懸架動力學參數帶寬對車輛峰值載荷的影響

2021-09-02 09:03:34劉立剛

汽車文摘 2021年9期

劉立剛

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海201208）

主題詞：峰值載荷載荷預測疲勞耐久虛擬路面載荷預測

1 前言

車輛的耐久性能、碰撞安全、燃油經濟性、振動噪聲和車輛動力學性能都是衡量車輛品質的關鍵指標，而車輛耐久是其它性能的基礎，是車輛開發過程中首要硬性指標。在車輛的前期開發階段，通過對典型靜態載荷和虛擬路面動態載荷的考量，基本上可以保證車輛的結構耐久性能。但車輛其它方面的性能調試，如減振器阻尼力、彈簧和襯套剛度等，都可能會引起載荷的變化，特別是極限工況峰值載荷的變化，故需要在前期開發階段，考慮設計帶寬對載荷造成的影響。在上汽通用，車輛的耐久性必需經過試車場各種路面的嚴格測試和考驗，包含比利時路、扭曲路、砂石路和特征路面，其中方坑工況是車身和懸架大部分零部件承受沖擊最大的載荷工況。本文將以此工況，通過虛擬載荷預測（virtual Road Load Data Acquisition,vRLDA）技術[1]研究懸架車輛動力學參數對車輛峰值載荷的影響。

2 模型介紹

車輛動力學模型在Altair/MotionView環境下建立，如圖1所示，由車身、懸架、發動機懸置、傳動系、轉向系、副車架子系統及輪胎和路面子系統構成。為提高模型的計算精度，車身和副車架均處理為考慮模態特性的柔性模型，這樣避免了引入線性界面點剛度帶來的計算誤差，可以更好的反映極限載荷的大小；輪胎建模使用F-tire類型，并建立了方坑路面的3D路面模型；通過駕駛員模型來控制車速和行駛路徑。此方法的建模精度通過以往項目的相關性分析已得到充分驗證[2-3]。在進行動態仿真分析之前，通過模擬K&C試驗工況，對比垂向、側向、縱向和側傾剛度及外傾和前束角的變化，確保模型的準確性。

圖1 車輛動力學模型

3 懸架車輛動力學參數帶寬及其對載荷的影響

懸架系統主要功能是傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時所產生的沖擊，衰減由此引起的承載系統的振動，以保證汽車的行駛平順性。此外，懸架作為車輪相對于車架或車身的位移特性的導向機構，決定了車輪跳動時的運動軌跡和車輪定位參數的變化，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩定性。故懸架參數設計的出發點是確保車輛動力學的基本性能，懸架參數設計帶寬也需要在車輛動力學基本指標范圍內變化。本文旨在研究載荷的影響，以麥弗遜前懸架為例，研究懸架參數變化對控制臂球頭峰值縱向載荷Fx、側向載荷Fy和減振器支撐塔的垂向載荷Fz的影響。這3個方向載荷比較有代表性，也是車輛前期開發過程中比較關注的位置點。

3.1 彈簧

3.1.1 彈簧的車輛動力學設計

彈簧的車輛動力學參數設計需要滿足2個基本要求：(1)彈簧在指定高度下的檢測載荷需要確保車輪相對車身在正確的設計位置，保證車輛姿態的正確；(2)彈簧的剛度需要滿足偏頻的設計指標，以滿足車輛舒適性的基本需求。

3.1.2 彈簧的車輛動力學設計

為滿足車輛不同配置、不同軸荷下的車輛姿態，彈簧通常會進行分組設計，再考慮加工制造誤差等因素，車輛姿態與設計并不可能完全一致，這里假設存在與設計±5 mm的誤差。通過仿真分析，對載荷的影響見圖2。可見，車輛姿態對Fz有很大影響，意味著增加車輪上跳行程，可有效降低減振器支撐塔的垂向載荷。這是因為上跳行程大，減振器和彈簧可以在車輪受到沖擊時，多吸收和消耗一部分能量，減小了非簧載對車身的沖擊，但對Fx和Fy無顯著影響(載荷變化率<5%)。

圖2 車輛姿態對載荷的影響

3.1.3 彈簧剛度帶寬及其對載荷的影響

根據車輛動力學理論，懸架偏頻需要在合理的設計區間，并且后懸架的偏頻比前懸架要略大。一方面避免前、后懸架在受到路面激勵時引起共振，另一方面考慮到后軸的承載需求，不希望后車身姿態變化較大。根據大數據的統計結果，前懸偏頻變化范圍在1.15～1.35 Hz，后懸偏頻約是前懸的1.2倍。根據偏頻的變化范圍以及調試范圍，這里研究前彈簧剛度變化±2 N/mm，且保持正確的車輛姿態對載荷的影響。如圖3，可見彈簧剛度在指定范圍內的變化對載荷的影響有限。

圖3 彈簧剛度對載荷的影響

3.2 減振器

3.2.1 減振器的車輛動力學設計

當汽車行駛的過程中，可能會承受來自路面和自身振源（車輪總成，傳動系統和發動機）引起的振動，制動、加速引起的點頭和俯仰，以及轉向引起的側傾。作為衰減振動的主要功能件—減振器，也是車輛動力學工程師主要調試的元件之一。對于懸架系統，只有恰當的設計阻尼力才能充分發揮懸架的緩沖、減振作用。舒適型懸架為獲取良好的平順性，阻尼比通常在0.25[4]。懸架壓縮和回彈行程的減振器速度-阻尼力并不相等，這是因為當車輪回彈時，要消耗彈簧和緩沖塊存儲的能量，所以在回彈方向的阻尼力一般要比壓縮方向大一些。

3.2.2 減振器阻尼力帶寬對載荷的影響

本案例分析±20%阻尼力變化對峰值載荷的影響，如圖4所示。因減振器阻尼分為回彈行程和壓縮行程，故分2部分進行考慮。

圖4 阻尼力變化范圍

由圖5和圖6可以看出，增加減振器壓縮段的阻尼力或降低拉伸段的阻尼力，可以有效降低Fz，但對Fx和Fy影響不大。這是因為，車輪進坑時，在簧載質量慣性作用下，減振器先拉伸，出坑時受到路面沖擊，減振器開始壓縮，直到出坑瞬間，載荷Fz達到峰值。減少回彈力，有助于獲取更大的上跳行程，前面提到，上跳行程越大，越能有效降低Fz；增加壓縮力，能消耗方坑沖擊引起車輪上跳的能量，故能有效降低載荷Fz。減振器主要受拉伸方向的載荷，且主銷內傾和后傾角很小，故對Fx和Fy影響不大。

（1）減振器回彈力帶寬對載荷的影響如圖5所示。

圖5 回彈力對載荷的影響

（2）減振器壓縮力帶寬對載荷的影響如圖6所示。

圖6 壓縮力對載荷的影響

3.3 緩沖塊

3.3.1 緩沖塊的車輛動力學設計

緩沖塊是懸架設計開發中的重要零件，其力學特性對車輛的舒適性、操控性、離地間隙、懸架限位及與車身界面點載荷都有很大影響。對于大部分不起副簧作用的緩沖塊設計而言，剛度曲線的線性段剛度越低、線性段越長，舒適性越好，但考慮到對車輛側傾的控制，又需要在車輛轉彎過程中，起到足夠的支撐作用。在懸架受到很大沖擊時，緩沖塊要像彈簧一樣吸收沖擊的能量，并限制車輪上跳以避免引起零部件包絡干涉問題。根據文獻[5]，緩沖塊的初始線性段設計考慮舒適性的指標，需要滿足2 g行程的要求。懸架限位的要求決定了緩沖塊的總變形量，即剛度曲線的尾端，剛度曲線的中間一段取決于對操控性能的調試，見圖7。

圖7 緩沖塊剛度曲線

3.3.2 緩沖塊剛度曲線帶寬及對載荷的影響

緩沖塊剛度曲線與橫軸圍成的面積反映了緩沖塊的吸收能量，吸收能越大，越能有效降低傳遞給車身的峰值載荷。故有的緩沖塊設計靠增加一個套環的設計提高吸收的能量，或采用不同材質混合的緩沖塊設計，以實現初始線性剛度低，非線性段到尾端有較高的剛度，并且又能吸收足夠的能量。緩沖塊的吸收功可以用剛度曲線與橫軸圍成的面積表示，這里研究±30 J能量對峰值載荷的影響。由圖8可見，緩沖塊吸收功越大，越能緩解方坑沖擊引起的非簧載質量的動能，從而有效降低Fz。

圖8 緩沖塊對載荷的影響

3.4 輪胎

3.4.1 輪胎的車輛動力學設計

輪胎是車輛與地面唯一接觸的零件，起著支撐車身，緩沖路面沖擊，保障車輛的正常行駛的作用，同時影響舒適性、操控性、NVH（Noise、Vibration、Harsh?ness）、燃油諸多方面的性能。車輛開發過程中，往往不同的配置，從成本、造型和使用需求多方面考慮，會采用不同尺寸但外徑相近的輪胎設計。在極限工況下，輪胎幾乎被完全壓縮，不同截面尺寸的輪胎對峰值載荷的影響也大為不同。

3.4.2 輪胎截面尺寸對峰值載荷的影響

同樣輪胎直徑情況下，輪輞每增加2.54 cm，相當于輪胎的截面高度要降低1.27 cm。在方坑工況中，截面高越小，路面對輪輞的沖擊越大。如圖9所示，輪輞直徑每增加2.54 cm，各方向的載荷增加約20%～30%，甚至更大，可見輪胎的貢獻非同小可。在項目開發初期，做好選型工作，決策好車輪的尺寸十分重要，否則架構設計會受到很大的沖擊。

圖9 輪胎截面對載荷的影響

3.5 襯套

3.5.1 襯套的車輛動力學設計

懸架上的襯套同樣起著緩沖、隔振、降噪的作用，襯套剛度的初始線性段設計需要滿足懸架K&C特性設計的基本要求，非線性段需要滿足零部件之間的限位要求。麥弗遜前懸架載荷傳遞路徑上的襯套主要有控制臂前、后襯套和減振器與車身界面點支撐塔襯套。根據設計取向，結構設計的不同特點，如車身界面點支撐塔襯套分為單通和多通設計。單通的特點是懸架垂向沖擊載荷都通過支撐塔襯套傳遞到車身，包含彈簧力，減振器阻尼力和緩沖塊的力；多通設計，一般來說，緩沖塊的力不通過支撐塔襯套傳遞，支撐塔襯套受力較小，僅承受減振器阻尼力的作用，這樣可以有效避免支撐塔襯套承受過大載荷而引起橡膠疲勞問題。本例中支撐塔襯套為多通設計，故不考慮該襯套剛度變化對載荷的影響，僅分析控制臂前、后襯套剛度變化±20%對載荷的影響，如圖10所示。