某SUV悬架与整车操纵稳定性分析

但世群

摘 要：汽车底盘是车辆的核心系统，而悬架系统又是底盘的重要组成部分。悬架系统对整车行驶动力学（如操纵稳定性、行驶平顺性等）有举足轻重的影响，悬架系统的运动学特性会对整车的性能造成影响。操纵性是按驾驶员的意志操纵汽车方面的性能，稳定性是即使受到干扰后恢复原来运动状态的能力，两者相互联系，不可分开，稳定性的好坏直接影响操纵稳定的结果。本文以目标车型为研究对象，以虚拟样机CAE仿真技术为前提，采用虚拟样机仿真软件ADAMS/Car模块来分析悬架和整车的性能。

关键词：悬架系统；悬架运动学；操纵稳定性；虚拟样机；ADAMS/Car

1 引言

悬架杆系的设计，使得整车姿态受到不同路面和工况是产生不同的变化，乘坐人员会感觉到路面的颠簸等不适，也会造成交通安全隐患。所以，汽车悬架不同的结构、不同杆系的设计具有重要的研究意义，如何提高杆系的刚度、模态及寿命，并将这种对整车姿态的影响减小，从而提高整车的行驶稳定性和操纵方便性，提高消费者的满意度，也提高我们自主品牌的知名度。

随着理论研究的发展和计算机技术的进步，虚拟样机技术应运而生。基于多体动力学理论的虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，它可以在各种虚拟环境中真实的模拟产品整体的运动及受力情况等，快速分析多种设计方案。使用虚拟样机技术，不但可以缩短开发周期，而且大大提供了设计质量[1]。

本文主要依托某公司自选SUV项目，采用虚拟样机技术，先在Adams/Car模块中创建前悬架总成、后悬架总成和整车模型，然后依据汽车行业关于操纵稳定性性的试验方法，对它们进行计算机辅助仿真分析，并且按照国标要求给出整车的评价，并初步探讨了影响操纵稳定性的因素。

2 多体系统动力学建模与求解过程

一个机械系统，从初始的几何模型，到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果，其流程如图1所示[2]。

多刚体系统动力学的研究对象一般比较复杂的多体系统，其结构和连接方式也是多种多样的，这个动力学方程带来很大困难；并且系统的动力学方程多为高阶非线性方程，所以动力学方程的建立和求解都必须由计算机去完成。多刚体系统动力学的研究方法主要有经典力学、图论方法、凯恩方法、变分方法、旋量方法[3]。

国内外主机厂通常采用Adams/Car软件来进行汽车多体建模和分析，并通过及后处理获得试验曲线和动画。下图2，图3，图4是根据某SUV的各种输入建立的前悬、后悬和整车虚拟样机模型。

整车模型通过11个旋转副、8个球副及14个固定副等进行约束，模型的自由度为103个，整车主要性能参数如下：

长×宽×高（mm）4260×1804×1740

前/后轮距（mm） 1545/1540

轴距（mm） 2576

空载质量（kg） 1640

满载质量（kg） 2070

前/后悬架刚度（N/mm） 21.3/22.2

3 典型工况分析结果

进入新时代，各主机厂均基于国际、国标形成自己的标准，我国国标主要有以下常见的试验评价方法[4]-[9]。限于篇幅，本文只给出稳态回转工况的分析结果。依据国标“汽车稳态回转试验”的要求，以比较低的车速使得能在半径为15m的圆周上行驶；维持转向盘的角度，逐渐加速待该SUV侧向加速度0.65g，期间应注意纵向加速度不能超过0.25g，具体分析结果如下图5，图6，图7，图8和表1。

由下图和表分析可知，该SUV中性转向点的侧向加速度、不足转向梯度和整车侧倾角梯度具有较好的计算结果，说明该车具有很好的稳态转向特性。

4 影响操纵稳定性因素的探讨

影响汽车操纵稳定性的因素有很多，本文选取了几个主要的汽车特征参数，包括质心高低、质心前后位置和整车载荷等。通过仿真对比来分析这些特征参数的变化对汽车操纵稳定性所造成的不同影响，对整车的设计具有指导意义。

4.1 质心高低对操纵稳定性的影响

改变质心高度进行仿真分析对比（以转向角阶跃输入为例）：定义三种状态：Design：原车质心高度；Higher：质心抬高50mm；Lower：质心降低50mm。下图是各质心高度的仿真曲线对比：

从下图中可以看出，质心高度不同时，对汽车的瞬态响应性能影响较为明显，质心抬高时，转向盘角阶跃输入后，汽车的横摆角度和侧向加速度减小，横摆角度响应时间和侧向加速度响应时间明显延后，同时汽车的侧倾角也明显增大。而质心降低时，横摆角速度和侧向加速度响应时间缩短，汽车的侧倾角也明显减小。因此，适当的降低质心高度可以提高汽车的瞬态响应特性，有利于整车的操纵稳定性。

4.2 质心前后位置对操纵稳定性的影响

改变质心前后位置进行仿真分析对比（以转向角阶跃输入为例）：定义三种状态：Design：原车质心位置；Front：质心前移100mm；Rear：质心后移100mm。下图是各质心位置的仿真曲线对比：

从上图中可以看出，质心前移100mm后，汽车的侧向加速度和横摆角速度都明显增大，侧向加速度和横摆角速度响应时间增加，同时汽车的侧倾角增大。质心后移100mm后，汽车的侧向加速度和横摆角速度有所减小，响应的响应时间也明显缩短，同时汽车的侧倾角也明显减小。因此，对本车来说略微后移有利于整车的操纵稳定性。

4.3 不同载荷对操纵稳定性的影响

改变整车载荷进行仿真分析对比（以转向角阶跃输入为例）：定义两种状态：Curb Weight：原车载荷；Full Weight：满载。下图是各载荷的仿真曲线对比：

从上图中可以看出，满载时汽车的横摆角速度和侧向加速度的峰值比空载时小，车身的侧倾角也比空载时明显较小。横摆角速度和侧向加速度的超调量也增大，横摆角速度和侧向加速度响应时间也有所延长。

5 结语

綜合对某SUV的整车的GB典型6种工况的整车开环和闭环工况的仿真分析，分析研究每个试验的各个具体结果，根据行业标准进行总体的结果为90.5分，符合标准，说明该SUV具有良好的操纵稳定性，也虚拟样机的建模及操纵稳定性试验仿真的正确性得到了验证，体现了在现代汽车开发中虚拟样机技术具有了重要的作用。这对于我们汽车的开发、调教及后续的改进减少了多轮物理样机投入，节省了公司成本、提高了效率，为新产品的投产赢得了时间。

参考文献：

[1]郑建荣，ADAMS—虚拟样机技术入门与提高，机械工业出版社，2002.1.

[2]陈立平等编著，机械系统动力学分析及ADAMS应用教程，清华大学出版社，2006.

[3]俞凡 林逸编制，汽车系统动力学，机械工业出版社，2008.

[4]郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.1-1994，汽车操纵稳定性试验方法 蛇行试验.北京：中国标准出版社，1994.

[5]郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.2-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）.北京：中国标准出版社，1994.

[6]郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.3-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）.北京：中国标准出版社，1994.

[7]郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.4-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向回正性能试验.北京：中国标准出版社，1994.

[8]郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.5-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向轻便性试验.北京：中国标准出版社，1994.

[9]郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.6-1994，汽车操纵稳定性试验方法 稳态回转试验.北京：中国标准出版社，1994.