汽車懸架K&C特性研究*

周偉 王浩 梁媛媛 儲勝林

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心）

懸架K&C特性描述了汽車在行駛過程中懸架彈簧變形、車身側傾及輪胎與地面之間力和力矩作用下車輪的運動狀態[1]。該特性對整車的直線行駛性能、轉彎行駛時穩態和瞬態轉向特性、行駛方向穩定性、轉彎制動穩定性、回正性能、加速和制動抗縱傾性等操縱穩定性以及整車NVH 特性都有直接影響。對懸架K&C特性的研究在汽車動力學的研究領域占有十分重要的地位，一直是國內外汽車動力學界和產業界的研究熱點之一[2]。因此，研究懸架系統的K&C特性，進行K&C特性設計和優化，對于提高民族品牌汽車的研發能力和科技創新能力，具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 懸架K&C特性

1.1 K&C特性含義

K（Kinematics）代表運動學特性，主要指由懸架導向機構幾何所決定的懸架運動學特性；C（Compliance）代表懸架柔度特性，主要是指由懸架系統的彈簧、襯套以及零部件變形組合在一起所決定的懸架力學特性[3]。

懸架K&C特性包含靜態四輪定位、運動學特性（K特性）和力學特性（C 特性），是懸架系統總成最重要的外特性。圖1 示出汽車懸架輸入和輸出響應系統。K&C特性在產品開發不同階段都具有重要作用，在產品初期用于指導懸架系統架構設計；在標桿競品研究階段用于標桿車性能解析；在不同樣件階段用于指導底盤調校工作。

圖1 汽車懸架輸入和輸出響應系統

1.2 K&C試驗

K&C試驗臺是一種測量底盤K&C特性參數的設備，是將車身固定到剛度很大的支撐上，通過對車輪施加位移、力和力矩的作用，使懸架系統和轉向系統產生相應運動和變化，進而得出試驗車輛的運動學和力學特性參數。

典型的K&C試驗臺分為單軸和雙軸，如圖2 所示。雙軸試驗臺可以一次性完成前后懸架的試驗，而單軸試驗臺需要前后懸架分開試驗[4]。K&C試驗臺主要由4 個部分組成：1）試驗臺基座及車身固定模塊，剛性固定車身并滿足不同輪距、軸距車輛的試驗要求；2）加載模塊，對車輪施加位移和力（力矩）的作用，加載動力源一般為液壓系統或電力系統；3）測控系統，對加載系統進行實時控制和數據采集，并對采集數據進行處理和傳輸；4）人機交互系統（各類控制按鈕和控制屏），可對試驗進行控制，也可觀察試驗運行狀況。

圖2 K&C試驗臺示意圖

K&C試驗主要有六大試驗項目[5]，如表1 所示。

表1 K&C試驗項目簡介

2 懸架K&C對整車性能的影響

K&C特性評價指標和評價工況較多，文章僅以前束角和外傾角以及其相關特性對整車性能的影響展開論述。

2.1 前束角對整車性能的影響

靜態前束角指在靜止的汽車上，汽車縱向中心面與車輪中心面和地面的交線之間的角度[6]。從汽車行駛方向上看，車輪的前束角與輪胎的側偏角相當，因此前束角須對稱布置以保證汽車直線行駛。靜態前束角不宜設置過大，否則會加劇輪胎磨損、增加行駛阻力以及難以保證直線行駛穩定性。考慮不同的性能要求（如轉向特性、車輛響應、輪胎磨損以及輪胎抓地能力等），前輪靜態前束可以設置成弱正和弱負，但對于后輪，負前束會導致汽車過度轉向，因此后輪靜態前束應設置為弱正。

比靜態前束角更為重要的是前束角的K&C特性。后者是為了獲得適當的不足轉向特性或是達到確定的行駛性能所需要的。無論車輪上跳還是下跳時，前束角都不應有較大變化。否則，汽車在不平路面直線行駛時，由于車輪上、下跳動所產生的前束角變化會破壞汽車的直線行駛性能。

為使汽車在彎道行駛過程中具有不足轉向特性，轉彎過程中內側車輪懸架彈簧伸長，相當于車輪向下跳動，外側車輪懸架彈簧被壓縮，相當于車輪向上跳動。對于前軸，上跳的車輪產生后束角，下落的車輪產生前束角，則轉向輪轉角會發生輕微回轉，從而使汽車的前軸具有不足轉向特性。與前輪相比，后輪前束角的變化規律對汽車不足轉向特性的影響更大。后輪外側車輪上跳時前束角增大，下落時后輪前束角減小，是保證汽車轉彎行駛時不足轉向性的重要條件。

汽車受到地面的縱向力主要有制動力、驅動力和滾動阻力，其中對直線行駛性能和轉向行駛穩定性影響最大的是制動力[7]。當汽車在具有對開特征的路面上制動時，左、右車輪會受到不相等的制動力作用，制動力之差會產生使汽車偏轉行駛的橫擺力矩，如圖3 所示。為抵消這種橫擺力矩對汽車直線行駛性能的影響，要求前束角隨著制動力增加而增加，即受制動力大的車輪前束角變化大，受制動力小的車輪前束角變化小。左右綜合考慮，總的前束角變化方向與汽車偏轉方向相反，從而在一定程度上抵消了由于兩側車輪制動力不相等產生的橫擺力矩對汽車直線行駛性能的影響。

圖3 制動力對直線行駛性能的影響

2.2 外傾角對整車性能的影響

車輪外傾角是指車輪中心平面和道路平面垂線之間的夾角[8]。輪胎具有側偏和側傾2 種效應，輪胎側向力是由輪胎側偏側向力和側傾側向力兩部分構成[9]。對整車而言，車輪的外傾就是輪胎的側傾，它使輪胎產生外傾推力，其方向與外傾角變化方向相反。正外傾角產生的外傾推力與側向力方向相反，使側偏角絕對值增大，對于前軸有利于不足轉向特性，對于后軸則反之；負外傾角產生的輪胎側傾側向力與側偏側向力方向相同，有利于提高輪胎抓地極限，所以前后輪負外傾角有利于提高整車操控極限。綜上，后輪負外傾角有利于整車不足轉向特性和提高操控極限，外傾角絕對值不宜過大，否則會影響輪胎偏磨。前輪不足轉向特性和操控極限對外傾角正負要求不同，應根據具體車型性能要求進行設定。一般前驅車型因質量分布和驅動力的作用具有典型不足轉向特性，外傾角應設計為負值以提高輪胎抓地極限。與非獨立懸架相比，獨立懸架的一個缺點是當汽車轉彎行駛時車輪會隨車身一起傾斜。為克服這個缺點，要求車輪上跳時外傾角減小。

3 懸架K&C特性的評價

以某小型SUV 開發為例，對前、后懸架K&C主要特性參數的最優設計區間進行概括，如表2 所示。

表2 某SUV 懸架K&C最優設計區間

該區間的確定主要基于所開發的特定車型、車型的風格定義以及目標銷售群體。表2 對其他車型開發具有一定的參考價值，但具體車型還需具體對待。

4 結論

文章闡述了汽車懸架運動學特性與柔度特性（K&C）的試驗方法和試驗工況，論述了前束和外傾以及其變化特性對整車性能的影響。由于K&C參數之間相互關聯影響，加上車型的多樣性和用途的多樣性，該評價體系只能作為新車開發時的參考，具體車型開發還需進行具體的性能調校。

汽車懸架K&C設計是一項系統工程，涉及懸架、輪胎和轉向等多個系統，涉及多體動力學、輪胎力學和流體力學等多個學科。今后可以從5 個方面進行深入研究：

1）從橡膠力學的角度研發高性能輪胎，并通過先進的制造工藝控制輪胎性能的一致性；

2）改進轉向系統的設計，促進中心區等的性能的提升；

3）完善非線性仿真模型的理論及算法，提高仿真精度；

4）提高底盤系統的調校能力及主觀評價能力；

5）建立仿真、實車試驗及主觀評價的數據庫。