景立新+吳利廣+李飛

摘 要：某輕型客車開發(fā)過(guò)程中，由于受雙橫臂前懸架配氣壓制動(dòng)系統(tǒng)、低地板等條件要求限制，懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均無(wú)法參考對(duì)標(biāo)車設(shè)計(jì)，底盤硬點(diǎn)及底盤零部件需要全新設(shè)計(jì)開發(fā)。通過(guò)分析對(duì)標(biāo)車性能的優(yōu)缺點(diǎn)，開發(fā)過(guò)程中優(yōu)化了前懸架主銷定位參數(shù)、K&C特性、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)布置及后懸架K特性以提供車輛的操縱穩(wěn)定性能，配合后期底盤調(diào)校工作使開發(fā)車型性能最終達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：雙橫臂懸架；氣壓制動(dòng)；懸架K&C；操縱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

汽車底盤設(shè)計(jì)過(guò)程需要解決布置、性能、耐久等關(guān)鍵技術(shù)，

某輕型客車底盤開發(fā)過(guò)程中需要滿足以下設(shè)計(jì)要求：1、雙橫臂前懸架配氣壓制動(dòng)；2、后鋼板彈簧非獨(dú)立懸架；3、車身二級(jí)踏步（前地板高度630mm）4、操縱穩(wěn)定性及平順性性能對(duì)標(biāo)某一上市車型。由于目前市場(chǎng)上尚無(wú)此配置車型，因此底盤需要全新的設(shè)計(jì)開發(fā)，在保證底盤性能的同時(shí)還要保證底盤零部件的耐久可靠性要求。前懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 底盤布置

由于采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向節(jié)位置需要配置一個(gè)尺寸較大的氣室，且在轉(zhuǎn)向過(guò)程中與轉(zhuǎn)向節(jié)一起旋轉(zhuǎn)，需要與上下擺臂、轉(zhuǎn)向拉桿、減振器保持足夠的空間，因而對(duì)底盤布置、運(yùn)動(dòng)間隙校核及零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。對(duì)標(biāo)車雙橫臂前懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示：

由于車身二級(jí)踏步及車身縱梁成形要求，雙橫臂懸架的扭桿彈簧只能安裝在下擺臂上，為滿足強(qiáng)度要求需要重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)于雙橫臂懸架，上下擺臂外球鉸點(diǎn)連線即為懸架主銷，其在YZ平面及XZ平面投影相對(duì)Z軸的夾角即為主銷內(nèi)傾角及后傾角；主銷穿地點(diǎn)與輪胎接地點(diǎn)在YZ平面及XZ平面的投影距離即為主銷偏移距及后傾拖距；輪胎中心與主銷軸線在YZ平面的投影距離即為縱向力臂[1]。

主銷內(nèi)傾角對(duì)車輛的重力回正有顯著影響；主銷后傾角及后傾拖距對(duì)車輛的側(cè)向力回正及高速穩(wěn)定性有顯著影響[2]；主銷偏移距對(duì)車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性有顯著影響，一般的設(shè)計(jì)范圍為-10至5mm；縱向力臂對(duì)車輛的力矩轉(zhuǎn)向（加減速工況）特性有顯著影響[3]，一般設(shè)計(jì)范圍為小于75mm。

通過(guò)對(duì)標(biāo)車的主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)車回正能力及高速穩(wěn)定性能較差，為改進(jìn)此方面性能，設(shè)計(jì)過(guò)程中將主銷后傾角及后傾拖距增大；設(shè)計(jì)中由于氣室的空間限制，主銷偏移距采用最小化設(shè)計(jì)；同樣由于氣室的空間限制，縱向力臂采用最小化設(shè)計(jì)，如表1所示：

3 性能優(yōu)化

通過(guò)對(duì)標(biāo)車的客觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)車很多K&C特性并不是很理想，如前懸架Roll camber大于1（外傾角隨車輪上跳而增大）、后懸架Roll steer趨勢(shì)過(guò)大及前懸架側(cè)向力剛度過(guò)低等。針對(duì)以上問(wèn)題通過(guò)多體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，調(diào)整懸架硬點(diǎn)及襯套剛度，對(duì)懸架K&C進(jìn)行優(yōu)化。

懸架K&C優(yōu)化遵循以下原則：盡量減小后軸的過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，增大其等效側(cè)偏剛度，提高車輛的側(cè)向響應(yīng)特性及穩(wěn)定性；提高懸架側(cè)向力剛度，提高車輛的側(cè)向響應(yīng)特性；降低懸架的縱向剛度，改善車輛的舒適性；優(yōu)化前后懸架剛度，使前后懸架偏頻匹配；優(yōu)化前后懸架側(cè)向中心高度及側(cè)傾剛度，使整車的側(cè)傾梯度及輪胎側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)（TLLTD）合理等。

對(duì)于雙橫臂懸架，外傾角隨輪跳的變化趨勢(shì)取決于上下擺臂的相對(duì)長(zhǎng)度及傾斜角度，如圖3所示，如輪跳時(shí)上擺臂外點(diǎn)相對(duì)下擺臂外點(diǎn)內(nèi)移，則外傾角減?。蝗巛喬鴷r(shí)上擺臂外點(diǎn)相對(duì)下擺臂外點(diǎn)外移，則外傾角增大；為滿足輪跳時(shí)外傾角減小的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)中調(diào)整了上擺臂的長(zhǎng)度及傾斜角度[4]。

對(duì)標(biāo)車后懸架側(cè)傾軸轉(zhuǎn)向較嚴(yán)重，降低了整車的瞬態(tài)響應(yīng)特性及穩(wěn)定性，為改進(jìn)此方面性能，設(shè)計(jì)過(guò)程中將鋼板彈簧前安裝點(diǎn)位置降低[5]，但為了不影響離地間隙，前安裝點(diǎn)不能太低，這導(dǎo)致后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向還是有過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，如圖4所示：

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于布置原因，底盤零部件需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，除需要滿足底盤性能及零部件之間的運(yùn)動(dòng)間隙外，還需要滿足強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)中采用靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度工況進(jìn)行校核，具體工況見表3（表中六個(gè)工況及對(duì)應(yīng)的各方向慣性載荷系數(shù)為某公司在平臺(tái)車型設(shè)計(jì)過(guò)程中積累及修正后的值，并根據(jù)可靠性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證）。強(qiáng)度分析中將整個(gè)懸架系統(tǒng)在有限元軟件中建模，設(shè)置各零部件之間的約束關(guān)系，通過(guò)在車輪上加載靜態(tài)載荷來(lái)分析各工況下零部件的應(yīng)力水平，只有滿足強(qiáng)度要求，零部件結(jié)構(gòu)才能初步確定，而疲勞耐久特性還需在后期進(jìn)一步驗(yàn)證[7]。圖7與圖8分別為前懸架上、下擺臂有限元分析結(jié)果。

5 樣車驗(yàn)證

樣車試制階段對(duì)懸架硬點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，樣車完成后首先進(jìn)行檢查驗(yàn)證工作。

1、進(jìn)行四輪定位調(diào)整；

2、進(jìn)行懸架K&C特性測(cè)試；

四輪定位主要是為了保證車輛的初始定位參數(shù)正確，是進(jìn)行后續(xù)工作的基礎(chǔ)。懸架K&C測(cè)試用于檢查樣車是否滿足設(shè)計(jì)意圖，并可檢測(cè)車輛制造過(guò)程中左右懸架的對(duì)稱性。圖9為懸架K&C測(cè)試過(guò)程。

K&C測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)階段相關(guān)參數(shù)。圖10～圖16列出了各曲線詳細(xì)對(duì)比。包括：驗(yàn)證了前懸架Roll camber設(shè)計(jì)，使前外車輪側(cè)傾時(shí)外傾角減小（圖中紅色曲線為樣車，藍(lán)色曲線為對(duì)標(biāo)車，下同），有利于提高車輛的極限性能；驗(yàn)證了后懸架Roll steer設(shè)計(jì)，后軸過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)減小，有利于整車響應(yīng)特性及穩(wěn)定性；驗(yàn)證了前懸架側(cè)向力剛度設(shè)計(jì)，使樣車剛度增加，有利于車輛的側(cè)向響應(yīng)特性；驗(yàn)證了主銷后傾角及后傾拖距設(shè)計(jì)，通過(guò)硬點(diǎn)調(diào)整達(dá)到目標(biāo)值；主銷偏移距及縱向力臂與設(shè)計(jì)值相當(dāng)，為最小化設(shè)計(jì)，有利制動(dòng)穩(wěn)定性及力矩轉(zhuǎn)向特性。

6 樣車調(diào)校

樣車驗(yàn)證工作證明了樣車制造與設(shè)計(jì)的一致性，隨后則開展底盤調(diào)校工作。底盤調(diào)校工作主要是根據(jù)主觀專家的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)懸架彈簧、穩(wěn)定桿、橡膠襯套及減振器特性進(jìn)行多輪的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)操縱穩(wěn)定性及平順性的提升及平衡[8] [9]。

本車底盤調(diào)校由某國(guó)際專家完成，調(diào)校場(chǎng)地選擇襄樊汽車試驗(yàn)場(chǎng)，調(diào)校過(guò)程中減振器供應(yīng)商及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供應(yīng)商配合樣件性能調(diào)整。

調(diào)校后主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖17所示。開發(fā)樣車在操縱穩(wěn)定方面優(yōu)于對(duì)標(biāo)車，特別是在高速穩(wěn)定性及回正特性方面；開發(fā)樣車舒適性低于對(duì)標(biāo)車，主要是由于簧下質(zhì)量相對(duì)對(duì)標(biāo)車增加40%，造成平順性下降。

底盤調(diào)校后對(duì)樣車進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中底盤零部件沒(méi)有出現(xiàn)明顯的疲勞失效，證明零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足可靠性要求。

7 總結(jié)

在該車型開發(fā)過(guò)程中需要滿足氣壓制動(dòng)等先決條件，造成底盤硬點(diǎn)及零部件需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)；通過(guò)參考對(duì)標(biāo)車的特性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)車部分參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化，從而可提供車輛的某些性能；利用多體動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化了懸架的K&C特性進(jìn)而獲得相應(yīng)的硬點(diǎn)位置、橡膠襯套剛度；利用有限元分析，在前期分析優(yōu)化底盤零部件以滿足經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度工況，通過(guò)過(guò)去的可靠性試驗(yàn)證明了方法的有效性；利用K&C等設(shè)備檢查驗(yàn)證樣車制造與設(shè)計(jì)的一致性，并可檢查樣車制動(dòng)的左右對(duì)稱性；通過(guò)底盤調(diào)校來(lái)調(diào)整彈性元件以獲得操縱穩(wěn)定性及平順性的提升及平衡；樣車的整車性能達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)，證明了開發(fā)過(guò)程的有效性，為之后的底盤開發(fā)提供的思路。

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