悬架动力学参数带宽对车辆峰值载荷的影响

2021-09-02 09:03刘立刚

汽车文摘 2021年9期

刘立刚

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201208）

主题词：峰值载荷载荷预测疲劳耐久虚拟路面载荷预测

1 前言

车辆的耐久性能、碰撞安全、燃油经济性、振动噪声和车辆动力学性能都是衡量车辆品质的关键指标，而车辆耐久是其它性能的基础，是车辆开发过程中首要硬性指标。在车辆的前期开发阶段，通过对典型静态载荷和虚拟路面动态载荷的考量，基本上可以保证车辆的结构耐久性能。但车辆其它方面的性能调试，如减振器阻尼力、弹簧和衬套刚度等，都可能会引起载荷的变化，特别是极限工况峰值载荷的变化，故需要在前期开发阶段，考虑设计带宽对载荷造成的影响。在上汽通用，车辆的耐久性必需经过试车场各种路面的严格测试和考验，包含比利时路、扭曲路、砂石路和特征路面，其中方坑工况是车身和悬架大部分零部件承受冲击最大的载荷工况。本文将以此工况，通过虚拟载荷预测（virtual Road Load Data Acquisition,vRLDA）技术[1]研究悬架车辆动力学参数对车辆峰值载荷的影响。

2 模型介绍

车辆动力学模型在Altair/MotionView环境下建立，如图1所示，由车身、悬架、发动机悬置、传动系、转向系、副车架子系统及轮胎和路面子系统构成。为提高模型的计算精度，车身和副车架均处理为考虑模态特性的柔性模型，这样避免了引入线性界面点刚度带来的计算误差，可以更好的反映极限载荷的大小；轮胎建模使用F-tire类型，并建立了方坑路面的3D路面模型；通过驾驶员模型来控制车速和行驶路径。此方法的建模精度通过以往项目的相关性分析已得到充分验证[2-3]。在进行动态仿真分析之前，通过模拟K&C试验工况，对比垂向、侧向、纵向和侧倾刚度及外倾和前束角的变化，确保模型的准确性。

图1 车辆动力学模型

3 悬架车辆动力学参数带宽及其对载荷的影响

悬架系统主要功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。此外，悬架作为车轮相对于车架或车身的位移特性的导向机构，决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性。故悬架参数设计的出发点是确保车辆动力学的基本性能，悬架参数设计带宽也需要在车辆动力学基本指标范围内变化。本文旨在研究载荷的影响，以麦弗逊前悬架为例，研究悬架参数变化对控制臂球头峰值纵向载荷Fx、侧向载荷Fy和减振器支撑塔的垂向载荷Fz的影响。这3个方向载荷比较有代表性，也是车辆前期开发过程中比较关注的位置点。

3.1 弹簧

3.1.1 弹簧的车辆动力学设计

弹簧的车辆动力学参数设计需要满足2个基本要求：(1)弹簧在指定高度下的检测载荷需要确保车轮相对车身在正确的设计位置，保证车辆姿态的正确；(2)弹簧的刚度需要满足偏频的设计指标，以满足车辆舒适性的基本需求。

3.1.2 弹簧的车辆动力学设计

为满足车辆不同配置、不同轴荷下的车辆姿态，弹簧通常会进行分组设计，再考虑加工制造误差等因素，车辆姿态与设计并不可能完全一致，这里假设存在与设计±5 mm的误差。通过仿真分析，对载荷的影响见图2。可见，车辆姿态对Fz有很大影响，意味着增加车轮上跳行程，可有效降低减振器支撑塔的垂向载荷。这是因为上跳行程大，减振器和弹簧可以在车轮受到冲击时，多吸收和消耗一部分能量，减小了非簧载对车身的冲击，但对Fx和Fy无显著影响(载荷变化率<5%)。

图2 车辆姿态对载荷的影响

3.1.3 弹簧刚度带宽及其对载荷的影响

根据车辆动力学理论，悬架偏频需要在合理的设计区间，并且后悬架的偏频比前悬架要略大。一方面避免前、后悬架在受到路面激励时引起共振，另一方面考虑到后轴的承载需求，不希望后车身姿态变化较大。根据大数据的统计结果，前悬偏频变化范围在1.15～1.35 Hz，后悬偏频约是前悬的1.2倍。根据偏频的变化范围以及调试范围，这里研究前弹簧刚度变化±2 N/mm，且保持正确的车辆姿态对载荷的影响。如图3，可见弹簧刚度在指定范围内的变化对载荷的影响有限。

图3 弹簧刚度对载荷的影响

3.2 减振器

3.2.1 减振器的车辆动力学设计

当汽车行驶的过程中，可能会承受来自路面和自身振源（车轮总成，传动系统和发动机）引起的振动，制动、加速引起的点头和俯仰，以及转向引起的侧倾。作为衰减振动的主要功能件—减振器，也是车辆动力学工程师主要调试的元件之一。对于悬架系统，只有恰当的设计阻尼力才能充分发挥悬架的缓冲、减振作用。舒适型悬架为获取良好的平顺性，阻尼比通常在0.25[4]。悬架压缩和回弹行程的减振器速度-阻尼力并不相等，这是因为当车轮回弹时，要消耗弹簧和缓冲块存储的能量，所以在回弹方向的阻尼力一般要比压缩方向大一些。

3.2.2 减振器阻尼力带宽对载荷的影响

本案例分析±20%阻尼力变化对峰值载荷的影响，如图4所示。因减振器阻尼分为回弹行程和压缩行程，故分2部分进行考虑。

图4 阻尼力变化范围

由图5和图6可以看出，增加减振器压缩段的阻尼力或降低拉伸段的阻尼力，可以有效降低Fz，但对Fx和Fy影响不大。这是因为，车轮进坑时，在簧载质量惯性作用下，减振器先拉伸，出坑时受到路面冲击，减振器开始压缩，直到出坑瞬间，载荷Fz达到峰值。减少回弹力，有助于获取更大的上跳行程，前面提到，上跳行程越大，越能有效降低Fz；增加压缩力，能消耗方坑冲击引起车轮上跳的能量，故能有效降低载荷Fz。减振器主要受拉伸方向的载荷，且主销内倾和后倾角很小，故对Fx和Fy影响不大。

（1）减振器回弹力带宽对载荷的影响如图5所示。

图5 回弹力对载荷的影响

（2）减振器压缩力带宽对载荷的影响如图6所示。

图6 压缩力对载荷的影响

3.3 缓冲块

3.3.1 缓冲块的车辆动力学设计

缓冲块是悬架设计开发中的重要零件，其力学特性对车辆的舒适性、操控性、离地间隙、悬架限位及与车身界面点载荷都有很大影响。对于大部分不起副簧作用的缓冲块设计而言，刚度曲线的线性段刚度越低、线性段越长，舒适性越好，但考虑到对车辆侧倾的控制，又需要在车辆转弯过程中，起到足够的支撑作用。在悬架受到很大冲击时，缓冲块要像弹簧一样吸收冲击的能量，并限制车轮上跳以避免引起零部件包络干涉问题。根据文献[5]，缓冲块的初始线性段设计考虑舒适性的指标，需要满足2 g行程的要求。悬架限位的要求决定了缓冲块的总变形量，即刚度曲线的尾端，刚度曲线的中间一段取决于对操控性能的调试，见图7。

图7 缓冲块刚度曲线

3.3.2 缓冲块刚度曲线带宽及对载荷的影响

缓冲块刚度曲线与横轴围成的面积反映了缓冲块的吸收能量，吸收能越大，越能有效降低传递给车身的峰值载荷。故有的缓冲块设计靠增加一个套环的设计提高吸收的能量，或采用不同材质混合的缓冲块设计，以实现初始线性刚度低，非线性段到尾端有较高的刚度，并且又能吸收足够的能量。缓冲块的吸收功可以用刚度曲线与横轴围成的面积表示，这里研究±30 J能量对峰值载荷的影响。由图8可见，缓冲块吸收功越大，越能缓解方坑冲击引起的非簧载质量的动能，从而有效降低Fz。

图8 缓冲块对载荷的影响

3.4 轮胎

3.4.1 轮胎的车辆动力学设计

轮胎是车辆与地面唯一接触的零件，起着支撑车身，缓冲路面冲击，保障车辆的正常行驶的作用，同时影响舒适性、操控性、NVH（Noise、Vibration、Harsh⁃ness）、燃油诸多方面的性能。车辆开发过程中，往往不同的配置，从成本、造型和使用需求多方面考虑，会采用不同尺寸但外径相近的轮胎设计。在极限工况下，轮胎几乎被完全压缩，不同截面尺寸的轮胎对峰值载荷的影响也大为不同。

3.4.2 轮胎截面尺寸对峰值载荷的影响

同样轮胎直径情况下，轮辋每增加2.54 cm，相当于轮胎的截面高度要降低1.27 cm。在方坑工况中，截面高越小，路面对轮辋的冲击越大。如图9所示，轮辋直径每增加2.54 cm，各方向的载荷增加约20%～30%，甚至更大，可见轮胎的贡献非同小可。在项目开发初期，做好选型工作，决策好车轮的尺寸十分重要，否则架构设计会受到很大的冲击。

图9 轮胎截面对载荷的影响

3.5 衬套

3.5.1 衬套的车辆动力学设计

悬架上的衬套同样起着缓冲、隔振、降噪的作用，衬套刚度的初始线性段设计需要满足悬架K&C特性设计的基本要求，非线性段需要满足零部件之间的限位要求。麦弗逊前悬架载荷传递路径上的衬套主要有控制臂前、后衬套和减振器与车身界面点支撑塔衬套。根据设计取向，结构设计的不同特点，如车身界面点支撑塔衬套分为单通和多通设计。单通的特点是悬架垂向冲击载荷都通过支撑塔衬套传递到车身，包含弹簧力，减振器阻尼力和缓冲块的力；多通设计，一般来说，缓冲块的力不通过支撑塔衬套传递，支撑塔衬套受力较小，仅承受减振器阻尼力的作用，这样可以有效避免支撑塔衬套承受过大载荷而引起橡胶疲劳问题。本例中支撑塔衬套为多通设计，故不考虑该衬套刚度变化对载荷的影响，仅分析控制臂前、后衬套刚度变化±20%对载荷的影响，如图10所示。