某車型操穩(wěn)性能調(diào)校過程淺析

徐申敏，張慶，闞國慶

奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241002

0 引言

汽車操穩(wěn)性能是指在駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能夠遵循駕駛員通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當受到外界干擾時，汽車能夠抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[1]。操穩(wěn)性能包含操縱性和穩(wěn)定性兩種含義，操縱性指車輛對于駕駛指令的響應(yīng)速度與執(zhí)行程度，穩(wěn)定性指車身、輪胎及懸架系統(tǒng)隔絕路面顛簸的能力，在整個操穩(wěn)性能調(diào)校過程中，主要為均衡這兩方面開展。

整車的操穩(wěn)性能開發(fā)主要包括4個部分：目標設(shè)定、虛擬驗證、實車調(diào)校、性能驗收。

1 目標設(shè)定

在目標設(shè)定前首先需確認車型定位及風(fēng)格，主要有偏舒適風(fēng)格、偏操控風(fēng)格和二者兼顧中性風(fēng)格3種。目前比較理想的是充滿線性感操控和充滿阻尼感的舒適，線性感表現(xiàn)為側(cè)向力的建立、手力的建立和側(cè)傾的程度;阻尼感表現(xiàn)為將尖銳的輸入轉(zhuǎn)為圓潤、將輸入的能量吸收同時有良好的反饋?？傮w表現(xiàn)為日常不硬、過彎不軟、急轉(zhuǎn)不傾、過坑不顛、高速不飄等等。

風(fēng)格確認完成后需選擇對標車型，進行操穩(wěn)性能主觀評價和客觀測試，根據(jù)評價測試結(jié)果進行目標設(shè)定。目前各目標條目主要涵蓋轉(zhuǎn)向、操控、舒適性3類，分別設(shè)定3級目標，目標設(shè)定見表1，行駛舒適性的2級和3級目標見表2。某車型主要用戶群體為女性，偏舒適風(fēng)格，其舒適性總目標為6.7分。

表1 目標設(shè)定

表2 行駛舒適性的2級和3級目標

2 虛擬驗證

操穩(wěn)虛擬驗證是指建立整車虛擬樣機模型，主要為搭載整車動力學(xué)模型，采用仿真軟件ADAMS和Carsim進行懸架幾何運動學(xué)和彈性運動學(xué)(kinematics and compliance，KC)特性優(yōu)化、前后懸架運動學(xué)特性優(yōu)化、操縱穩(wěn)定性計算優(yōu)化和操穩(wěn)工況模擬等。

某車型采用ADAMS進行KC特性仿真，對側(cè)傾工況模擬時，發(fā)現(xiàn)側(cè)傾中心高度為80 mm，偏高不利于整車操穩(wěn)性能，將后擺臂安裝點降低7 mm，側(cè)傾中心高度隨之下降至68 mm，如圖1所示，滿足推薦范圍60～75 mm。

圖1 側(cè)傾工況模擬

3 實車調(diào)校

3.1 KC試驗

在實車調(diào)校前，首先進行KC特性試驗，K特性主要受懸架硬點參數(shù)的影響，指車輪運動時，在懸架導(dǎo)向機構(gòu)的作用下，車輪平面和輪心點處產(chǎn)生的角位移及線性位移變化的特性，包括輪跳運動、側(cè)傾運動和轉(zhuǎn)向運動；C特性主要受懸架硬點參數(shù)、彈性部件及襯套剛度綜合影響，指特定工況下地面作用于輪胎上的力及力矩，使車輪平面和輪心處產(chǎn)生角位移和線性位移變化的特性，包括縱向力、側(cè)向力和回正力矩。KC試驗在產(chǎn)品初期用于指導(dǎo)懸架系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，在標桿競品研究階段用于標桿車性能解析，在不同樣車階段用于指導(dǎo)操穩(wěn)性能調(diào)校工作。

車輪前束角隨垂向位移的變化如圖2所示。

圖2 車輪前束角隨垂向位移的變化

通常前輪前束設(shè)置弱負、后輪前束設(shè)置弱正，保證汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性。前輪前束可以抵消外傾角產(chǎn)生的輪胎磨損，在車輪上跳過程中，前輪前束應(yīng)該具有減小趨勢，變化量通常在1°以內(nèi)。圖2中縱坐標為前束角，曲線斜率為前束的變化率，其值越小越好，一般范圍為-5～5(°)/m。由圖2可知，前輪前束變化率過大左前輪為7.8(°)/m，右前輪為9.9(°)/m，且前輪左右斜率差異較大，不利于車輛直線行駛的穩(wěn)定性，使左右車輪響應(yīng)存在偏差。經(jīng)過排查得知，白車身硬點(減振器安裝孔)與設(shè)計狀態(tài)存在偏差，調(diào)整后滿足要求。

3.2 PT樣車性能摸底和調(diào)校開發(fā)

KC測試完成后進入手工樣車(prototype tool，PT)調(diào)校階段進行性能摸底和調(diào)校風(fēng)格確定，主要針對彈簧和穩(wěn)定桿。其中減振器進行首輪粗調(diào)，彈簧主要針對前后彈簧剛度，穩(wěn)定桿針對材質(zhì)調(diào)校比較少，主要是對穩(wěn)定桿直徑進行選擇。

3.2.1 彈簧調(diào)校

在整車操穩(wěn)調(diào)校階段，首先進行彈簧調(diào)校，此時需要排除一切干擾，車輛狀態(tài)為不裝穩(wěn)定桿、零阻尼減振器、緩沖塊切半。由于沒有減振器的衰減作用，完全靠彈簧吸收，評價時操作角度不能太大，否則容易側(cè)翻，主要考慮前后軸的平衡，受到?jīng)_擊時使前后衰減盡量同步，不產(chǎn)生過多余振。

彈簧選擇主要針對懸架偏頻，彈簧剛度大則位移量變小，單周期時間變短，偏頻大懸架硬支撐足，車輛響應(yīng)速度快，偏操控；彈簧剛度小則位移量變大，偏頻小懸架軟，過濾沖擊能力強，偏舒適。通常根據(jù)整車調(diào)校風(fēng)格確定前后彈簧剛度，偏頻推薦范圍為：前懸1.02～1.44 Hz，后懸1.18～1.58 Hz[2]。

偏頻計算公式：

(1)

式中：f為偏頻;E為懸架剛度;m為簧上質(zhì)量。

由式(1)可知，偏頻和懸架剛度相關(guān)，懸架剛度與彈簧剛度相關(guān)，通過改變彈簧剛度可以調(diào)整偏頻大小，增大前懸彈簧剛度，有利于增加不足轉(zhuǎn)向度。調(diào)校彈簧時通常在試驗場內(nèi)特征路面進行，主要包括：混凝土接縫路、變間距搓板路、減速帶、井蓋等等，使每次通過相同路況的車速保持一致，整車通過在平整路面和不平整路面中行駛，判斷車身控制水平，包括俯仰、側(cè)傾晃動、上下起伏及大小沖擊的過濾衰減，通過前后不同彈簧剛度的匹配，選出合適的組合，通常會給出軟硬兩種方案，供后期減振器調(diào)校時使用。

3.2.2 穩(wěn)定桿調(diào)校

前后彈簧調(diào)校完成后，進行穩(wěn)定桿調(diào)校，此時車輛狀態(tài)為零阻尼減振器和緩沖塊切半，排除了減振器的干擾，穩(wěn)定桿調(diào)校時進行側(cè)傾動作和彎道工況，主要評價整車側(cè)傾角度和側(cè)傾控制。

穩(wěn)定桿直徑越粗，懸架的側(cè)傾剛度越大，側(cè)傾角越小，車身的側(cè)傾控制越好。不安裝穩(wěn)定桿，左右減振器各自運動，安裝穩(wěn)定桿相互有干擾，使車頭晃動。穩(wěn)定桿直徑調(diào)整見表3。

表3 穩(wěn)定桿直徑調(diào)整

彈簧穩(wěn)定桿調(diào)校完成后進行一輪減振器粗調(diào)，以滿足基本性能要求，進而完成工裝樣車(off tool，OT)后進行細調(diào)。

對某車型未調(diào)校的原始狀態(tài)進行評價發(fā)現(xiàn)，整車行駛舒適性不佳，與目標值有較大差異，主要表現(xiàn)為平整路面行駛穩(wěn)定性差，車身抖動明顯，小沖擊衰減能力差，轉(zhuǎn)向盤抖動明顯。對彈簧和穩(wěn)定桿進行重新調(diào)校匹配，整車性能較之前獲得很大改善。彈簧和穩(wěn)定桿參數(shù)調(diào)校前后對比見表4。

表4 彈簧和穩(wěn)定桿參數(shù)調(diào)校前后對比

3.3 OT性能驗證和微調(diào)優(yōu)化

PT階段調(diào)校完成后，總結(jié)PT中的性能問題，制定下一步調(diào)校方案，對后期OT進行性能驗證和微調(diào)優(yōu)化，此階段重點調(diào)整減振器閥系部分。

3.3.1 減振器調(diào)校

確定彈簧和穩(wěn)定桿后，進入減振器調(diào)校階段。減振器主要有拉伸和壓縮兩種狀態(tài)，由復(fù)原閥和拉伸閥分別控制。通過調(diào)整閥系確認不同速度的力值曲線，平衡操控和舒適性，通常相同力值下，不同閥系組合帶來的整車表現(xiàn)會有很大差異。調(diào)校前首先確定減振器力值方向，當力值范圍確認后再進行閥系優(yōu)化調(diào)整，閥系中低速主要調(diào)整節(jié)流流量大小、中高速主要調(diào)整閥片剛度、預(yù)緊、臺階、閥體流量等，閥片堆疊方式主要有寶塔型和三明治型。調(diào)校減振器時的駕駛工況為綜合工況，前后軸平衡、側(cè)傾、沖擊過濾等方面需要均衡考慮。

本次所調(diào)校閥系主要為線性閥系，通過調(diào)整壓縮復(fù)原閥墊片、節(jié)流閥片、預(yù)緊及閥體等，最終使性能滿足要求，具體調(diào)校見表5和表6。

表5 減振器調(diào)整方向

表6 整車表現(xiàn)與減振器運行速度對照

3.3.2 緩沖塊和襯套

當減振器調(diào)校完成后，發(fā)現(xiàn)仍然有問題無法解決時，需要對緩沖塊和襯套進行優(yōu)化。緩沖塊主要限制減振器的極限位置，可以調(diào)整其長度和密度；減振器支撐襯套主要起固定彈簧安裝角度和位置的作用，可以調(diào)整其硬度；控制臂襯套衰減簧下振動，可以調(diào)整其剛度和密度。緩沖塊和襯套調(diào)整方向見表7。

表7 緩沖塊和襯套調(diào)整方向

某車型減振器緩沖塊保持不變，減振器支撐襯套硬度由50 HS提升為65 HS，從而提高彎道響應(yīng)速度；前控制臂安裝襯套空心方向剛度由1 500 N/mm降低為1 200 N/mm，提高了振動衰減能力，減少了車身振動，提高整車舒適性。

某車型為了達到舒適性目標，匹配彈簧和穩(wěn)定桿參數(shù)進行前后減振器調(diào)校，主要調(diào)整節(jié)流和墊片，減少整體力值曲線，提高路面的過濾能力，前減振器調(diào)校前后對比如圖3所示。

圖3 前減振器調(diào)校前后對比

上述調(diào)校完成后，進行電動助力轉(zhuǎn)向(electronic power steering，EPS)調(diào)校，通常針對電動助力轉(zhuǎn)向，主要包括基本助力、阻尼補償、回正控制等，可通過轉(zhuǎn)向上位機進行軟件調(diào)校。最后對調(diào)校過程中遇到的主要問題提出了解決方式，整車問題對應(yīng)調(diào)整方向見表8。

表8 整車問題對應(yīng)調(diào)整方向

4 性能驗收

調(diào)校完成后，需要對調(diào)校結(jié)果進行性能驗收。目前汽車性能開發(fā)嚴格遵循“從人的感覺中來到人的感覺中去”規(guī)則[3]，所以驗收的總體原則為主觀評價為主，客觀測試輔助進行。

主觀評價主要按照前期設(shè)定的1級、2級和3級目標進行，將評價結(jié)果與目標值對比，分析目標達成率。針對問題點的專項調(diào)校，可先對問題點的調(diào)校結(jié)果進行評價，確認調(diào)校通過后，再進行下個步驟，否則繼續(xù)進行調(diào)校。表9為某車型行駛舒適性調(diào)校前后對比，經(jīng)過調(diào)校舒適性得到明顯改善。

表9 行駛舒適性調(diào)校前后對比

當主觀評價通過后，進行一輪客觀測試，通常按照國標測試規(guī)范進行，主要包括操穩(wěn)性能試驗(穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正、階躍脈沖、中間位置等)、平順性試驗(脈沖輸入行駛、隨機輸入行駛)。

某車型調(diào)校后進行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)測試，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨側(cè)向加速度變化曲線如圖4所示。由圖可知，不足轉(zhuǎn)向度為27(°)/g，在推薦范圍內(nèi)，不足轉(zhuǎn)向度適中。

圖4 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨側(cè)向加速度變化曲線

瀝青路面調(diào)校前后對比如圖5所示，車速分別為40、60 km/h，測試設(shè)備為安裝在主駕坐墊上方的三軸加速度傳感器，試驗方法采用GB/T 4970—2009中規(guī)定的汽車平順性試驗方法。由圖5可知，調(diào)校后振動量下降了一個數(shù)量級，較原狀態(tài)舒適性有很大提升。

圖5 瀝青路面調(diào)校前后對比

5 結(jié)束語

根據(jù)以上描述，基本了解操穩(wěn)性能調(diào)校4個部分：目標設(shè)定、虛擬驗證、實車調(diào)校、性能驗收。重點分析了彈簧、穩(wěn)定桿和減振器對操穩(wěn)性能的影響，通過實際案例呈現(xiàn)相關(guān)過程，希望對后續(xù)調(diào)校工作有一定幫助。