基于尺寸工程的整車姿態(tài)設(shè)計(jì)與控制研究

裴彥明，谷玉川，吳保玉，王景超，鄭子丹

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

整車姿態(tài)是指車輛在各種狀態(tài)下的車輛Z向尺寸，包括前后輪眉到地面的距離、輪眉間隙以及車輛傾角等輪眉相關(guān)尺寸，是車輛設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。在車輛設(shè)計(jì)的過程中，整車布置、性能、人機(jī)工程、造型設(shè)計(jì)以及碰撞安全等方面相互制約，對(duì)整車姿態(tài)的設(shè)計(jì)要求與側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。一般說來，很難實(shí)現(xiàn)每個(gè)方面都做到最優(yōu)，這就需要根據(jù)車型定位來權(quán)衡取舍，在保證其他方面滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，需要將側(cè)重點(diǎn)發(fā)揮到極致以保持車型競爭力。

1 整車姿態(tài)與地面線設(shè)計(jì)

整車姿態(tài)設(shè)計(jì)取決于車型的定位，整車造型、整車質(zhì)量、整車性能以及人機(jī)布置等方面相關(guān)聯(lián)。

1.1 整車姿態(tài)的設(shè)計(jì)原則

從整車布置的角度考慮，在滿足整車Z向尺寸的前提下，希望整車姿態(tài)高一些，有利于機(jī)艙與下車體的布置；從人機(jī)工程的角度考慮，高的姿態(tài)和離地間隙有利于視野設(shè)計(jì)，但是在給定的整車設(shè)計(jì)高度下，提高姿態(tài)和離地間隙會(huì)影響乘員艙布置空間，需要綜合各方面權(quán)衡考慮；從操縱穩(wěn)定性的角度考慮，希望有低的質(zhì)心，也是姿態(tài)設(shè)計(jì)的重要考量；對(duì)于造型設(shè)計(jì)，一般希望車輛空載輪胎-輪眉的Y-Z向配合間隙小一些，前后輪眉間隙呈現(xiàn)出“前低后高”的趨勢(shì)。

1.2 地面線設(shè)計(jì)

地面線設(shè)計(jì)是整車姿態(tài)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)整車離地間隙與下車體布置的需求，可確定車輛滿載的地面線邊界，考慮到實(shí)車零部件存在公差和底盤調(diào)校后的懸架剛度變化，一般會(huì)留有一定的設(shè)計(jì)余量。

在給定整車布置方案、前后軸荷、輪胎參數(shù)的前提下，可根據(jù)整車最小離地間隙目標(biāo)初步確定前、后輪的滿載輪心位置WcFG、WcRG。

根據(jù)前后輪的目標(biāo)設(shè)計(jì)載荷與目標(biāo)懸架偏頻，可通過計(jì)算得到懸架剛度的初始值：

(1)

式中：KF為前懸架剛度；KR為后懸架剛度；MFD為設(shè)計(jì)狀態(tài)前輪荷；MRD為設(shè)計(jì)狀態(tài)后輪荷；ωF為前懸架設(shè)計(jì)偏頻；ωR為后懸架設(shè)計(jì)偏頻。

由此，可根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)與滿載狀態(tài)的質(zhì)量變化計(jì)算出設(shè)計(jì)狀態(tài)的輪心位置：

(2)

式中：WcFD為設(shè)計(jì)載荷前輪心坐標(biāo)；WcRD為設(shè)計(jì)載荷前輪心坐標(biāo)；MFG為滿載前輪荷；MRG為滿載后輪荷。

根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)輪心位置和輪胎靜力半徑可以得到設(shè)計(jì)狀態(tài)的地面線。同理，根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)與空載狀態(tài)的質(zhì)量變化，可計(jì)算出空載狀態(tài)的輪心位置：

(3)

式中：WcFC為空載前輪心坐標(biāo)；WcRC為空載后輪心坐標(biāo)；MFD為空載前輪荷；MRC為空載后輪荷。

根據(jù)空載狀態(tài)輪心位置和輪胎靜力半徑可以得到空載狀態(tài)的地面線,如圖1所示。

圖1 車型地面線示意

在完成底盤調(diào)校后，根據(jù)調(diào)校后的實(shí)際車輛的懸架剛度，再利用前述計(jì)算方法調(diào)整車輛在空、半、滿載的地面線。

而整車造型所關(guān)注的空載輪眉間隙(輪胎-輪眉在XOZ平面投影所形成的間隙)則由輪眉造型、空載輪胎半徑以及空載地面線所決定。

整車姿態(tài)的設(shè)計(jì)需遵循如圖2所示的流程。

圖2 整車姿態(tài)設(shè)計(jì)流程

實(shí)際的車輛開發(fā)過程中，一個(gè)車型項(xiàng)目可能會(huì)包含多種動(dòng)力總成配置、多種輪胎型號(hào)以及各種新技術(shù)的選配，因此會(huì)出現(xiàn)不同配置具有不同質(zhì)量、裝有不同型號(hào)的輪胎，而一條彈簧難以滿足多種配置具有同一姿態(tài)的要求，目前各主機(jī)廠通常采用彈簧分組的辦法解決此類問題。

2 整車姿態(tài)尺寸分解

整車姿態(tài)的設(shè)計(jì)與控制同懸架形式有著密不可分的關(guān)系。文中以某麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)的轎車為例，利用3DCS軟件建立前懸尺寸鏈分析模型，模型裝配邏輯如圖3所示。

圖3 整車姿態(tài)3DCS模型裝配邏輯

在模型中輸入各零部件的公差參數(shù)，并運(yùn)行模型，得出麥弗遜懸架型式的整車姿態(tài)公差和各零部件尺寸對(duì)整車姿態(tài)影響的靈敏度如圖4和圖5所示。

圖4 整車姿態(tài)公差分析結(jié)果

圖5 整車姿態(tài)對(duì)各零件尺寸的靈敏度

從圖5所示的各零部件公差對(duì)整車姿態(tài)的靈敏度分析結(jié)果可以看出，對(duì)于麥弗遜懸架，車身、輪胎半徑、彈簧長度和彈簧托盤的尺寸精度對(duì)整車姿態(tài)的影響最為突出，應(yīng)對(duì)其零部件的尺寸達(dá)成情況進(jìn)行嚴(yán)格管控。

根據(jù)前述尺寸鏈分析結(jié)果，可將整車姿態(tài)分解為3個(gè)層級(jí)。

第一層級(jí)：將整車姿態(tài)分解為輪眉設(shè)計(jì)位置(輪眉特征點(diǎn)在整車中的位置)、輪胎半徑和懸架姿態(tài)(相對(duì)整車基準(zhǔn))，如圖6所示。

圖6 一級(jí)尺寸分解

第二層級(jí)：輪眉設(shè)計(jì)位置相對(duì)整車基準(zhǔn)的Z向距離可分解為輪眉到減振器安裝塔座的Z向距離L1、減振器安裝塔座相對(duì)整車基準(zhǔn)的Z向距離L2；懸架姿態(tài)可分解為減振器安裝塔座相對(duì)整車基準(zhǔn)的Z向距離L2、彈減總成長度L3、輪邊角總成Z向尺寸L4。如圖7所示。

圖7 二級(jí)尺寸分解

第三層級(jí)：彈減總成長度可細(xì)分為彈簧托盤安裝高度D1、下橡膠墊厚度D2、彈簧長度D3、上橡膠墊厚度D4、減振器軸承厚度D5、TopMount厚度D6，如圖8(a)所示。

轉(zhuǎn)向節(jié)上減振器下安裝點(diǎn)到轉(zhuǎn)向節(jié)軸線距離D7、輪轂軸承軸線到轉(zhuǎn)向節(jié)軸線D8、制動(dòng)盤軸線到輪轂軸承軸線D9、輪輞軸線到制動(dòng)盤軸線D10。這一層級(jí)中，轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂軸承、制動(dòng)盤以及輪輞的配合孔均為機(jī)加件，配合精度較高，相對(duì)容易控制,如圖8(b)所示。

圖8 三級(jí)尺寸分解

實(shí)際車輛的姿態(tài)則由上述各級(jí)尺寸鏈環(huán)中對(duì)應(yīng)的尺寸組成，每一個(gè)尺寸的變化都將對(duì)整車姿態(tài)產(chǎn)生一定的影響。

3 影響整車姿態(tài)的關(guān)鍵因素分析

實(shí)際車輛姿態(tài)受到多方面因素的影響，包括設(shè)計(jì)、制造、裝配、測(cè)量等。想要將整車姿態(tài)控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，則需要對(duì)上述多個(gè)影響因素進(jìn)行深入地研究。

3.1 整車姿態(tài)的設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)階段，整車方案和底盤方案確定后，整車姿態(tài)設(shè)計(jì)即給定整車輸入下的彈性件設(shè)計(jì)，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算得出彈簧、減振器、穩(wěn)定桿、襯套等彈性件設(shè)計(jì)參數(shù)。其中，彈簧、減振器、穩(wěn)定桿、以及襯套的剛度主要由底盤調(diào)校結(jié)果決定，而彈簧的載荷、長度則由整車質(zhì)量和底盤硬點(diǎn)決定。

在不同懸架型式中，彈簧安裝方式略有區(qū)別，大體上可分為彈減一體式和彈減分離式兩類。

此處針對(duì)不同的彈簧安裝型式對(duì)彈簧設(shè)計(jì)提出如表1要求。

表1 彈簧設(shè)計(jì)的關(guān)鍵影響因素

另外，彈簧剛度由底盤調(diào)校最終確定，根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)載荷、設(shè)計(jì)長度以及彈簧剛度完成彈簧的詳細(xì)參數(shù)計(jì)算。

3.2 制造因素

考慮到實(shí)際零部件在生產(chǎn)和裝配的過程中存在公差，實(shí)車的姿態(tài)必然與設(shè)計(jì)目標(biāo)存在差異。這就要求在設(shè)計(jì)之初分析整車姿態(tài)鏈環(huán)中的各零部件尺寸對(duì)整車姿態(tài)的靈敏度，考慮相關(guān)零件的加工成本，對(duì)各零部件的尺寸公差進(jìn)行合理分配，同時(shí)嚴(yán)格監(jiān)控關(guān)鍵零部件的尺寸達(dá)成情況。表2為整車姿態(tài)尺寸鏈環(huán)內(nèi)的各零件公差設(shè)定值，且根據(jù)尺寸鏈分析結(jié)果，其整車姿態(tài)的統(tǒng)計(jì)公差計(jì)算結(jié)果為±10 mm。

表2 影響整車姿態(tài)的關(guān)鍵公差

另外，在保證各零部件尺寸精度的同時(shí)，還需確保實(shí)車懸架剛度在合理的偏差內(nèi)，其目的在于控制懸架系統(tǒng)的空、滿載輪跳量，有利于空載輪眉間隙和滿載離的間隙的達(dá)成，這就需要對(duì)彈簧、襯套、穩(wěn)定桿等彈性件的剛度達(dá)成情況進(jìn)行嚴(yán)格管控。

3.3 工藝因素

在彈性件設(shè)計(jì)滿足要求的前提下，懸架各零部件的裝配順序與裝配方法也對(duì)整車姿態(tài)的實(shí)車表現(xiàn)有著重要的影響，其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于懸架各擺臂和穩(wěn)定桿的襯套軸線方向及其裝配狀態(tài)。

目前各類型懸架型式中，擺臂襯套軸向方向一般有X向和Z向布置兩種方式。對(duì)于Z向布置的擺臂襯套，在整車的Z向上不存在襯套扭轉(zhuǎn)的問題，而X向布置的襯套，若裝配的過程中存在扭轉(zhuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致其車輪在整車Z向上受到附加力，致使靜止?fàn)顟B(tài)的整車姿態(tài)與設(shè)計(jì)目標(biāo)不一致。

表3列舉了某X向襯套布置的麥弗遜懸架在兩種狀態(tài)下裝配對(duì)整車姿態(tài)的影響。

表3 懸架裝配對(duì)姿態(tài)的影響

由表3數(shù)據(jù)可知，若裝配過程中各襯套存在相對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)，將會(huì)影響整車姿態(tài)的實(shí)際表現(xiàn)。

若懸架襯套存在X向布置的情況，可通過兩種方式避免襯套扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)整車姿態(tài)的影響：

(1)可通過改變襯套連接方式以規(guī)避該類問題，如圖9所示的下擺臂襯套，通過襯套支架與車架連接，保證擺臂分裝時(shí)襯套不承受扭轉(zhuǎn)。

圖9 消除懸架裝配對(duì)姿態(tài)影響的方案

(2)通過工裝臺(tái)架保證底盤分裝過程中，各擺臂襯套安裝螺栓打緊時(shí)，擺臂處于設(shè)計(jì)的布置角度，即懸架在設(shè)計(jì)姿態(tài)下分裝。

3.4 測(cè)量因素

對(duì)于設(shè)計(jì)姿態(tài)的實(shí)車表現(xiàn)，除設(shè)計(jì)因素、裝配因素和公差因素之外，實(shí)際的測(cè)量因素也需要考慮。其中的主要影響包括：

(1)測(cè)量時(shí)的輪胎側(cè)向力，若測(cè)量前發(fā)生過車輛舉升、載荷變化等情況，測(cè)量時(shí)的輪距沒有恢復(fù)至設(shè)計(jì)狀態(tài)，輪胎與地面存在側(cè)向力，會(huì)導(dǎo)致姿態(tài)測(cè)量結(jié)果偏高于設(shè)計(jì)值，可通過前后推動(dòng)車輛或采用可側(cè)向移動(dòng)地面的方式解決；

(2)地面平整度，若測(cè)量時(shí)的地面不平整，將導(dǎo)致車輛的質(zhì)心發(fā)生轉(zhuǎn)移，各懸架所承受的載荷與設(shè)計(jì)狀態(tài)不一致，導(dǎo)致姿態(tài)測(cè)量結(jié)果失真；

(3)配重精度，在測(cè)量不同載荷狀態(tài)下的整車姿態(tài)時(shí)，往往需要通過對(duì)車輛進(jìn)行配重，若配得各輪載荷與目標(biāo)載荷存在偏差，同樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，該類問題無法避免，一般對(duì)配載的要求為單輪載荷在±5 kg的偏差之內(nèi)；

(4)測(cè)量精度，受測(cè)量設(shè)備的精度所限，實(shí)際車輛的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果只能近似于真實(shí)結(jié)果，應(yīng)使用精度較高的測(cè)量設(shè)備，盡量減小測(cè)量誤差；

(5)輪胎胎壓，輪胎的半徑大小與其胎壓有關(guān)，測(cè)量時(shí)需確保胎壓與設(shè)計(jì)值(推薦值)一致。

4 某車型姿態(tài)問題調(diào)查與整改

某轎車的實(shí)車姿態(tài)測(cè)量結(jié)果如表4所示。從測(cè)量結(jié)果可以看出該車輛在空、半、滿載荷下的實(shí)際姿態(tài)均偏高于設(shè)計(jì)值。

表4 某轎車的實(shí)車姿態(tài)測(cè)量結(jié)果

根據(jù)前文所述的整車姿態(tài)尺寸分解及其相關(guān)影響因素進(jìn)行逐一排查：

(1)測(cè)量因素：測(cè)量前已確認(rèn)過地面平整度、確保胎壓與推薦值一致、按照要求進(jìn)行配重、并多次往復(fù)推動(dòng)車輛，測(cè)量相關(guān)的影響因素可基本排除；

(2)公差因素：裝車前已針對(duì)姿態(tài)敏感的各零部件尺寸進(jìn)行檢測(cè)，各零件單件的尺寸檢測(cè)結(jié)果基本符合要求，且并未出現(xiàn)單側(cè)累積現(xiàn)象；

(3)裝配因素：將車輛放在可側(cè)向移動(dòng)的滑臺(tái)上，手動(dòng)松開各襯套連接處的螺栓再重新打緊，再次測(cè)量該車輛的姿態(tài)有所降低，但仍超出合理的水平，可以判斷車輛并未按照工藝要求裝配，致使各襯套處存在預(yù)應(yīng)力，影響實(shí)車姿態(tài)表現(xiàn)；

(4)設(shè)計(jì)因素：將該車輛的彈減總成拆下，并利用相關(guān)設(shè)備檢測(cè)設(shè)計(jì)載荷下的總成長度，發(fā)現(xiàn)彈減總成的長度大于設(shè)計(jì)值，不滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該彈簧設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮彈簧與減振器軸線不重合以及減振器存在氣體力等情況，是實(shí)車姿態(tài)偏高的重要原因之一。

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，重新匹配彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)，并按照工藝要求裝配各擺臂，該車輛的姿態(tài)回歸至正常的公差范圍，后續(xù)車輛的姿態(tài)也基本滿足要求。表5所示為整改后的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果。

表5 整改后的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果

5 整車姿態(tài)控制方法

根據(jù)的實(shí)車姿態(tài)整改過程可以得出結(jié)論，整車姿態(tài)控制需要從表6所列的幾個(gè)方面入手。

表6 整車姿態(tài)控制關(guān)鍵事項(xiàng)

關(guān)于零件檢測(cè)事項(xiàng)，其目的不僅在于零件制造精度確認(rèn)，還可以作為設(shè)計(jì)正確性的檢驗(yàn)，這對(duì)于彈減一體式懸架的姿態(tài)控制尤為重要，應(yīng)該在底盤騾車調(diào)校時(shí)便進(jìn)行該項(xiàng)工作，避免試生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)整車姿態(tài)不達(dá)標(biāo)的問題，影響試制車的試驗(yàn)結(jié)果。

6 結(jié)束語

整車姿態(tài)的設(shè)計(jì)與控制是汽車設(shè)計(jì)精益化的重要體現(xiàn)，尺寸鏈與尺寸工程是精益化設(shè)計(jì)的手段。文中應(yīng)用尺寸鏈的思想建立了整車姿態(tài)尺寸鏈環(huán)，并逐級(jí)分解，找出了影響整車姿態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)車姿態(tài)達(dá)成的重要影響因素，拓展了尺寸鏈計(jì)算在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。同時(shí)，針對(duì)影響整車姿態(tài)的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，制定了整車姿態(tài)設(shè)計(jì)與控制的流程，并結(jié)合實(shí)例描述了問題車輛的調(diào)查與整改方法。