某輕型客車底盤設計優化

景立新+吳利廣+李飛

摘 要：某輕型客車開發過程中，由于受雙橫臂前懸架配氣壓制動系統、低地板等條件要求限制，懸架系統及轉向系統均無法參考對標車設計，底盤硬點及底盤零部件需要全新設計開發。通過分析對標車性能的優缺點，開發過程中優化了前懸架主銷定位參數、K&C特性、轉向傳動系統布置及后懸架K特性以提供車輛的操縱穩定性能，配合后期底盤調校工作使開發車型性能最終達到開發目標。

關鍵詞：雙橫臂懸架；氣壓制動；懸架K&C；操縱穩定性

中圖分類號：U463.33 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0060-05

Abstract： During the development process of a light bus， due to the limits of double wishbone front suspension with air brake system， low floor， suspension system and steering system were unable to reference the benchmarking bus， chassis hard points and components had to be redesign. By analyzing the advantages and disadvantages of the benchmarking bus， in the development of the new product ，we optimized the front suspension kingpin parameters， K & C characteristics， layout of steering transmission system and rear suspension K characteristics which can improve the vehicle handling stability performance， in late chassis turning ，we achieved the goal of the vehicle performance.

Key Words： wishbone suspension； air brake system； suspension K&C； handling stability

1 前言

汽車底盤設計過程需要解決布置、性能、耐久等關鍵技術，

某輕型客車底盤開發過程中需要滿足以下設計要求：1、雙橫臂前懸架配氣壓制動；2、后鋼板彈簧非獨立懸架；3、車身二級踏步（前地板高度630mm）4、操縱穩定性及平順性性能對標某一上市車型。由于目前市場上尚無此配置車型，因此底盤需要全新的設計開發，在保證底盤性能的同時還要保證底盤零部件的耐久可靠性要求。前懸架結構如圖1所示：

2 底盤布置

由于采用氣壓制動系統，在轉向節位置需要配置一個尺寸較大的氣室，且在轉向過程中與轉向節一起旋轉，需要與上下擺臂、轉向拉桿、減振器保持足夠的空間，因而對底盤布置、運動間隙校核及零部件結構強度設計提出了巨大挑戰。對標車雙橫臂前懸架結構如圖2所示：

由于車身二級踏步及車身縱梁成形要求，雙橫臂懸架的扭桿彈簧只能安裝在下擺臂上，為滿足強度要求需要重新進行結構設計。

對于雙橫臂懸架，上下擺臂外球鉸點連線即為懸架主銷，其在YZ平面及XZ平面投影相對Z軸的夾角即為主銷內傾角及后傾角；主銷穿地點與輪胎接地點在YZ平面及XZ平面的投影距離即為主銷偏移距及后傾拖距；輪胎中心與主銷軸線在YZ平面的投影距離即為縱向力臂[1]。

主銷內傾角對車輛的重力回正有顯著影響；主銷后傾角及后傾拖距對車輛的側向力回正及高速穩定性有顯著影響[2]；主銷偏移距對車輛的制動穩定性有顯著影響，一般的設計范圍為-10至5mm；縱向力臂對車輛的力矩轉向（加減速工況）特性有顯著影響[3]，一般設計范圍為小于75mm。

通過對標車的主觀評價及客觀測試，發現對標車回正能力及高速穩定性能較差，為改進此方面性能，設計過程中將主銷后傾角及后傾拖距增大；設計中由于氣室的空間限制，主銷偏移距采用最小化設計；同樣由于氣室的空間限制，縱向力臂采用最小化設計，如表1所示：

3 性能優化

通過對標車的客觀測試，發現對標車很多K&C特性并不是很理想，如前懸架Roll camber大于1（外傾角隨車輪上跳而增大）、后懸架Roll steer趨勢過大及前懸架側向力剛度過低等。針對以上問題通過多體運動學分析，調整懸架硬點及襯套剛度，對懸架K&C進行優化。

懸架K&C優化遵循以下原則：盡量減小后軸的過度轉向趨勢，增大其等效側偏剛度，提高車輛的側向響應特性及穩定性；提高懸架側向力剛度，提高車輛的側向響應特性；降低懸架的縱向剛度，改善車輛的舒適性；優化前后懸架剛度，使前后懸架偏頻匹配；優化前后懸架側向中心高度及側傾剛度，使整車的側傾梯度及輪胎側向載荷轉移系數（TLLTD）合理等。

對于雙橫臂懸架，外傾角隨輪跳的變化趨勢取決于上下擺臂的相對長度及傾斜角度，如圖3所示，如輪跳時上擺臂外點相對下擺臂外點內移，則外傾角減??；如輪跳時上擺臂外點相對下擺臂外點外移，則外傾角增大；為滿足輪跳時外傾角減小的趨勢，設計中調整了上擺臂的長度及傾斜角度[4]。

對標車后懸架側傾軸轉向較嚴重，降低了整車的瞬態響應特性及穩定性，為改進此方面性能，設計過程中將鋼板彈簧前安裝點位置降低[5]，但為了不影響離地間隙，前安裝點不能太低，這導致后軸側傾轉向還是有過度轉向趨勢，如圖4所示：

4 結構設計

由于布置原因，底盤零部件需要進行全新設計，除需要滿足底盤性能及零部件之間的運動間隙外，還需要滿足強度要求。設計中采用靜態經驗強度工況進行校核，具體工況見表3（表中六個工況及對應的各方向慣性載荷系數為某公司在平臺車型設計過程中積累及修正后的值，并根據可靠性試驗結果進行了驗證）。強度分析中將整個懸架系統在有限元軟件中建模，設置各零部件之間的約束關系，通過在車輪上加載靜態載荷來分析各工況下零部件的應力水平，只有滿足強度要求，零部件結構才能初步確定，而疲勞耐久特性還需在后期進一步驗證[7]。圖7與圖8分別為前懸架上、下擺臂有限元分析結果。

5 樣車驗證

樣車試制階段對懸架硬點等參數進行了嚴格的控制，樣車完成后首先進行檢查驗證工作。

1、進行四輪定位調整；

2、進行懸架K&C特性測試；

四輪定位主要是為了保證車輛的初始定位參數正確，是進行后續工作的基礎。懸架K&C測試用于檢查樣車是否滿足設計意圖，并可檢測車輛制造過程中左右懸架的對稱性。圖9為懸架K&C測試過程。

K&C測試結果驗證了設計階段相關參數。圖10～圖16列出了各曲線詳細對比。包括：驗證了前懸架Roll camber設計，使前外車輪側傾時外傾角減小（圖中紅色曲線為樣車，藍色曲線為對標車，下同），有利于提高車輛的極限性能；驗證了后懸架Roll steer設計，后軸過度轉向趨勢減小，有利于整車響應特性及穩定性；驗證了前懸架側向力剛度設計，使樣車剛度增加，有利于車輛的側向響應特性；驗證了主銷后傾角及后傾拖距設計，通過硬點調整達到目標值；主銷偏移距及縱向力臂與設計值相當，為最小化設計，有利制動穩定性及力矩轉向特性。

6 樣車調校

樣車驗證工作證明了樣車制造與設計的一致性，隨后則開展底盤調校工作。底盤調校工作主要是根據主觀專家的評價結果對懸架彈簧、穩定桿、橡膠襯套及減振器特性進行多輪的調整，最終實現操縱穩定性及平順性的提升及平衡[8] [9]。

本車底盤調校由某國際專家完成，調校場地選擇襄樊汽車試驗場，調校過程中減振器供應商及轉向系統供應商配合樣件性能調整。

調校后主觀評價結果如圖17所示。開發樣車在操縱穩定方面優于對標車，特別是在高速穩定性及回正特性方面；開發樣車舒適性低于對標車，主要是由于簧下質量相對對標車增加40%，造成平順性下降。

底盤調校后對樣車進行了可靠性試驗，試驗過程中底盤零部件沒有出現明顯的疲勞失效，證明零部件結構設計滿足可靠性要求。

7 總結

在該車型開發過程中需要滿足氣壓制動等先決條件，造成底盤硬點及零部件需要進行全新設計；通過參考對標車的特性參數，發現對標車部分參數可進一步優化，從而可提供車輛的某些性能；利用多體動力學，優化了懸架的K&C特性進而獲得相應的硬點位置、橡膠襯套剛度；利用有限元分析，在前期分析優化底盤零部件以滿足經驗強度工況，通過過去的可靠性試驗證明了方法的有效性；利用K&C等設備檢查驗證樣車制造與設計的一致性，并可檢查樣車制動的左右對稱性；通過底盤調校來調整彈性元件以獲得操縱穩定性及平順性的提升及平衡；樣車的整車性能達到了開發目標，證明了開發過程的有效性，為之后的底盤開發提供的思路。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車設計.北京：清華大學出版社，2001.

[2]郭孔輝.汽車底盤平臺集成與調校技術.長春：汽車底盤集成匹配設計高級研修班講義. 2007.

[3]耶爾森.賴姆帕爾.汽車底盤基礎.科學普及出版社，1992.

[4]金凌鴿.C級車懸架KnC特性優化設計方法研究：[學位論文].長春：吉林大學，2010.

5]景立新，郭孔輝，盧蕩.鋼板彈簧三連桿模型參數識別研究.汽車技術，2010（12）：10～13.

[6]于海波，李幼德，門玉琢.雙橫臂獨立懸架ADAMS 建模及運動特性分析.汽車技術，2007（3）：5～8.

[7]羅明軍，王文林.雙橫臂扭桿獨立懸架有限元分析與結構優化.機械設計與制造，2009（7）：19～21.

[8]黃元毅，許冠能.M150轎車的底盤操縱穩定性和舒適性的主觀評價和調校. 大眾科技，2008（12）： 117～119.

[9]孫福祿，朱建勝.某車型底盤調校樣件規格設定淺析.農業裝備與車輛工程，2013，51（10） ：12-14，22.