乘用車最小離地間隙設定方法的研究

邱垂翔，胡彭俊，張啟亮

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

最小離地間隙是指：汽車在滿載(允許最大荷載質量)的情況下，底盤最低點距離地面的距離(圖1)。最小離地間隙作為汽車通過性一個重要的指標，對汽車的使用、性能及銷售均有影響。如果銷售定位面向某個國家或地區銷售，還應考慮當地道路質量的情況，汽車開發設計中的最小離地間隙的目標值選擇尤為重要。

圖1 最小離地間隙示意

合理的最小離地間隙目標值不僅使汽車具有時尚且比例協調的外造型，同時讓汽車具有更好的性能表現。本文作者主要介紹了在汽車開發過程中，如何合理地選擇最小離地間隙目標值，通過對設計流程分析、對標分析、性能需求分析、空氣動力學需求等方面介紹了最小離地間隙的開發方法。

1 底盤剮蹭故障介紹

如果汽車經常在坑洼不平的路面上行車，很容易造成剮蹭底盤的現象(圖2)，對汽車的安全性以及性能有較大影響。

圖2 汽車底盤磕碰

對市場上常見的汽車剮蹭底盤現象進行收集分析，主要有如下幾種：

(1)排氣管剮蹭

車輛的排氣管布置基本上都在車輛底部，排氣管本體結構很薄，如果碰到堅硬的石頭刀，甚至會劃破。減速帶是比較常見的，而且高度不一，形狀也不一樣，有些比較高或較寬，加上有的車主過減速帶沒有減速的習慣，就很容易磕碰，造成排氣管破裂等常見問題，如圖3所示。

圖3 排氣管剮蹭損壞

(2)擺臂磕碰變形

當發生汽車托底時，汽車的橫臂極有可能發生變形，對要求精確的輪胎定位參數影響極大，汽車高速轉向時的操控安全有著較大的安全性的影響，如圖4所示。

圖4 擺臂磕碰變形

(3)發動機油底殼剮蹭漏油

如果汽車發生托底，發動機變速器的油底殼很容易發生破裂，從而引起機油泄漏，這也是最容易被發現的損傷，但要及時維修，否則對發動機的損傷將是永久性的。

另外還有很多未列舉的剮蹭事故，如燃油箱刮底、純電車動力電池刮碰……因此，結合以上案例及最小離地間隙的重要性，為了避免剮蹭，除了在開車時會繞開這些坑洼不平的路面外，汽車在開發中根據車型定位，設計合理的最小離地間隙尤為重要。下文重點展開對如何設定正確的最小離地間隙目標值方法進行研究探討。

2 遵循設計開發控制流程

汽車產品設計開發過程中，各個目標系統均有相應的設計規范或控制流程，最小離地間隙設計開發控制流程是選擇合理的最小離地間隙值的前提(圖5)。規定了汽車產品設計開發過程中整車最小離地間隙開發的工作流程及內容要求，主要包括項目開發各階段的工作任務、各專業領域的職責分工以及各階段主要內容要求等，設計開發中以下各要素應確定：

圖5 最小離地間隙設計流程

(1)應完成對產品進行產品定位，確定車型畫像，確定對標車；

(2)應完成相關參數對標、數據收集、數據分析的工作；

(3)應輸出懸架偏頻、懸架剛度等相關參數、數據收集、數據分析的工作;

(4)根據前面的各種輸入，集成應制定整車最小離地間隙目標，并納入性能控制；

(5)根據輸入懸架硬點、懸架剛度、輪胎靜力半徑隨負荷變化等參數，完成滿足最小離地間隙要求的地面線；

(6)根據地面線設計彈簧，要求針對不同車型設計不同自由長度彈簧使之滿足目標值。

3 各性能系統需求確定

最小離地間隙越小，車輛通過有障礙物或凹凸不平的地面的能力就越弱，但重心低，可增加穩定性。如F1賽車，離地間隙小、重心低，在特制賽道上風馳電掣。但是通過性極差，在砂石土路上寸步難行。最小離地間隙越大，車輛通過有障礙物或凹凸不平的地面的能力就越強，但重心偏高，降低了穩定性。離地間隙大的車輛通過性好，停車方便，除了在沙石山路上通過性好，還能預防在過積水路時排氣管進水等；因此在汽車開發設計中最小離地間隙目標值的選擇，應充分對以下因素進行分析，合理制定目標值。

3.1 對標研究分析

一般情況下轎車的最小離地間隙在110～150 mm之間，基于轎車車型定義，離地間隙越大(≥130 mm)，通過性能相對來說比較好，但高速穩定性較差；離地間隙越小(≤110 mm)，高速穩定性就越好，但通過性較差。

SUV最小離地間隙一般在140～250 mm，基于SUV定義，離地間隙越小(≤160 mm)，通過性能就越差，越注重公路性能，偏向于城市型SUV；離地間隙越大(≥200 mm)，通過性能就越好，注重野外表現，偏向純粹越野型SUV。

由此可看出，隨著車型的不同，最小離地間隙的差別是很大的。另外現在一些高端車型裝有可調高度空氣懸架，能做到了操控性和通過性的雙層兼容。

因此，在車型開發目標定義前期，依據企劃輸入定義的開發車型畫像，應及時開展對同級別車對標車的研究分析，為開發車型的最小離地間隙目標值確定一個參考范圍。如下案例介紹了某款車型開發中，根據車型定位畫像，從對現有國內38款軸距介于2 700～2 850 mm之間的車型最小離地間隙進行了統計及分析，如圖6和圖7所示。

圖6 對標參數統計

圖7 對標參數分析

從圖中的統計分布可以看出，車型的最小離地間隙與軸距無明顯關聯;通過推測，離地間隙不大于130 mm為滿載最小離地間隙；確定離地間隙也取決于負載的變化情況，要依據負載變化的最大值去考慮離地間隙。

因此，通過最小離地間隙直方圖，結合產品商品性定義，建議此款車型滿載離地間隙目標范圍在不大于120 mm以內。

3.2 制造公差確定

最小離地間隙的設定，除了關注車型商品性及對標分析外，也應考慮整車各相關系統的制造公差而預留相關的公差值，避免制定的最小離地間隙值過大或過小。對影響整車離地間隙相關因素的公差進行解析，確定各公差的差值:

(1)幾何公差，主要包含輪胎靜力半徑公差、彈簧總成長度公差、下擺臂上彈簧安裝面公差等；

(2)彈性變形，主要包含車身彈簧安裝面變形、懸架襯套變形等；

(3)其他因素，主要包含質量公差引起的姿態變化、襯套剛度公差對姿態的影響等。

確定了各影響因素公差后，可運用公差極值法尺寸鏈計算或公差統計法尺寸鏈計算對相關制造公差進行分析[1]。如下案例假設前提：各組成環實際尺寸的分布都服從正態分布，分布中心與公差帶中心重合，分布范圍與公差范圍相同，如圖8所示。

圖8 公差正態分布

假設彈簧、輪胎、其他的公差服從正態分布，即：T彈簧～N(0，16/9)、T輪胎～N(0，4/9)、T其他～N(0，4/9),由于上述3個公差相互獨立，故：

T總=T彈簧+T輪胎+T其他～N(0，24/9)

統計法公差分布如圖9所示，公差統計計算結果見表1。

圖9 統計法公差分布

表1 公差統計計算

綜上，建議與最小離地間隙相關的制造公差總考慮范圍為±5 mm。

3.3 姿態衰減需求分析

各懸架系統衰減示意如圖10所示。

圖10 各懸架系統衰減示意

一般車輛經過較長的行駛里程后，底盤彈性件、車身等部件都會出現不同程度的衰減，由于部件衰減，將帶來姿態偏低、耐久下沉等，從而導致車輛離地間隙減小，出現車輛底盤部件發生磕底概率增加的風險。對車輛的各懸架系統及部件進行分析，相關衰減因素對整車姿態的影響量由大到小可總結為：彈簧預載衰減、彈簧墊變形、氣體反彈力衰減、襯套剛度衰減。襯套剛度衰減對姿態的影響基本可以忽略不計，姿態總的衰減量盡量控制在一定的范圍之內。不同的懸架耐久衰減量無現行業標準，需各企業底盤對各零部件進行分解仿真分析，通過零部件的衰減量擬合得到對整車姿態的衰減量。

因此最小離地間隙目標值設定時計算各與衰減相關的部件衰減量[2]，應確定減振器氣體反彈力衰減量、彈簧預載衰減量、彈簧墊變形量、襯套剛度衰減量、車身耐久衰減量。

3.4 風阻性能分析

整車開發中離地間隙的大小對于整車風阻系數有直接的影響，低離地間隙有利于達成低風阻系數的目標。離地間隙減小不單單能夠降低風阻，也會減小投影面積。在目標設定與分解開發策略評審階段，根據車型定位及相關性能需求后，可結合空氣動力學的仿真開展CFD分析，通過對標車或性能需求確定空氣動力學目標，并對目標進行分解，盡可能地降低離地間隙，達到降低風阻目標。一般情況下，每降低5～10 mm可不同程度地降低風阻系數。風阻降低對經濟性和動力學也帶來了可觀的價值。下降量對風阻影響見表2。

表2 下降量對風阻影響

3.5 造型需求

結合企劃車型開發輸入，造型美觀性一般對離地間隙的大小有著一定的需求。外造型設計開展過程中，應確認輪胎選型、輪眉、側裙、前后保等與通過性相關的外造型需求，配合造型設計要求及模型評價結果，離地間隙可通過適度調整，制定滿足性能需求與造型需求的目標值。

4 結束語

文中介紹了汽車產品開發過程中最小離地間隙設定的方法，以便選擇合適的目標值，確保車輛的性能、造型等需求，最終實現顧客滿意的宗旨。