某SUV动力学性能设计

吴然 王勇

【摘要】本文介绍了某SUV动力学开发流程，并用理论计算的方法将悬架K&C参数对整车不足转向度的影响定量化；采用Adams软件对某SUV进行操纵稳定性仿真分析，并与试验结果进行对比，验证模型的准确性，为后续车型悬架正向设计提供思路和方法。

【关键词】悬架；K&C；不足转向度；Adams/car

1、引言

某SUV车型进行新一代开发设计，需将整车姿态加高，经初步分析，整车侧倾度增大，不足转向度减少，严重影响整车操纵稳定性，需将后悬架扭转梁结构进行全新设计。悬架K&C特性是影响整车操纵稳定性的主要因素，本文通过优化悬架K&C特性，达到满足整车操纵稳定性的设计要求。

2、开发流程

2.1开发流程总体介绍。动力学开发流程为根据整车操纵稳定性客观评价和主观评价，先确定整车级性能目标，再根据整车级性能目标分解出悬架系统和转向系统的性能目标，最后确定零部件性能目标。

2.2整车级设计目标。上一代车型整车操纵稳定性客观评价和主观评价表现较好，且市场表现得到了顾客的认可，所以确定新一代车型整车级设计目标与上一代车型基本一致。如表1：

表1 整车设计参数

整车设计目标主要参数

项目 上一代车型 新一代车型

偏频 后悬架：1.4Hz

后悬架：1.4Hz 前悬架：1.2Hz

前悬架：1.2Hz

车身侧倾度 5°/g <4.8°/g

不足转向度（0.2g） 2°/g >1.9°/g

中性转向点侧向加速度 9.8m/s? 9.8m/s?

建立上一代车型的仿真分析模型，仿真得出的整车性能参数、K&C特性参数与实车客观测试值基本一致，从而验证了模型的准确性，因此在该模型基础上进行新一代车型的设计。

2.3系统设计目标。2.3.1偏频和车身侧倾度设计。由于新一代车型整车重量增大，根据公式（1）、（2）重新匹配整车偏频和侧倾度。此类车型前悬架偏频一般为1.2Hz左右，后悬架为前悬架的1.2倍左右；前后侧倾角刚度比一般为1.4-2.6；侧倾度一般小于5°/g。在调整前后侧倾角刚度比时，同时考虑不足转向度应具有一定的线性区，可通过不同的前后侧倾角刚度匹配进行优化设计。

（1）

（2）

式中，n为偏频；φ为侧倾度；Cs为悬架刚度；ms簧载质量；hs为质心到侧倾轴线的距离；Cφ?为前悬架侧倾角刚度；Cφr为后悬架侧倾角刚度。经分析扭转梁截面形状，开口方向和开口大小对后悬架侧倾中心高度、侧倾角刚度影响较大。圆形截面比三角形截面侧倾中心高、侧倾角刚度大、侧倾不足转向大。开口越小，侧倾中心越大，侧倾角刚度越大，侧倾转向越大。开口方向朝下，侧倾中心最高、侧倾角刚度最大、侧倾转向最大。综合以上分析采用圆形截面、开口向下，开口角度为130度的扭转梁，可满足整车侧倾度4.8°/g的要求。

2.3.2估算不足转向度。新一代车型轮心坐标不变，车身加高，纵臂与车身安装硬点到轮心硬点的距离增大，导致后悬架出现趋于减少不足转向梯度的特性，需重新设计扭转梁安装硬点，根据空间布置情况，该硬点只能向下移动10mm，并优化纵臂轴套布置角度，减少侧向力转向引起的过多转向。对更改后的后扭转梁进行K&C分析，分析结果见表2：

表2悬架的K&C参数

参数 前悬架 后悬架

前轮 后轮

侧倾转向系数 （deg/deg） 0.011 0.0205

侧倾外倾系数 （deg/deg） -0.7168 0.469

侧向力转向系数（deg/KN） 0.0294 -0.00423

侧向力外倾系数（deg/KN） 0.10993 -0.13395

回正力矩转向系数（deg/100N.m） 0.40192 -0.062126

回正力矩外倾系数（deg/100N.m） 0.026363 0.0042492

根据以下公式，对不足转向度的影响进行分解。不足转向度的计算见表3

式中，Ktires为轮胎对于不足转向梯度的影响；Krc为侧倾外倾对不足转向梯度的影响；Krs为侧倾转向对于不足转向梯度的影响；Kls为侧向力转向对于不足转向梯度的影响；Klc为侧向力外倾对于不足转向的影响；Kats为回正力矩转向对不足转向梯度的影响；Katc为回正力矩外倾对不足转向梯度的影响；W?为前轴静态载荷；Wr为后轴静态载荷；Cα?为两个前轮胎侧偏刚度；Cαr为两个后轮胎侧偏刚度；为前悬架的外倾梯度；为后悬架的外倾梯度；为侧倾梯度；Cγ?为前轮胎外倾刚度；Cγr为后轮胎外倾刚度；ε?为前悬架侧倾转向系数；εr为后悬架侧倾转向系数；A?为前悬架侧向力转向系数；Ar为后悬架侧向力转向系数；C?为前悬架侧向力外倾系数；Cr为后悬架侧向力外倾系数；M?为前悬架回正力矩转向系数；Mr为后悬架回正力矩转向系数；P为轮胎拖距；Cm?为前悬架回正力矩外倾系数；Cmr为后悬架回正力矩外倾系数。

表3 悬架的不足转向度

项目 前悬架 后悬架

轮胎 1.64 -1.25

侧倾外倾 -0.01 0.03

侧倾转向 0.05 0.09

侧向力外倾 0.02 -0.01

侧向力转向 0.24 -0.03

回正力矩外倾 0 0

回正力矩转向 0.83 -0.10

综合不足转向梯度 2.77 -1.26

经计算新一代车型的不足转向梯度为1.51°/g，小于整车目标值。因后悬架已没有更改的空间，需优化前悬架K&C特性，以便满足整车不足转向度。通过分析将前悬架转向横拉杆与转向节连接点的Z向上移10mm，增大悬架的侧倾转向系数，可满足整车不足转向度 >1.9°/g的要求。優化后结果见表4，不足转向度的计算见表5。

表4 优化后悬架的K&C参数

参数 前悬架 后悬架

前轮 后轮

侧倾转向系数 （deg/deg） 0.1092 0.0205

侧倾外倾系数 （deg/deg） -0.7085 0.469

侧向力转向系数（deg/KN） 0.0235 -0.00423

侧向力外倾系数（deg/KN） 0.10993 -0.13395

回正力矩转向系数（deg/100N.m） 0.39505 -0.062126

回正力矩外倾系数（deg/100N.m） 0.025727 0.0042492

表5 优化后悬架的不足转向度

项目 前悬架 后悬架

轮胎 1.64 -1.25

侧倾外倾 -0.01 0.03

侧倾转向 0.55 0.09

侧向力外倾 0.02 -0.01

侧向力转向 0.2 -0.03

回正力矩外倾 0 0

回正力矩转向 0.81 -0.10

综合不足转向梯度 3.21 -1.26

通过估算不足转向度，可明确悬架K&C优化方向。估算后可知道侧倾转向、侧向力转向和回正力矩转向要大于侧倾外倾、侧向力外倾和回正力矩外倾对不足转向度的影响。这是因为车轮外倾角产生的侧向力要远小于侧偏角产生的侧偏力，对于子午线轮胎，大约10-15度的外倾角产生的侧向力相当于1度的侧偏角所产生的侧向力。在进行轮胎性能试验时，转向角可看做为侧偏角，且侧偏刚度要大于外倾刚度。

2.3.3仿真计算。搭建整车仿真分析模型，摆臂、副车架和后扭转梁采用柔性化处理，轮胎采用PAC2002模型，经分析整车侧倾度和不足转向度满足设计要求。经验证，建立模型时部分零部件的柔性化处理，可增大操纵稳定性的试验相关性。整车仿真模型见图1。

2.3零部件设计目标。根据以上分析结果，需结构变更的零部件为前转向节和后扭转梁。进行载荷分解，采用惯性释放的方法仿真分析转向节和扭转梁满足零部件的强度要求。转向节和扭转梁进行模态分析满足设计要求。扭转梁的分析结果见图2、图3。

3、验证

经台架试验和整车试验验证，悬架K&C特性、操纵稳定性满足整车动力学性能要求，零部件强度、模态满足设定的目标要求。

4、结论

K&C参数的设定是影响整车操纵稳定性的主要影响因素，应根据整车级性能目标，通过计算分解到系统级K&C目标，达到设计和优化整车性能的目的。

参考文献

[1]（美）Thomas D.Gillespie著 赵六奇 金达锋译.车辆动力学基础[M].北京：清华大学出版社，2006.12.

[2]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.7.

[3]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.4.

[4]管欣，逄淑一，詹军.悬架K&C特性在底盘性能分析中的研究[J].汽車技术，2010.2.