懸架K&C特性對車輛操控性能影響的分析

郭家偉，李彥偉，陳旭升

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

懸架K&C特性對車輛操控性能影響的分析

郭家偉，李彥偉，陳旭升

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

懸架系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)是底盤開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，對于整車操控性能有至關(guān)重要的影響。本文以某A級車的大量K&C數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用面向總成特性的整車動力學(xué)仿真軟件CarSim分析懸架K&C特性變化對整車操控性能的影響，并運用試驗統(tǒng)計學(xué)中的DOE試驗設(shè)計方法計算各特性車輛操控性能指標的主效應(yīng)，得到了懸架K&C特性影響整車操控性能的規(guī)律，在設(shè)定懸架性能目標時重點關(guān)注，為整車開發(fā)早期的結(jié)構(gòu)選擇和后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

K&C試驗；操控性能；DOE試驗設(shè)計

CLC NO.:U463.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-07-03

引言

懸架系統(tǒng)特性參數(shù)主要是指懸架的K&C特性參數(shù)。所謂K特性即懸架運動學(xué)特性, 是指車輪在垂直方向上往復(fù)運動的過程中由于懸架導(dǎo)向機構(gòu)的作用而導(dǎo)致車輪平面和輪心點產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，C特性即懸架彈性運動學(xué)特性, 是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導(dǎo)致的車輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性[1]。懸架K&C特性是底盤開發(fā)的靈魂。

整車操控客觀評價指標是整車操控性評價的重要部分，其通過特定的測試設(shè)備在特定的試驗場地、試驗條件下，按一定的試驗方法對車輛的相關(guān)指標進行測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到表征車輛特性的相關(guān)指標的特征量[2]。汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法包括了體現(xiàn)車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)以及閉環(huán)綜合動態(tài)品質(zhì)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性試驗，形成了一套較完整的客觀評價體系。

本文基于某A級車的懸架K&C試驗數(shù)據(jù), 依托整車參數(shù)化仿真平臺CarSim, 通過大量的統(tǒng)計學(xué)分析和仿真試驗,探索懸架K&C特性影響整車操控性能的規(guī)律。由于車輛操控客觀評價指標較多，文中僅對體現(xiàn)車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的不足轉(zhuǎn)向度、瞬態(tài)響應(yīng)的橫擺角速度超調(diào)量、諧振頻率以及轉(zhuǎn)向回正試驗中殘余橫擺角速度這4個指標進行分析。

1、懸架K&C特性參數(shù)選取

懸架K&C的特性主要包括軸跳動、軸側(cè)傾、縱向力加載、側(cè)向力加載和回正力矩加載5大工況, 其中每種工況下都有若干項參數(shù)指標。但是各項K&C參數(shù)對整車轉(zhuǎn)向特性的各項指標的影響程度并不相同。經(jīng)過多次仿真與數(shù)據(jù)處理，我們得到對整車操縱穩(wěn)定性影響較大的11個K&C特性參數(shù)。構(gòu)成本文所研究的懸架K&C特性參數(shù), 分別分析這11個參數(shù)發(fā)生變化后整車操控性能的影響。見表1[3]。

表1 懸架懸架K&C特性參數(shù)

2、懸架K&C特性對操控性能影響的分析

2.1 DOE試驗設(shè)計

DOE（Design Of Experiments）是一系列試驗及分析方法集，通過有目的的改變一個系統(tǒng)的輸入來觀察輸出的改變情況。試驗設(shè)計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規(guī)模（試驗次數(shù)）、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。利用該方法可以保證參與試驗的各項影響因素的概率均等性(正交性)。 DOE是目前國際工程設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種系統(tǒng)優(yōu)化方法。

表2 基于DOE的仿真規(guī)劃

由于懸架K&C試驗的基本原理就是將作用于輪胎上相互耦合的6個分力及其所產(chǎn)生的相互耦合的車輪平面運動解耦為每個單獨的力或力矩作用下車輪平面的角位移和線位移的變化量, 同時本研究并不考慮上文中11個懸架K&C特性參數(shù)之間的耦合關(guān)系對仿真結(jié)果的影響。 因此本文將參數(shù)發(fā)生正負變化和未發(fā)生變化作為這11個參數(shù)變化的2個水平，選用無交互作用的正交試驗表進行仿真試驗設(shè)計， 對所有仿真結(jié)果的操控性能指標進行分析進而得到顯著性主效應(yīng)指數(shù)。表2給出了本研究16次仿真分析的試驗規(guī)劃，按照該規(guī)劃進行仿真分析，得到各方案的仿真結(jié)果，見表3。表4為各參數(shù)在發(fā)生正負變化和未發(fā)生變化兩個水平下對結(jié)果的影響(1代表變化后，2代表無變化)[4]。

表3 各次仿真得到的結(jié)果

表 4 各參數(shù)對仿真結(jié)果的影響

2.2 主效應(yīng)分析

表5 懸架K&C特性的主效應(yīng)

由表4的數(shù)據(jù)分析可得到A級車懸架總成特性的11個因素分別對4個整車指標影響的主效應(yīng)影響，即一個因素變化所引起的響應(yīng)變化，見表5。

3、懸架K&C特性對操控性能的影響

3.1 不足轉(zhuǎn)向度

不足轉(zhuǎn)向度是車輛在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下保持穩(wěn)定的重要指標，適當?shù)牟蛔戕D(zhuǎn)向度在保證車輛安全駕駛的同時可以提供駕駛員豐富的駕駛樂趣，由表5可以看出，前后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率對不足轉(zhuǎn)向度產(chǎn)生負面影響，且后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率特性對不足轉(zhuǎn)向度的負面影響最為顯著，即后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率越大，車輛的不足轉(zhuǎn)向特性越差。

3.2 諧振頻率

方向盤角脈沖試驗數(shù)據(jù)中得到的諧振頻率指標描述了車輛接受脈沖信號激勵而趨于穩(wěn)態(tài)過程中，其頻率響應(yīng)的對數(shù)幅頻特性上峰值處對應(yīng)的頻率，表示可以引起車輛系統(tǒng)諧振的頻率，因諧振頻率引起的振動可能對車輛造成更激勵的響應(yīng)，車輛諧振頻率應(yīng)盡可能高一些，避免因駕駛員的快速操作引起車輛的過度反應(yīng)，但是諧振頻率不宜過高，過高會造成其他頻率成分對車輛的擾動。

由表5可以看出，大部分懸架總成參數(shù)都對諧振頻率有正面影響，少數(shù)參數(shù)有負面影響，后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率特性對諧振頻率的負面影響最為顯著。

3.3 橫擺角速度超調(diào)量

方向盤角階躍試驗數(shù)據(jù)中得到的橫擺角速度超調(diào)量指標描述了車輛接受階躍信號激勵而趨于穩(wěn)態(tài)過程中，其橫擺角速度峰值與橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值之間的差值，再除以穩(wěn)態(tài)值，表示了車輛響應(yīng)過程中橫擺角速度的平穩(wěn)性，超調(diào)量越大，橫擺角速度的平穩(wěn)性越差，因此希望超調(diào)量越小越好。

由表5可以看出，大部分懸架總成參數(shù)都對橫擺角速度超調(diào)量有正面影響，少數(shù)參數(shù)由負面影響，而后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率特性對諧振頻率的負面影響最為顯著。

3.4 殘留橫擺角速度

方向盤低速轉(zhuǎn)向回正試驗數(shù)據(jù)中得到的殘留橫擺角速度描述了低速、小側(cè)向加速度狀態(tài)下，車輛系統(tǒng)在外界擾動撤除后，向穩(wěn)定狀態(tài)過渡時，最終接近直線行駛狀態(tài)的程度。指標越小，則性能越好，該指標描述車輛系統(tǒng)的低速回正能力。

由表5可以看出，前懸架后傾角隨輪跳變化率對殘留橫擺角速度有較明顯的正面影響，而前懸架前束隨輪跳變化率對殘留橫擺角速度有較明顯的負面影響。

4、結(jié)論

由上面的分析可知，該車型后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化率對車輛穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)特性影響顯著，因為在車輛受到激勵產(chǎn)生響應(yīng)時，懸架導(dǎo)向桿系在各種力、力矩作用下發(fā)生變形，影響前后輪側(cè)偏剛度，同時由于輪胎在載荷變化下產(chǎn)生的外傾推力方向、大小可以與施加于車輪上的側(cè)向力共同影響輪胎與地面之間總的側(cè)向力，進而影響車輛響應(yīng)[3]。

前后輪側(cè)偏剛度的匹配是影響車輛轉(zhuǎn)向特性的根本因素。考慮了懸架總成的參數(shù)化車輛模型，其前、后輪側(cè)偏角加入了由于懸架導(dǎo)向機構(gòu)和彈性元件所產(chǎn)生的附加車輪轉(zhuǎn)向角成分，即K&C特性中側(cè)向力轉(zhuǎn)向率特性的部分，因此側(cè)向力轉(zhuǎn)向率特性會顯著影響車輛操控性能的仿真結(jié)果[4]。

在轉(zhuǎn)向回正的過程中，整車上側(cè)向力很小，而車輪轉(zhuǎn)角很大，會在內(nèi)外側(cè)前輪輪上形成強制的側(cè)偏角，在一個極限范圍內(nèi)，會導(dǎo)致一個向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向力矩，為使車輛能夠自己回正，就需要借助于重力回正，而車輪抬起的高度取決于主銷的位置，因此主銷的參數(shù)變化顯著影響了車輛低速回正性能[6]。

5、結(jié)束語

1. 通過DOE試驗設(shè)計方法得到了某A級車懸架總成特性參數(shù)對整車操縱穩(wěn)定性的影響指數(shù)規(guī)律，分析結(jié)果支持車輛操控基礎(chǔ)理論的預(yù)測，基于該方法可以進行更深一步結(jié)構(gòu)和性能方面的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

2.后懸架是操縱穩(wěn)定性的核心，尤其是后懸架轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向力變化，即側(cè)向力轉(zhuǎn)向率部分顯著影響了整車操縱穩(wěn)定性仿真的結(jié)果[7]。在進行懸架設(shè)計時，應(yīng)把側(cè)向力轉(zhuǎn)向率這一類特性作為影響操控性能的主要因素考慮。

3. 本文僅僅對懸架總成特性部分參數(shù)影響整車操控性能的規(guī)律進行了總結(jié)，汽車底盤是一個復(fù)雜的操控系統(tǒng)，各項性能之間還存在相互關(guān)聯(lián)，在對其進行分析設(shè)計時，需要綜合考慮各項性能。

[1] 余志生.汽車理論[M].4版.北京:機械工業(yè)出版社.2006:120-125.

[2] 王蠡. K&C 懸架試驗臺設(shè)計及操縱穩(wěn)定性分析:[學(xué)位論文].長春:吉林大學(xué)，2007，6.

[3] 耶爾森.賴姆帕爾[著]，張洪欣，余卓平[譯].汽車底盤基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)普及出版社，1992.

[4] 王蠡.扭力梁后橋總成參數(shù)對整車轉(zhuǎn)向特性的影響分析.汽車工程.2011.33(1):60-64.

[5] 郭孔輝.汽車操縱動力學(xué).長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1991.12.

[6] 劉擁軍，王蠡，任凱，陳璟，舒進.麥佛遜懸架總成參數(shù)對政策操控性能的影響分析.汽車技術(shù).2011.33(1):22-28.

[7] 王爽.某微車懸架K&C特性研究及其對整車操縱穩(wěn)定性的影響.[D].吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

Effect analysis of suspension K&C parameter which affect vehicle dynamics

Guo Jiawei, Li Yanwei, Chen Xusheng
( R&D Center of Great Wall Motor Company,Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Hebei Baoding 071000 )

The design of suspension system is a crucial part of chassis research and development, which has an important influence on vehicle handling. Based on a large amount of test data obtained in one A-class vehicle’s K&C characteristics test, use CarSim parameterized simulation software analyse the suspension K&C characteristics’ change influences vehicle handling, and applying the DOE experiment design, have been carried out respectively and parameter main effect analysis is made to the virtual test results, and the effect rule of the A class vehicle suspension parameter which affect vehicle handling are obtained, providing a basis for the structure selection in the early stage of platform development and subsequent structural design.

K&C test data; vehicle handling; Design of experiment

U463.3

A

1671-7988(2015)07-07-03

郭家偉，就職于長城汽車技術(shù)中心，從事懸架K&C測試類工作。