某SUV懸架與整車操縱穩定性分析

但世群

摘 要：汽車底盤是車輛的核心系統，而懸架系統又是底盤的重要組成部分。懸架系統對整車行駛動力學（如操縱穩定性、行駛平順性等）有舉足輕重的影響，懸架系統的運動學特性會對整車的性能造成影響。操縱性是按駕駛員的意志操縱汽車方面的性能，穩定性是即使受到干擾后恢復原來運動狀態的能力，兩者相互聯系，不可分開，穩定性的好壞直接影響操縱穩定的結果。本文以目標車型為研究對象，以虛擬樣機CAE仿真技術為前提，采用虛擬樣機仿真軟件ADAMS/Car模塊來分析懸架和整車的性能。

關鍵詞：懸架系統；懸架運動學；操縱穩定性；虛擬樣機；ADAMS/Car

1 引言

懸架桿系的設計，使得整車姿態受到不同路面和工況是產生不同的變化，乘坐人員會感覺到路面的顛簸等不適，也會造成交通安全隱患。所以，汽車懸架不同的結構、不同桿系的設計具有重要的研究意義，如何提高桿系的剛度、模態及壽命，并將這種對整車姿態的影響減小，從而提高整車的行駛穩定性和操縱方便性，提高消費者的滿意度，也提高我們自主品牌的知名度。

隨著理論研究的發展和計算機技術的進步，虛擬樣機技術應運而生。基于多體動力學理論的虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一項新技術，它可以在各種虛擬環境中真實的模擬產品整體的運動及受力情況等，快速分析多種設計方案。使用虛擬樣機技術，不但可以縮短開發周期，而且大大提供了設計質量[1]。

本文主要依托某公司自選SUV項目，采用虛擬樣機技術，先在Adams/Car模塊中創建前懸架總成、后懸架總成和整車模型，然后依據汽車行業關于操縱穩定性性的試驗方法，對它們進行計算機輔助仿真分析，并且按照國標要求給出整車的評價，并初步探討了影響操縱穩定性的因素。

2 多體系統動力學建模與求解過程

一個機械系統，從初始的幾何模型，到動力學模型的建立，經過對模型的數值求解，最后得到分析結果，其流程如圖1所示[2]。

多剛體系統動力學的研究對象一般比較復雜的多體系統，其結構和連接方式也是多種多樣的，這個動力學方程帶來很大困難；并且系統的動力學方程多為高階非線性方程，所以動力學方程的建立和求解都必須由計算機去完成。多剛體系統動力學的研究方法主要有經典力學、圖論方法、凱恩方法、變分方法、旋量方法[3]。

國內外主機廠通常采用Adams/Car軟件來進行汽車多體建模和分析，并通過及后處理獲得試驗曲線和動畫。下圖2，圖3，圖4是根據某SUV的各種輸入建立的前懸、后懸和整車虛擬樣機模型。

整車模型通過11個旋轉副、8個球副及14個固定副等進行約束，模型的自由度為103個，整車主要性能參數如下：

長×寬×高（mm）4260×1804×1740

前/后輪距（mm） 1545/1540

軸距（mm） 2576

空載質量（kg） 1640

滿載質量（kg） 2070

前/后懸架剛度（N/mm） 21.3/22.2

3 典型工況分析結果

進入新時代，各主機廠均基于國際、國標形成自己的標準，我國國標主要有以下常見的試驗評價方法[4]-[9]。限于篇幅，本文只給出穩態回轉工況的分析結果。依據國標“汽車穩態回轉試驗”的要求，以比較低的車速使得能在半徑為15m的圓周上行駛；維持轉向盤的角度，逐漸加速待該SUV側向加速度0.65g，期間應注意縱向加速度不能超過0.25g，具體分析結果如下圖5，圖6，圖7，圖8和表1。

由下圖和表分析可知，該SUV中性轉向點的側向加速度、不足轉向梯度和整車側傾角梯度具有較好的計算結果，說明該車具有很好的穩態轉向特性。

4 影響操縱穩定性因素的探討

影響汽車操縱穩定性的因素有很多，本文選取了幾個主要的汽車特征參數，包括質心高低、質心前后位置和整車載荷等。通過仿真對比來分析這些特征參數的變化對汽車操縱穩定性所造成的不同影響，對整車的設計具有指導意義。

4.1 質心高低對操縱穩定性的影響

改變質心高度進行仿真分析對比（以轉向角階躍輸入為例）：定義三種狀態：Design：原車質心高度；Higher：質心抬高50mm；Lower：質心降低50mm。下圖是各質心高度的仿真曲線對比：

從下圖中可以看出，質心高度不同時，對汽車的瞬態響應性能影響較為明顯，質心抬高時，轉向盤角階躍輸入后，汽車的橫擺角度和側向加速度減小，橫擺角度響應時間和側向加速度響應時間明顯延后，同時汽車的側傾角也明顯增大。而質心降低時，橫擺角速度和側向加速度響應時間縮短，汽車的側傾角也明顯減小。因此，適當的降低質心高度可以提高汽車的瞬態響應特性，有利于整車的操縱穩定性。

4.2 質心前后位置對操縱穩定性的影響

改變質心前后位置進行仿真分析對比（以轉向角階躍輸入為例）：定義三種狀態：Design：原車質心位置；Front：質心前移100mm；Rear：質心后移100mm。下圖是各質心位置的仿真曲線對比：

從上圖中可以看出，質心前移100mm后，汽車的側向加速度和橫擺角速度都明顯增大，側向加速度和橫擺角速度響應時間增加，同時汽車的側傾角增大。質心后移100mm后，汽車的側向加速度和橫擺角速度有所減小，響應的響應時間也明顯縮短，同時汽車的側傾角也明顯減小。因此，對本車來說略微后移有利于整車的操縱穩定性。

4.3 不同載荷對操縱穩定性的影響

改變整車載荷進行仿真分析對比（以轉向角階躍輸入為例）：定義兩種狀態：Curb Weight：原車載荷；Full Weight：滿載。下圖是各載荷的仿真曲線對比：

從上圖中可以看出，滿載時汽車的橫擺角速度和側向加速度的峰值比空載時小，車身的側傾角也比空載時明顯較小。橫擺角速度和側向加速度的超調量也增大，橫擺角速度和側向加速度響應時間也有所延長。

5 結語

綜合對某SUV的整車的GB典型6種工況的整車開環和閉環工況的仿真分析，分析研究每個試驗的各個具體結果，根據行業標準進行總體的結果為90.5分，符合標準，說明該SUV具有良好的操縱穩定性，也虛擬樣機的建模及操縱穩定性試驗仿真的正確性得到了驗證，體現了在現代汽車開發中虛擬樣機技術具有了重要的作用。這對于我們汽車的開發、調教及后續的改進減少了多輪物理樣機投入，節省了公司成本、提高了效率，為新產品的投產贏得了時間。

參考文獻：

[1]鄭建榮，ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高，機械工業出版社，2002.1.

[2]陳立平等編著，機械系統動力學分析及ADAMS應用教程，清華大學出版社，2006.

[3]俞凡 林逸編制，汽車系統動力學，機械工業出版社，2008.

[4]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.1-1994，汽車操縱穩定性試驗方法 蛇行試驗.北京：中國標準出版社，1994.

[5]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.2-1994，汽車操縱穩定性試驗方法 轉向瞬態響應試驗（轉向盤轉角階躍輸入）.北京：中國標準出版社，1994.

[6]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.3-1994，汽車操縱穩定性試驗方法 轉向瞬態響應試驗（轉向盤轉角脈沖輸入）.北京：中國標準出版社，1994.

[7]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.4-1994，汽車操縱穩定性試驗方法 轉向回正性能試驗.北京：中國標準出版社，1994.

[8]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.5-1994，汽車操縱穩定性試驗方法 轉向輕便性試驗.北京：中國標準出版社，1994.

[9]郭孔輝，王德寶.GB/T 6323.6-1994，汽車操縱穩定性試驗方法 穩態回轉試驗.北京：中國標準出版社，1994.