基于懸架K&C特性的某SUV操穩性及平順性性能開發

藍賢清 賀繼齡 汪衡虎 黃偉

摘 要：某SUV存在中高速轉向側傾偏大、后懸過大突起障礙時傳遞到車身的沖擊偏大等問題，對該車輛進行懸架K&C客觀試驗，結合同等級同類型車相關參數的對比分析，明確懸架K&C特性參數的優化方向及目標，通過仿真優化完成懸架硬點參數設計，結合項目實施背景提出懸架硬點優化方案并實施，對優化后的樣車進行K&C客觀試驗及整車性能主觀評價。K&C試驗結果表明，經硬點優化后懸架相關K&C特性參數基本達到設計目標;經整車主觀評價確認，該SUV相關操穩性及平順性問題有了較好的改善。

關鍵詞：K&C特性;主觀評價;性能開發;硬點優化

中圖分類號：U461.4? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-118-04

Abstract： For the subjective evaluation performance defects of a SUV on its larger rolling angle when steering at high speed， andlarger impact passed from rear suspension to the body when crossing bump obstacles， viacomparative analysis onthe related suspension K&C characteristic parameters， combined with data of the same class vehicle， to clarify the optimization goal. The design of suspension hard-point parameters are completed by simulation optimization analysis， combined with project background， appropriate suspension hard-point optimization scheme is set and implemented， thencarry out K&C test and dynamics performance subjective evaluation. The K&C test shows that related suspension K&C characteristic parameters have basically matched the design goal， while thesubjective evaluation results verify that theliving dynamic performance defectshave been improved better.

Keywords： K&C characteristic; Objective evaluation; Performance development; Hard-pointoptimization

CLC NO.： U461.4? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-118-04

1 概述

懸架K&C特性作為一項重要的系統總成外特性，對乘用車操穩性及平順性有著直接影響，而懸架硬點的布置又是決定懸架K&C特性的最重要因素[1]。隨著汽車工業的發展，乘用車行駛速度越來越高，車輛行駛過程中如車輪定位參數等的變化規律等對整車操穩性及平順性的影響也越來越大，因此懸架K&C特性設計已經成為乘用車底盤設計開發過程中的一項重要內容。

本文以獵豹汽車某SUV操穩性及平順性性能開發為例，針對其主觀評價提出的問題，通過懸架K&C特性參數的分析研究，結合硬點優化設計及方案實施驗證，改善其操穩性及平順性問題。（注：出于保密原因，部分數據進行了修正）。

1.1 硬點與K&C特性

懸架硬點指懸架系統內部各零部件以及懸架系統其它系統之間的連接點，比如懸架擺臂與副車架及轉向節的連接點，減震器、副車架及車身的連接點等，懸架硬點參數指硬點在整車坐標系下X、Y、Z三個方向上的坐標值。

懸架K&C特性包含K特性和C特性。K特性表示幾何運動學特性，指車輪垂向往復運動時，在懸架導向機構的作用下、車輪平面和輪心點處產生角位移及線位移變化的特性;C特性表示彈性運動學特性，指特定工況下地面作用于輪胎上的力及力矩、使車輪平面和輪心點處產生角位移和線位移變化的特性[2]。由定義可知，K特性主要受懸架硬點參數的影響，而C特性則受硬點參數、彈性部件及襯套剛度等的綜合影響。

1.2 操穩性及平順性性能開發

懸架K&C特性能從系統級表征如操穩性及平順性等整車級的動力學性能，而K&C特性又與懸架硬點參數息息相關，因此可以說懸架硬點參數直接決定著整車動力學性能[3]。前期懸架關鍵硬點布置若不合理，后期車輛動力學性能無法達到預期目標，將導致車型開發中后期出現反復工作，從而延長開發周期、增加設計成本。

現階段大部分車企新車型開發中，基于成熟車型底盤架構尺寸進行優化調整、進而得到新車型底盤硬點是常用的懸架硬點開發方法，這種方法既可以最大程度的與原底盤共用零部件，又能在新車型開發初早期獲得一定的客觀試驗數據，同時還可以避免因為硬點設計不合理而導致整車性能嚴重偏離預期，從而降低開發風險。

2 某SUV首次樣車性能摸底

該SUV基于成熟車型底盤架構開發，首次樣車制作時除彈簧及減震器長度重新匹配設計外，底盤結構及硬點布置未做調整，樣車制作完成后經過一系列性能摸底工作，包括整車性能主觀評價，以及懸架K&C客觀試驗。

2.1 操穩性及平順性主觀評價

按獵豹汽車整車操穩性及平順性主觀評價體系[5]，由專家團隊對SUV首次樣車及性能對標車進行操穩性及平順性主觀評價，評分采用SAE十分制，結合車輛定義等確定了新開發車型的性能目標值，如表1。

由表1可知，除與轉向系統EPS助力性能強相關的指標項外，該SUV首次樣車在彎道響應特性及乘坐舒適性等方面與性能對標車有一定的差距，主要的問題點描述如下：

（1）0.4g及以上側向加速度彎道行駛時，前、后側傾均偏大，存在一定的不安全感。

（2）中等車速過減速帶及接縫路時，后懸傳遞到車身的沖擊感特別強。

（3）彎道行駛時前后輪胎抓地力變化不平衡，影響了車輛響應的穩定性。

2.2 懸架K&C客觀試驗

在特定載荷下對前后懸架系統進行全工況K&C試驗，得到對應工況下的各種K&C特性指標，查詢數據庫中類似懸架結構的同等級車K&C指標范圍進行對比分析，受篇幅限制，僅列出與本文強相關的指標項見表2。

結合主觀評價提出的問題點，分析各工況下的K&C試驗參數，基本可以獲知：

（1）前后懸架側傾中心高度均偏低，對一定側向加速度下的側傾感覺影響很大。

（2）后輪平行輪跳時輪心縱向位移變化率為正值，表示后輪受沖擊上跳時有向前上方的沖擊力傳遞，是影響后懸過減速帶時車身的沖擊感太強的主要因素。

（3）前后懸架輪跳前束角及外傾角變化率的不平衡，影響了前后輪胎抓地力不平衡、從而影響車輛在彎道響應時的穩定性。

3 某SUV懸架硬點優化

3.1 硬點對K&C特性的影響分析

由汽車理論相關知識：

（1）如圖1，提高懸架側傾中心高度hw，相應減小了質心對側傾軸線的力矩H，對于控制側傾梯度非常有利，倘若未優化側傾中心高度僅依靠增加懸架側傾剛度來控制側傾梯度，則需要加大彈簧或穩定桿剛度，會降低平順性。

（2）如圖2，后輪過減速帶等較大的突起障礙時，若后輪具有往后方運動的趨勢，即輪心縱向位移變化率為負值，將對平順性會非常有利。

（3）前后懸架輪跳前束角變化率的平衡，可保持前后輪胎抓地力的平衡，整車響應更趨于穩定，對直線行駛性能、彎道響應特性非常有利。

（4）增加轉彎時后輪外傾角梯度，可增加后輪抓地力，有利于整車操穩性控制。

據此，結合懸架結構，明確需要進行優化設計的關鍵硬點。對于麥弗遜式前懸架，降低擺臂外球鉸提高側傾中心高度，同時修正轉向拉桿外球鉸高度以降低輪跳前束角變化率。對于多連桿式后懸架，降低上擺臂內點、提高下擺臂內點可提高側傾中心高度，同時輪跳外傾角變化率也會有一定的改善，再通過修正前束調節桿內點高度來優化輪跳前束角變化率，最后提高縱臂前安裝點高度來優化輪心縱向位移變化率參數。

3.2 懸架動力學模型建立

該SUV車型麥弗遜式前獨立懸架系統硬點參數見表3，動力學模型見圖3;多連桿式后獨立懸架系統硬點參數見表4，動力學模型見圖4。其余建模所需的整車參數，及彈簧穩定桿等彈性件剛度、減震器阻尼力等參數，出于保密考慮，本文未逐項列出。

3.3 懸架系統硬點優化方案

在ADAMS/Car中通過建立目標函數、選定設計變量及其取值范圍、確定設計目標等，結合ADAMS/Insight進行DOE試驗設計[4]，并綜合考慮懸架硬點修正的技術可行性、難易程度、影響范圍、成本及周期等因素，最終經過評審確定懸架硬點優化方案，見表5。

4 某SUV樣車性能驗證

按懸架硬點優化方案改制樣車，為確保改制后硬點精度，通常會對懸架硬點進行逆向掃描，保證關鍵硬點參數值誤差在±0.5mm內。對改制后的樣車進行與SUV首次樣車性能摸底時同等工況下的K&C客觀試驗驗證，以及操穩性及平順性主觀評價驗證。

4.1 懸架K&C客觀試驗驗證

如表6，經懸架硬點優化后，相關K&C特性參數仿真值完全控制在參考范圍內的，改制樣車的K&C試驗值除前懸側傾中心高度略微偏大之外，其余也都在參考范圍內，整體符合要求。仿真值與試驗值存在的一定差異，主要是因為實車各零部件連接處存在一定的裝配間隙所導致。

4.2 操穩及平順性主觀評價驗證

主觀評價驗證結果表明，一級評價指標中的直線行駛性、回轉性能、乘坐舒適性指標評分均達到6.25分，相比于硬點優化前有一定提升。

針對性能摸底時主觀評價提出的側傾過大、及后懸過大障礙時傳遞到車身的沖擊較大等問題進行驗證，車身側傾已得到了較好的控制、側傾程度和性能對標車相當;后懸過大突起障礙時的車身沖擊感雖然還存在，但也有了較大的改善，在可以接受的范圍，實際上與該性能直接相關的輪心縱向位移變化率指標優化后為-8.3mm/m，并未達到至最佳值，主要是受限于懸架結構，縱臂與車身連接處已無垂向優化空間。

5 結論

通過前期的樣車性能摸底（包括整車級主觀評價及懸架級K&C試驗等）預先發現問題，考數據庫中同等車型相關參數范圍，結合懸架系統具體結構針對問題進行分析，明確所涉及的懸架硬點及其優化方向，在ADAMS中建模并進行優化仿真、提出硬點優化方案，結合項目實際情況最終確定硬點優化方案并實施，再通過主觀評價和客觀試驗進行驗證，是新車型操穩性及平順性性能開發的一種高效可靠方式。

參考文獻

[1] 余志生.汽車理論[M].5版.北京：機械工業出版社.2009.

[2] 郭孔輝.汽車操縱動力學原理[M].南京.江蘇科學技術出版社.2011.

[3] 孫海洋.基于整車操縱穩定性的懸架K&C特性指標分析研究[D].長春：吉林大學，2012.

[4] 宋曉琳，毛開楠，李葉松，劉禹亭.麥弗遜前懸架硬點參數的靈敏度分析和優化[J].現代制造工程，2011（6）：106-108.

[5] 藍賢清，汪衡虎，余欣.整車操穩性及平順性主觀評價體系[M].獵豹汽車研究院內部技術資料.