某轻型客车底盘设计优化

景立新+吴利广+李飞

摘 要：某轻型客车开发过程中，由于受双横臂前悬架配气压制动系统、低地板等条件要求限制，悬架系统及转向系统均无法参考对标车设计，底盘硬点及底盘零部件需要全新设计开发。通过分析对标车性能的优缺点，开发过程中优化了前悬架主销定位参数、K&C特性、转向传动系统布置及后悬架K特性以提供车辆的操纵稳定性能，配合后期底盘调校工作使开发车型性能最终达到开发目标。

关键词：双横臂悬架；气压制动；悬架K&C；操纵稳定性

中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0060-05

Abstract： During the development process of a light bus， due to the limits of double wishbone front suspension with air brake system， low floor， suspension system and steering system were unable to reference the benchmarking bus， chassis hard points and components had to be redesign. By analyzing the advantages and disadvantages of the benchmarking bus， in the development of the new product ，we optimized the front suspension kingpin parameters， K & C characteristics， layout of steering transmission system and rear suspension K characteristics which can improve the vehicle handling stability performance， in late chassis turning ，we achieved the goal of the vehicle performance.

Key Words： wishbone suspension； air brake system； suspension K&C； handling stability

1 前言

汽车底盘设计过程需要解决布置、性能、耐久等关键技术，

某轻型客车底盘开发过程中需要满足以下设计要求：1、双横臂前悬架配气压制动；2、后钢板弹簧非独立悬架；3、车身二级踏步（前地板高度630mm）4、操纵稳定性及平顺性性能对标某一上市车型。由于目前市场上尚无此配置车型，因此底盘需要全新的设计开发，在保证底盘性能的同时还要保证底盘零部件的耐久可靠性要求。前悬架结构如图1所示：

2 底盘布置

由于采用气压制动系统，在转向节位置需要配置一个尺寸较大的气室，且在转向过程中与转向节一起旋转，需要与上下摆臂、转向拉杆、减振器保持足够的空间，因而对底盘布置、运动间隙校核及零部件结构强度设计提出了巨大挑战。对标车双横臂前悬架结构如图2所示：

由于车身二级踏步及车身纵梁成形要求，双横臂悬架的扭杆弹簧只能安装在下摆臂上，为满足强度要求需要重新进行结构设计。

对于双横臂悬架，上下摆臂外球铰点连线即为悬架主销，其在YZ平面及XZ平面投影相对Z轴的夹角即为主销内倾角及后倾角；主销穿地点与轮胎接地点在YZ平面及XZ平面的投影距离即为主销偏移距及后倾拖距；轮胎中心与主销轴线在YZ平面的投影距离即为纵向力臂[1]。

主销内倾角对车辆的重力回正有显著影响；主销后倾角及后倾拖距对车辆的侧向力回正及高速稳定性有显著影响[2]；主销偏移距对车辆的制动稳定性有显著影响，一般的设计范围为-10至5mm；纵向力臂对车辆的力矩转向（加减速工况）特性有显著影响[3]，一般设计范围为小于75mm。

通过对标车的主观评价及客观测试，发现对标车回正能力及高速稳定性能较差，为改进此方面性能，设计过程中将主销后倾角及后倾拖距增大；设计中由于气室的空间限制，主销偏移距采用最小化设计；同样由于气室的空间限制，纵向力臂采用最小化设计，如表1所示：

3 性能优化

通过对标车的客观测试，发现对标车很多K&C特性并不是很理想，如前悬架Roll camber大于1（外倾角随车轮上跳而增大）、后悬架Roll steer趋势过大及前悬架侧向力刚度过低等。针对以上问题通过多体运动学分析，调整悬架硬点及衬套刚度，对悬架K&C进行优化。

悬架K&C优化遵循以下原则：尽量减小后轴的过度转向趋势，增大其等效侧偏刚度，提高车辆的侧向响应特性及稳定性；提高悬架侧向力刚度，提高车辆的侧向响应特性；降低悬架的纵向刚度，改善车辆的舒适性；优化前后悬架刚度，使前后悬架偏频匹配；优化前后悬架侧向中心高度及侧倾刚度，使整车的侧倾梯度及轮胎侧向载荷转移系数（TLLTD）合理等。

对于双横臂悬架，外倾角随轮跳的变化趋势取决于上下摆臂的相对长度及倾斜角度，如图3所示，如轮跳时上摆臂外点相对下摆臂外点内移，则外倾角减小；如轮跳时上摆臂外点相对下摆臂外点外移，则外倾角增大；为满足轮跳时外倾角减小的趋势，设计中调整了上摆臂的长度及倾斜角度[4]。

对标车后悬架侧倾轴转向较严重，降低了整车的瞬态响应特性及稳定性，为改进此方面性能，设计过程中将钢板弹簧前安装点位置降低[5]，但为了不影响离地间隙，前安装点不能太低，这导致后轴侧倾转向还是有过度转向趋势，如图4所示：

4 结构设计

由于布置原因，底盘零部件需要进行全新设计，除需要满足底盘性能及零部件之间的运动间隙外，还需要满足强度要求。设计中采用静态经验强度工况进行校核，具体工况见表3（表中六个工况及对应的各方向惯性载荷系数为某公司在平台车型设计过程中积累及修正后的值，并根据可靠性试验结果进行了验证）。强度分析中将整个悬架系统在有限元软件中建模，设置各零部件之间的约束关系，通过在车轮上加载静态载荷来分析各工况下零部件的应力水平，只有满足强度要求，零部件结构才能初步确定，而疲劳耐久特性还需在后期进一步验证[7]。图7与图8分别为前悬架上、下摆臂有限元分析结果。

5 样车验证

样车试制阶段对悬架硬点等参数进行了严格的控制，样车完成后首先进行检查验证工作。

1、进行四轮定位调整；

2、进行悬架K&C特性测试；

四轮定位主要是为了保证车辆的初始定位参数正确，是进行后续工作的基础。悬架K&C测试用于检查样车是否满足设计意图，并可检测车辆制造过程中左右悬架的对称性。图9为悬架K&C测试过程。

K&C测试结果验证了设计阶段相关参数。图10～图16列出了各曲线详细对比。包括：验证了前悬架Roll camber设计，使前外车轮侧倾时外倾角减小（图中红色曲线为样车，蓝色曲线为对标车，下同），有利于提高车辆的极限性能；验证了后悬架Roll steer设计，后轴过度转向趋势减小，有利于整车响应特性及稳定性；验证了前悬架侧向力刚度设计，使样车刚度增加，有利于车辆的侧向响应特性；验证了主销后倾角及后倾拖距设计，通过硬点调整达到目标值；主销偏移距及纵向力臂与设计值相当，为最小化设计，有利制动稳定性及力矩转向特性。

6 样车调校

样车验证工作证明了样车制造与设计的一致性，随后则开展底盘调校工作。底盘调校工作主要是根据主观专家的评价结果对悬架弹簧、稳定杆、橡胶衬套及减振器特性进行多轮的调整，最终实现操纵稳定性及平顺性的提升及平衡[8] [9]。

本车底盘调校由某国际专家完成，调校场地选择襄樊汽车试验场，调校过程中减振器供应商及转向系统供应商配合样件性能调整。

调校后主观评价结果如图17所示。开发样车在操纵稳定方面优于对标车，特别是在高速稳定性及回正特性方面；开发样车舒适性低于对标车，主要是由于簧下质量相对对标车增加40%，造成平顺性下降。

底盘调校后对样车进行了可靠性试验，试验过程中底盘零部件没有出现明显的疲劳失效，证明零部件结构设计满足可靠性要求。

7 总结

在该车型开发过程中需要满足气压制动等先决条件，造成底盘硬点及零部件需要进行全新设计；通过参考对标车的特性参数，发现对标车部分参数可进一步优化，从而可提供车辆的某些性能；利用多体动力学，优化了悬架的K&C特性进而获得相应的硬点位置、橡胶衬套刚度；利用有限元分析，在前期分析优化底盘零部件以满足经验强度工况，通过过去的可靠性试验证明了方法的有效性；利用K&C等设备检查验证样车制造与设计的一致性，并可检查样车制动的左右对称性；通过底盘调校来调整弹性元件以获得操纵稳定性及平顺性的提升及平衡；样车的整车性能达到了开发目标，证明了开发过程的有效性，为之后的底盘开发提供的思路。

参考文献：

[1]刘惟信.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001.

[2]郭孔辉.汽车底盘平台集成与调校技术.长春：汽车底盘集成匹配设计高级研修班讲义. 2007.

[3]耶尔森.赖姆帕尔.汽车底盘基础.科学普及出版社，1992.

[4]金凌鸽.C级车悬架KnC特性优化设计方法研究：[学位论文].长春：吉林大学，2010.

5]景立新，郭孔辉，卢荡.钢板弹簧三连杆模型参数识别研究.汽车技术，2010（12）：10～13.

[6]于海波，李幼德，门玉琢.双横臂独立悬架ADAMS 建模及运动特性分析.汽车技术，2007（3）：5～8.

[7]罗明军，王文林.双横臂扭杆独立悬架有限元分析与结构优化.机械设计与制造，2009（7）：19～21.

[8]黄元毅，许冠能.M150轿车的底盘操纵稳定性和舒适性的主观评价和调校. 大众科技，2008（12）： 117～119.

[9]孙福禄，朱建胜.某车型底盘调校样件规格设定浅析.农业装备与车辆工程，2013，51（10） ：12-14，22.