輕型商用車懸架匹配

陸燚煒 霍紅博

摘 要：為優化某輕卡乘坐舒適性，首先對懸架系統的剛度、阻尼匹配過程進行了分析總結，給出了懸架剛度、阻尼的匹配流程。然后針對某些受開發周期及資源限制，無法進行實車調校及精確仿真的車型給出了基于理論計算及統計數據的懸架阻尼匹配方法。從阻尼比選擇，各速度段阻尼比分布，雙向比分布等方面分析，總結了方便、快速，且實車驗證切實有效的懸架系統阻尼匹配方法。

關鍵詞：懸架匹配;阻尼匹配;平順性

中圖分類號：U463.33 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-76-04

Abstract： In order to optimize the ride comfort of a light truck， the matching process of stiffness and damping of the suspension system was firstly summarized and analyzed， and the matching process of stiffness and damping of the suspension system was given. Then， a suspension damping matching method based on theoretical calculation and statistical data is proposed for some vehicle that without damper tuning and cannot simulated accurately due to the limitation of development cycle and resources. A convenient， fast and effective suspension system damping matching method is summarized， including selection of damping ratio， distribution of damping ratio in each speed section， bidirectional distribution， etc.

Keywords： Suspension matching system; Damping matching system; Ride comfort

引言

一直以來，對于乘用車而言，乘坐舒適性是評價車輛性能的重要指標，但商用車的乘坐舒適性卻不被人們重視。乘坐舒適性對駕駛員健康影響很大，隨著生活水平的提高，人們對商用車乘坐舒適性的要求也越來越高。商用車乘坐舒適性已經成為其在市場競爭中奪取優勢的一項重要性能指標。與乘坐舒適性對應的是行駛平順性，好壞主要與汽車懸架的彈簧剛度、減振器阻尼等參數有關，因此研究這些參數的匹配對行駛平順性的影響是十分必要的。

在新車開發或車型改款中都需要對懸架參數進行匹配優化，以實現車輛性能的提升，達到最佳性能狀態。需要說明的是，通常懸架參數的匹配優化主要考慮懸架動力學的匹配，即是懸架的剛度和阻尼及橡膠襯套剛度的優化，而不是懸架的硬點和車輪的定位參數的優化（除非全新車型）[1]。在一些快速改款項目中，缺少實車驗證資源，因此前期理論匹配顯得十分重要。

1 常用車輛振動簡化模型

車輛振動系統非常復雜，對其進行研究往往需要建立簡化模型。建立的模型越復雜，越接近實際工況，模擬越逼真，但也使分析變得十分困難。建立的模型越簡單，分析越容易，但模擬結果的準確性會下降。

1.1 整車七自由度模型

將汽車車身看做剛體，簧上質量由車身、車架及其上的零部件組成，車輪和車軸組成簧下質量，通過懸架彈簧、結構件和減振器將兩者相連。在這個模型中，影響車身平順性的主要因素有垂直、俯仰、側傾3個自由度，以及4個車輪質量有4個垂直自由度，共7個自由度。

1.2 雙軸車四自由度模型

當汽車對稱于縱軸線時，汽車車身只有垂直振動和俯仰振動對平順性影響最大。因此可將汽車簡化成雙軸汽車4自由度平面模型。車身質量主要考慮垂直和俯仰兩個自由度，前、后車軸質量有兩個垂直自由度。

1.3 單輪二自由度模型

當質心位置c到前后懸架的距離a和b的乘積ab，等于或接近于車身繞y軸的回轉半徑的平方時，則前后懸架系統的垂直振動幾乎是獨立的，可以將汽車振動系統簡化為車身和車輪二自由度振動系統模型，分析平順性時只考慮兩個質量的垂直自由度。

1.4 單輪單自由度模型

在車輪端，其固有頻率為10-16Hz，在較低激振頻率范圍內（5Hz以下），輪胎動變形量很小，可忽略不計，忽略其剛度和質量，就得到汽車振動系統單自由度振動模型[2]。

本文主要研究的是懸架系統對車輛平順性的影響，故單輪模型較合適，又需要考慮全激振頻率范圍，因此選擇單輪二自由度模型。

2 懸架系統匹配流程

懸架偏頻是反映平順性的重要指標，所以懸架剛度的匹配主要考慮的是偏頻。根據期望偏頻和整車基本參數倒推懸架的剛度，然后考慮整車前后懸架的剛度關系，計算偏頻比，并對空載下的偏頻進行核算，以考慮空載的平順性。同時，懸架剛度的大小還會影響車輛的操縱穩定性，所以還需要一起考慮橫向穩定桿的匹配。懸架剛度匹配的大致流程詳見圖1[1]。公式符號含義參考汽車工程手冊設計篇[3]，下同。

懸架系統阻尼的大小，決定了車輛振動衰減的速度，直接影響車輛的平順性。低速大阻尼，高速小阻尼是阻尼匹配的一般原則。懸架阻尼匹配的路線主要有兩條，如圖2所示。但由于開發周期及資源的限制，并非所有的商用車項目都會進行實車調校，在不進行實車調校的車型上，前期匹配就顯得尤為重要，其中一大難點就是阻尼比的確定。

3 確定阻尼比

3.1 基于舒適性的懸架系統最佳阻尼比

二自由度汽車懸架系統如圖3所示。

圖3中，m1為簧下質量;m2為簧上質量;K為彈簧剛度;C為減振器阻尼系數;Kt為輪胎剛度;q為路面不平度輸入;Z1、Z2分別是車輪與車身垂直位移。二自由度懸架系統的振動微分方程可以表示為：

3.2 基于安全性的懸架系統最佳阻尼比

4 實例與分析

以某輕卡前懸架匹配優化為例。因乘坐舒適性差，針對性優化前懸架匹配;因時間緊迫，資源有限，要求短時間內完成優化匹配工作。首先匹配板簧剛度，對于鋼板彈簧，根據簧片尺寸計算得出的剛度與理論剛度會存在偏差，再加上制造因素，實際的鋼板彈簧剛度值與由偏頻倒推的剛度值會有少量變化;因此要根據實際剛度值驗算實際偏頻，偏頻驗算合格再進行樣件的生產加工。在條件允許的情況下，會準備以理論計算剛度為基準，上下浮動20%范圍內的若干種樣件，對前后懸架不同的剛度組合進行實車試驗評價，直到得到滿意的結果為止。

以某車型輕卡前懸架匹配為例。簧下質量m1為290Kg，滿載簧上質量m2為2100Kg，前板簧剛度為130N/mm，輪胎剛度為550N/mm。質量比rm=7.3，剛度比rk=4.2，可得基于舒適性的車輛懸架最佳阻尼比為0.259于安全性的車輛懸架最佳阻尼比為0.345車輛懸架阻尼比可在0.259～0.345范圍內選擇。因為鋼板彈簧本身有內摩擦，相當于一部分阻尼，故與之匹配的減振器阻尼比可取的小一些。根據經驗，與3～4片板簧結構懸架匹配的減振器阻尼比為無內摩擦彈性元件懸架的0.4～0.5倍。所以此車型前懸減振器阻尼比可在0.103～ 0.173之間選擇。一般匹配原則為低速大阻尼，高速小阻尼，這樣低速段有利于快速減小振動，高速段有利于增加懸架動撓度，避免沖擊。

根據以往車型統計數據，結合主觀評分，前減振器常用速度段阻尼比關系如下圖4所示：

本車型對舒適性需求較高，結合以往車型經驗數據，前減振器阻尼比選0.145，常用速度段阻尼比如下圖5所示：

一般將減振器在相同速度下的復原阻尼力與壓縮阻尼力之比定義為雙向比β。無內摩擦彈性元件懸架的減振器雙向比β一般取2～4，鋼板彈簧懸架由于存在內摩擦，與之匹配的減振器雙向比β可取2～6，在低速段甚至更大。根據無內摩擦彈性元件懸架統計數據，一般低速段（0.05m/s～0.3m/s）雙向比β小于高速段（0.6m/s～1m/s），這樣低速段有利于快速減小振動，高速段有利于減小車輪動載荷，兼顧安全性。鋼板彈簧懸架由于內摩擦的影響，減振器雙向比β隨不同板簧內摩擦大小呈現不同分布趨勢，很多車型低速段雙向比大于高速段雙向比。以某車型前懸架為例，減振器雙向比從低速到高速為6.8：6.6：5.9：5.7：5.5。

曲線轉折點更明顯，低速阻尼力快速建立，有利于控制車身運動，高速阻尼力不會劇烈增加，有利于隔絕振動[6]。

按圖6所示阻尼力做減振器樣件進行實車評價，車輛在低頻舒適性、中高頻舒適性、沖擊感3個方面都表現良好，沒有明顯缺陷，不經實車調校也滿足基本要求。評價結果見上圖7。

5 結論

本文首先對懸架系統的剛度、阻尼匹配過程進行了總結，給出了懸架剛度、阻尼的匹配流程。然后針對某些受開發周期及資源限制，無法進行實車調校的商用車項目給出了基于理論及統計數據的懸架阻尼匹配方法。從阻尼比選擇，各速度段阻尼比分布，雙向比分布等方面分析，總結了方便、快速，且實車驗證切實有效的懸架系統阻尼匹配方法。對于商用車短期改款、定向開發項目平順性匹配具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 王長新，史文庫，張一京，郭福祥.變剛度懸架的虛擬匹配優化[J].湖南大學學報：自然科學版，2015，42（4）：1674-2974.

[2] 周長城.汽車懸架設計及理論[M].北京：北京大學出版社，2011：24- 25.

[3] 編委會.汽車工程手冊-設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001： 782-842.

[4] 周長城.汽車平順性與懸架系統設計[M].北京：機械工業出版社， 2011：79-81.

[5] 王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2007：209-211.

[6] Michael W.Neal，Walter Cwycyshyn， Ibrahim Badiru.Tuning Dam -pers for Ride and Handling of Production Vehicles[J]. SAE Inter -national， 2015-01-1589.