懸架選型與性能目標(biāo)設(shè)定

景立新，李 飛，吳利廣

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

汽車底盤開發(fā)設(shè)計過程中涉及到懸架形式的選擇及性能目標(biāo)的設(shè)定，在自主研發(fā)時需要豐富的工程經(jīng)驗并廣泛參考和對標(biāo)已有車型數(shù)據(jù)。

不同懸架類型在空間布置、費用成本、性能控制等方面具有明顯的差異性，性能目標(biāo)設(shè)定過程中需要根據(jù)車型種類、軸距、輪距、懸架類型、驅(qū)動形式等確定參考車型，利用統(tǒng)計分析確定懸架K&C各性能參數(shù)的目標(biāo)范圍，同時具體設(shè)計方案還需校核整車不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾梯度、懸架偏頻比等關(guān)鍵性能，滿足整車性能要求后進(jìn)行后續(xù)詳細(xì)設(shè)計。

1 懸架類型

懸架類型可按多種方式劃分，如按控制力可分為主動懸架、半主動懸架及被動懸架；按左右懸架耦合關(guān)系可分為獨立懸架、半獨立懸架及非獨立懸架；按懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為麥弗遜、雙叉臂、多連桿（三連桿、四連桿、五連桿等）、扭力梁、整體橋等主要類型（見圖1），鑒于懸架K&C特性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接相關(guān)，本文將以此方式展開說明。

麥弗遜懸架由螺旋彈簧、減震器、三角形下擺臂（或改進(jìn)為兩根控制臂）、轉(zhuǎn)向拉桿（或前束控制臂）組成，螺旋彈簧套在減震器上，減震器總成同時承擔(dān)導(dǎo)向作用。麥弗遜懸架剎車抗點頭作用較差，懸架剛度較弱，穩(wěn)定性差，轉(zhuǎn)彎側(cè)傾明顯，技術(shù)含量不高，但因結(jié)構(gòu)簡單、橫向空間小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、舒適性較好而大量應(yīng)用于中低端乘用車前懸架。

雙叉臂式懸架由上下兩個叉臂（或叉臂改進(jìn)為兩根控制臂）、轉(zhuǎn)向拉桿（或前束控制臂）組成，橫向力由兩個叉臂同時吸收，因此，橫向剛度大，上下叉臂可精確定位車輪參數(shù)，外傾補償好，轉(zhuǎn)彎側(cè)傾較小，支柱只承載車身重量，廣泛應(yīng)用于中高端乘用車前、后懸架。

扭力梁式半獨立后懸架由扭轉(zhuǎn)橫梁、縱向擺臂、彈簧及減振器系統(tǒng)組成，懸架兩側(cè)車輪相互影響，舒適性較差，縱向空間占用較大，側(cè)向力加載工況時具有過度轉(zhuǎn)向趨勢，但結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，在整車裝配時，無須后輪定位，廣泛用于前輪驅(qū)動的中小型家庭轎車的后懸架。

H臂懸架由下H臂，外傾控制臂及前束控制臂組成，H臂與車架有兩個鉸接點，與輪轂有一個鉸接點及一個柔性接頭（如奧迪為一個襯套，特斯拉Model X則在輪轂與H臂之間增加一根連桿，兩端為襯套），約束3個自由度，外傾控制臂及前束控制臂各約束1個自由度。H臂懸架縱向空間小，橫向剛度大，可獲得出色的操控性能及舒適性能，路感明顯，廣泛應(yīng)用于中高端SUV車型后懸架。

五連桿懸架由5根連桿組成，能實現(xiàn)車輪定位的精準(zhǔn)控制，提高側(cè)向剛度的同時具有較小的縱向剛度，大幅度減少路面來的沖擊力，從而改善加速和制動時的平順性和舒適性。五連桿后懸架結(jié)構(gòu)緊湊，車輪占用車身面積較少，使轎車后排座椅和行李箱的空間增大，更適用于高端轎車后懸架。

E型四連桿懸架由縱臂、下橫擺臂、外傾控制臂及前束控制臂組成，懸架自由度解耦充分，性能設(shè)計難度降低，縱臂的存在導(dǎo)致輪跳時輪心前后位移明顯，不利于操穩(wěn)，向的沖擊部分會直接通過縱臂傳到車身上，噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能受到影響。同時，縱臂占用較大縱向空間，不利于電池布置，不利于在新能源汽車上應(yīng)用。

從軸距對前懸架類型影響統(tǒng)計（見圖2）可知，麥弗遜前懸架應(yīng)用范圍，從軸距2 500 mm～3 000 mm的SUV，到2 600 mm～2 900 mm的轎車及2 900 mm～3 200 mm MPV都有應(yīng)用；雙叉臂及多連桿前懸架主要應(yīng)用于軸距大于2 800 mm的車型，皮卡車型一般采用雙橫臂前懸架。

扭力梁后懸架主要應(yīng)用于軸距2 500 mm～2 600 mm的SUV，2 600 mm～2 750 mm的轎車及2 900 mm～3 000 mm MPV車型；鋼板彈簧非獨立懸架主要應(yīng)用于皮卡車型；多連桿懸主要應(yīng)用于軸距2 600 mm以上車型，其中H臂懸架常在軸距2 800 mm以上SUV車型中使用，五連桿懸架在軸距2 800 mm以上轎車車型中使用。

各懸架類型特性詳如表1所示。

2 懸架特性數(shù)據(jù)庫

車型開發(fā)過程中需要查詢、對比、統(tǒng)計大量相似車型的性能數(shù)據(jù)以設(shè)定性能目標(biāo)，數(shù)據(jù)庫無疑成為解決該問題的關(guān)鍵方案，常用的數(shù)據(jù)庫有整車操縱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)庫、懸架K&C特性數(shù)據(jù)庫及輪胎六分力特性數(shù)據(jù)庫等。

以懸架K&C特性數(shù)據(jù)庫為例，其主要功能包括：

（1）根據(jù)車輛類型、軸距、輪距、前后懸架型式等信息查詢到對標(biāo)車型。

（2）根據(jù)載荷狀態(tài)、工況設(shè)置、試驗條件等信息查詢獲得具體K&C指標(biāo)參數(shù)。

（3）通過散點圖、正態(tài)分布圖、概率分布圖、因素分析圖等進(jìn)行參數(shù)的統(tǒng)計對比，關(guān)注車型或開發(fā)車型（實車數(shù)據(jù)或仿真分析數(shù)據(jù)）應(yīng)與參考車型需區(qū)分顯示。

設(shè)置功能1的原因是不同車輛類型、懸架型式對應(yīng)的特性差異較大，如轎車與SUV車型的側(cè)傾中心高度、懸架偏頻等指標(biāo)差異明顯，麥弗遜懸架與雙叉臂懸架在外傾角補償（見圖3）、主銷側(cè)向偏移距等指標(biāo)差異明顯，獨立懸架與扭力梁半獨立懸架在側(cè)傾前束等指標(biāo)差異明顯（見圖4）等。

設(shè)置功能2是為了區(qū)分詳細(xì)的檢驗項目與試驗條件。檢驗項目包括平行輪跳試驗、側(cè)傾試驗、轉(zhuǎn)向試驗、側(cè)向力試驗、縱向力試驗、回正力矩試驗。試驗條件則區(qū)分試驗時具體設(shè)置（如表2所示），不同設(shè)置對性能影響巨大，如不同載荷狀態(tài)對應(yīng)的側(cè)傾中心高度差異明顯（見圖5）；側(cè)傾工況是否連接穩(wěn)定桿對應(yīng)的側(cè)傾剛度明顯不同；側(cè)向力工況同向加載或反向加載對應(yīng)的前束角變化可能會變方向（見圖6）。

設(shè)置功能3的目的是用于顯示統(tǒng)計學(xué)特性，散點圖可顯示出統(tǒng)計車型參數(shù)的分布情況（見圖7），同時圖中包含均值、方差信息，正態(tài)分布圖（見圖8）中包含各參數(shù)數(shù)值區(qū)間車型個數(shù)及累計概率等；為便于與其它車型區(qū)分，可設(shè)置關(guān)注車型采用高亮顯示。

除以上主要功能外，數(shù)據(jù)庫還具有數(shù)據(jù)一鍵導(dǎo)入、自定義參數(shù)添加、數(shù)據(jù)擬合、對比報告生成等功能。

3 懸架目標(biāo)設(shè)定

在設(shè)定懸架K&C目標(biāo)時，首先需要根據(jù)車型信息設(shè)置查詢條件，以某SUV開發(fā)車型為例，設(shè)定車型級別為SUV，軸距范圍為開發(fā)車型軸距2 700 mm±100 mm，前懸架類型設(shè)定為麥弗遜懸架，后懸架型式設(shè)定為E型四連桿懸架，查詢篩選獲得途觀L、探岳、勝達(dá)、RAV4、昂科威等30余款參考車型；分別設(shè)定半載狀態(tài)對應(yīng)的試驗工況（平行輪跳試驗、側(cè)傾試驗、側(cè)向力試驗、縱向力試驗、回正力矩試驗、轉(zhuǎn)向試驗）及具體試驗條件（引擎是否開啟、制動是否開啟、穩(wěn)定桿是否連接及載荷同向或反向施加），獲得各具體參數(shù)均值與方差，按照均值±*方差建立目標(biāo)范圍。以前懸架側(cè)傾中心高度（單位為mm）為例（見圖9），獲得均值為53、方差為24，目標(biāo)范圍為29至77（=1），最終的目標(biāo)設(shè)定如表3所示。

通過統(tǒng)計分析，獲得的懸架參數(shù)指標(biāo)絕大部分符合車輛動力學(xué)設(shè)計理論：前懸架輪跳前束角梯度希望為負(fù)值，代表懸架壓縮時前束角toe out變化，對應(yīng)轉(zhuǎn)向時外側(cè)車輪產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的變形，即減小實際的轉(zhuǎn)向角，對車輛的不足轉(zhuǎn)向度有正向貢獻(xiàn)；輪跳外傾角梯度希望為負(fù)值，代表懸架壓縮時外傾角top in變化，對應(yīng)轉(zhuǎn)向時外側(cè)車輪產(chǎn)生與車身側(cè)傾相反的變形，減小車輪與地面的實際傾角，有利提高抓地力，同時對車輛的不足轉(zhuǎn)向度有正向貢獻(xiàn)；主銷側(cè)向偏移距希望為0或一個小的負(fù)值，代表懸架主銷軸線與地面的交點在輪胎接地點或外側(cè)，對車輛的制動穩(wěn)定性有正向貢獻(xiàn)；同時前后懸架特性具有關(guān)聯(lián)性，如前懸架側(cè)傾中心高度目標(biāo)范圍29 mm～77 mm要低于后懸架側(cè)傾中心高度目標(biāo)范圍100 mm～160 mm，以保證正確的側(cè)傾姿態(tài)，其它關(guān)聯(lián)參數(shù)如表4所示。

4 方案校核

通過對標(biāo)統(tǒng)計形成的懸架目標(biāo)雖能保證懸架各指標(biāo)在常用范圍內(nèi)，但無法保證前后懸架的匹配完全合理，還需要根據(jù)具體實施方案對不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾梯度、轉(zhuǎn)向靈敏度、前后懸架偏頻比、TLLTD等整車參數(shù)進(jìn)行校核。以不足轉(zhuǎn)向度為例，計算公式為

式中，為前軸等效側(cè)偏角梯度；為后軸等效側(cè)偏角梯度。

各參數(shù)具體含義及技術(shù)過程見文獻(xiàn)[9]。

為保證車輛具有一定不足轉(zhuǎn)向特性，常用的不足轉(zhuǎn)動度范圍為1 deg/～2 deg/，如不滿足此范圍可通過調(diào)整懸架K&C特性或輪胎特性優(yōu)化改善。

該開發(fā)車型的不足轉(zhuǎn)向度校核如表5所示。

由計算結(jié)果可以看出，該車不足轉(zhuǎn)向度適中，由于前后軸荷及輪胎側(cè)偏剛度接近，前后輪胎產(chǎn)生的側(cè)偏角相差不大，對整車不足轉(zhuǎn)動貢獻(xiàn)較??；后軸等效側(cè)偏柔度受后懸K&C的影響不大，前軸等效側(cè)偏柔度受前懸K&C的影響較大，整車的不足轉(zhuǎn)向度很大比例是由前懸架K&C特性提供，其中側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向及回正力矩轉(zhuǎn)向?qū)φ嚥蛔戕D(zhuǎn)向度影響明顯。

5 結(jié)論

本文簡要分析了不同懸架類型的優(yōu)缺點及適用范圍，明確懸架性能目標(biāo)設(shè)定時必須先通過車型分類、軸距大小、懸架類型等關(guān)鍵參數(shù)篩選車型；通過載荷、試驗工況、試驗條件等查詢具體參數(shù)指標(biāo)，利用統(tǒng)計分析計算均值及方差，以均值±*方差為目標(biāo)范圍；統(tǒng)計獲得的懸架參數(shù)指標(biāo)絕大部分符合車輛動力學(xué)設(shè)計理論，前后懸架特性具有明顯關(guān)聯(lián)性；懸架具體設(shè)計方案需進(jìn)行不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾梯度、轉(zhuǎn)向靈敏度、前后懸架偏頻比、TLLTD等整車性能校核，滿足后方可開展后續(xù)詳細(xì)的設(shè)計開發(fā)工作。