下的姿態(tài)影響靈敏度略有差異。

表3 彈簧剛度對前懸姿態(tài)影響

表4 彈簧剛度對后懸姿態(tài)影響

圖5 彈簧剛度對前懸姿態(tài)影響

圖6 彈簧剛度對后懸姿態(tài)影響

2.1.2 彈簧自由長度對姿態(tài)的影響分析

彈簧自由長度對姿態(tài)的影響如表5、6及圖7、8所示。仿真計算的姿態(tài)同理論公式計算的結(jié)果基本吻合，一方面驗證了理論計算公式（5）的準(zhǔn)確性；另一方面可知彈簧自由長度對姿態(tài)的影響基本成線性正比關(guān)系。

前彈簧自由長度對空、半、滿整車姿態(tài)的影響靈敏度分別為：0.9 mm/mm、0.9 mm/mm、0.9 mm/mm，由于彈簧自由長度的變化會不會影響懸架剛度的變化，前懸空、半、滿懸架剛度差異很小，因此對各狀態(tài)下的姿態(tài)影響靈敏度基本一致。

后彈簧自由長度對空、半、滿整車姿態(tài)的影響靈敏度分別為：1.2 mm/mm、1.2 mm/mm、1 mm/mm，后懸由于滿載狀態(tài)的懸架剛度相比空、半載大，因此對滿載姿態(tài)的影響靈敏度較小，空、半狀態(tài)下的姿態(tài)影響靈敏度基本一致。

表5 彈簧自由長度對前懸姿態(tài)影響

表6 彈簧自由長度對后懸姿態(tài)影響

圖7 彈簧自由長度對前懸姿態(tài)影響

圖8 彈簧自由長度對后懸姿態(tài)影響

2.1.3 彈簧安裝長度對姿態(tài)的影響分析

實車中由于彈簧墊的受力變形等原因會導(dǎo)致彈簧實際安裝長度相比設(shè)計安裝長度有誤差。彈簧安裝長度對姿態(tài)的影響如表7、8及圖9、10所示。仿真計算的姿態(tài)同理論公式計算的結(jié)果基本吻合，一方面驗證了理論計算公式（6）的準(zhǔn)確性；另一方面可得彈簧安裝長度對姿態(tài)的影響基本成線性反比關(guān)系。

前彈簧安裝長度對空、半、滿整車姿態(tài)的影響靈敏度分別為：-0.9 mm/mm、-0.9 mm/mm、-0.9 mm/mm，由于彈簧安裝長度的變化會不會影響懸架剛度的變化，前懸空、半、滿懸架剛度差異很小，因此對各狀態(tài)下的姿態(tài)影響靈敏度基本一致。

后彈簧安裝長度對空、半、滿整車姿態(tài)的影響靈敏度分別為：-1.2 mm/mm、-1.2 mm/mm、-1 mm/mm，后懸由于滿載狀態(tài)的懸架剛度相比空、半載大，因此對滿載姿態(tài)的影響靈敏度較小，對空、半狀態(tài)下的姿態(tài)影響靈敏度基本一致。

表7 彈簧安裝長度對前懸姿態(tài)影響

表8 彈簧安裝長度對后懸姿態(tài)影響

圖9 彈簧安裝長度對前懸姿態(tài)影響

圖10 彈簧安裝長度對后懸姿態(tài)影響

2.2 襯套剛度

懸架襯套的剛度變化對懸架剛度有影響，從而對整車姿態(tài)產(chǎn)生影響。前后懸襯套剛度變化對整車姿態(tài)的影響分析如表9、10所示，襯套剛度對整車姿態(tài)的影響很小，尤其對設(shè)計狀態(tài)姿態(tài)影響最小，因此可認(rèn)為襯套剛度對整車姿態(tài)基本無影響。

表9 前懸襯套剛度對前懸姿態(tài)影響

表10 后懸襯套剛度對后懸姿態(tài)影響

2.3 裝配工藝的影響

設(shè)計狀態(tài)下各襯套的受力及變形都很小，如表11所示，輪荷主要由彈簧分擔(dān)。如果在非設(shè)計狀態(tài)裝配襯套，襯套在設(shè)計狀態(tài)時會產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致車輪受到附加的垂向力，從而使得整車姿態(tài)與設(shè)計值不一致。

表11 設(shè)計狀態(tài)各襯套的變形

表12、13仿真計算了懸架各襯套在輪跳不同位置裝配對整車姿態(tài)的影響，可以看出非設(shè)計狀態(tài)下裝配襯套對整車姿態(tài)有很大的影響。相對設(shè)計狀態(tài)，裝配襯套時懸架下跳量越多，整車姿態(tài)抬高越多。

表12 前懸襯套裝配位置對前懸姿態(tài)影響

表13 后懸襯套裝配位置對后懸姿態(tài)影響

前懸襯套較少，襯套裝配工藝對姿態(tài)影響量從大到小依次為：下擺臂前襯套，下擺臂后襯套，穩(wěn)定桿襯套。若3個襯套同時在懸架下跳90 mm時裝配，模擬實車在舉升機(jī)上的狀態(tài)，會造成整車姿態(tài)會抬高7.5 mm左右。

后懸襯套較多，襯套裝配工藝對姿態(tài)影響量從大到小依次為：前束桿內(nèi)套，上擺臂內(nèi)襯套，前束桿外襯套。下擺臂襯套，上擺臂外襯套，穩(wěn)定桿襯套，縱臂襯套，副車架襯套影響很小，若所有襯套同時在懸架下跳90 mm時裝配，模擬實車在舉升機(jī)上的狀態(tài)，會造成整車姿態(tài)抬高12 mm左右。

3 結(jié)束語

（1）基于Adams/Car建立的懸架多體動力學(xué)模型可以準(zhǔn)確地仿真計算整車空載、半載、滿載狀態(tài)的姿態(tài)；

（2） 彈簧預(yù)載對姿態(tài)的影響可通過本文提出的理論公式進(jìn)行定量計算，仿真計算結(jié)果驗證了理論公式的準(zhǔn)確性；

（3）彈簧預(yù)載由彈簧剛度、自由長度和安裝長度決定，任何一項因素的變化對姿態(tài)都有較大的影響，彈簧剛度和自由長度對姿態(tài)的影響基本成線性正比關(guān)系，安裝長度對姿態(tài)的影響基本成線性反比關(guān)系；

（4）襯套剛度的變化對整車姿態(tài)基本無影響；

（5）非設(shè)計狀態(tài)下裝配襯套對整車姿態(tài)有很大的影響，襯套裝配應(yīng)該在設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行。