懸架動力學參數(shù)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(shù)中心有限公司，上海201208）

主題詞：峰值載荷載荷預(yù)測疲勞耐久虛擬路面載荷預(yù)測

1 前言

車輛的耐久性能、碰撞安全、燃油經(jīng)濟性、振動噪聲和車輛動力學性能都是衡量車輛品質(zhì)的關(guān)鍵指標，而車輛耐久是其它性能的基礎(chǔ)，是車輛開發(fā)過程中首要硬性指標。在車輛的前期開發(fā)階段，通過對典型靜態(tài)載荷和虛擬路面動態(tài)載荷的考量，基本上可以保證車輛的結(jié)構(gòu)耐久性能。但車輛其它方面的性能調(diào)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(fā)階段，考慮設(shè)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(jīng)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(yù)測（virtual Road Load Data Acquisition,vRLDA）技術(shù)[1]研究懸架車輛動力學參數(shù)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(huán)境下建立，如圖1所示，由車身、懸架、發(fā)動機懸置、傳動系、轉(zhuǎn)向系、副車架子系統(tǒng)及輪胎和路面子系統(tǒng)構(gòu)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(tài)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(guān)性分析已得到充分驗證[2-3]。在進行動態(tài)仿真分析之前，通過模擬K&C試驗工況，對比垂向、側(cè)向、縱向和側(cè)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(shù)帶寬及其對載荷的影響

懸架系統(tǒng)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(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)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(dǎo)向機構(gòu)，決定了車輪跳動時的運動軌跡和車輪定位參數(shù)的變化，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性。故懸架參數(shù)設(shè)計的出發(fā)點是確保車輛動力學的基本性能，懸架參數(shù)設(shè)計帶寬也需要在車輛動力學基本指標范圍內(nèi)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(shù)變化對控制臂球頭峰值縱向載荷Fx、側(cè)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(fā)過程中比較關(guān)注的位置點。

3.1 彈簧

3.1.1 彈簧的車輛動力學設(shè)計

彈簧的車輛動力學參數(shù)設(shè)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(shè)計位置，保證車輛姿態(tài)的正確；(2)彈簧的剛度需要滿足偏頻的設(shè)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(shè)計

為滿足車輛不同配置、不同軸荷下的車輛姿態(tài)，彈簧通常會進行分組設(shè)計，再考慮加工制造誤差等因素，車輛姿態(tài)與設(shè)計并不可能完全一致，這里假設(shè)存在與設(shè)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(tài)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?jīng)_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(tài)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(jù)車輛動力學理論，懸架偏頻需要在合理的設(shè)計區(qū)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(tài)變化較大。根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)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(jù)偏頻的變化范圍以及調(diào)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(tài)對載荷的影響。如圖3，可見彈簧剛度在指定范圍內(nèi)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(shè)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(tǒng)和發(fā)動機）引起的振動，制動、加速引起的點頭和俯仰，以及轉(zhuǎn)向引起的側(cè)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(diào)試的元件之一。對于懸架系統(tǒng)，只有恰當?shù)脑O(shè)計阻尼力才能充分發(fā)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(zhì)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(nèi)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(shè)計

緩沖塊是懸架設(shè)計開發(fā)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(shè)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(cè)傾的控制，又需要在車輛轉(zhuǎn)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(luò)干涉問題。根據(jù)文獻[5]，緩沖塊的初始線性段設(shè)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(diào)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(shè)計靠增加一個套環(huán)的設(shè)計提高吸收的能量，或采用不同材質(zhì)混合的緩沖塊設(shè)計，以實現(xiàn)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(zhì)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(shè)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(fā)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(shè)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(fā)初期，做好選型工作，決策好車輪的尺寸十分重要，否則架構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)計需要滿足懸架K&C特性設(shè)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(jù)設(shè)計取向，結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。