周偉 王浩 梁媛媛 儲勝林

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

懸架K&C特性描述了汽車在行駛過程中懸架彈簧變形、車身側(cè)傾及輪胎與地面之間力和力矩作用下車輪的運動狀態(tài)[1]。該特性對整車的直線行駛性能、轉(zhuǎn)彎行駛時穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性、行駛方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)彎制動穩(wěn)定性、回正性能、加速和制動抗縱傾性等操縱穩(wěn)定性以及整車NVH 特性都有直接影響。對懸架K&C特性的研究在汽車動力學的研究領域占有十分重要的地位，一直是國內(nèi)外汽車動力學界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點之一[2]。因此，研究懸架系統(tǒng)的K&C特性，進行K&C特性設計和優(yōu)化，對于提高民族品牌汽車的研發(fā)能力和科技創(chuàng)新能力，具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 懸架K&C特性

1.1 K&C特性含義

K（Kinematics）代表運動學特性，主要指由懸架導向機構(gòu)幾何所決定的懸架運動學特性；C（Compliance）代表懸架柔度特性，主要是指由懸架系統(tǒng)的彈簧、襯套以及零部件變形組合在一起所決定的懸架力學特性[3]。

懸架K&C特性包含靜態(tài)四輪定位、運動學特性（K特性）和力學特性（C 特性），是懸架系統(tǒng)總成最重要的外特性。圖1 示出汽車懸架輸入和輸出響應系統(tǒng)。K&C特性在產(chǎn)品開發(fā)不同階段都具有重要作用，在產(chǎn)品初期用于指導懸架系統(tǒng)架構(gòu)設計；在標桿競品研究階段用于標桿車性能解析；在不同樣件階段用于指導底盤調(diào)校工作。

圖1 汽車懸架輸入和輸出響應系統(tǒng)

1.2 K&C試驗

K&C試驗臺是一種測量底盤K&C特性參數(shù)的設備，是將車身固定到剛度很大的支撐上，通過對車輪施加位移、力和力矩的作用，使懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生相應運動和變化，進而得出試驗車輛的運動學和力學特性參數(shù)。

典型的K&C試驗臺分為單軸和雙軸，如圖2 所示。雙軸試驗臺可以一次性完成前后懸架的試驗，而單軸試驗臺需要前后懸架分開試驗[4]。K&C試驗臺主要由4 個部分組成：1）試驗臺基座及車身固定模塊，剛性固定車身并滿足不同輪距、軸距車輛的試驗要求；2）加載模塊，對車輪施加位移和力（力矩）的作用，加載動力源一般為液壓系統(tǒng)或電力系統(tǒng)；3）測控系統(tǒng)，對加載系統(tǒng)進行實時控制和數(shù)據(jù)采集，并對采集數(shù)據(jù)進行處理和傳輸；4）人機交互系統(tǒng)（各類控制按鈕和控制屏），可對試驗進行控制，也可觀察試驗運行狀況。

圖2 K&C試驗臺示意圖

K&C試驗主要有六大試驗項目[5]，如表1 所示。

表1 K&C試驗項目簡介

2 懸架K&C對整車性能的影響

K&C特性評價指標和評價工況較多，文章僅以前束角和外傾角以及其相關特性對整車性能的影響展開論述。

2.1 前束角對整車性能的影響

靜態(tài)前束角指在靜止的汽車上，汽車縱向中心面與車輪中心面和地面的交線之間的角度[6]。從汽車行駛方向上看，車輪的前束角與輪胎的側(cè)偏角相當，因此前束角須對稱布置以保證汽車直線行駛。靜態(tài)前束角不宜設置過大，否則會加劇輪胎磨損、增加行駛阻力以及難以保證直線行駛穩(wěn)定性。考慮不同的性能要求（如轉(zhuǎn)向特性、車輛響應、輪胎磨損以及輪胎抓地能力等），前輪靜態(tài)前束可以設置成弱正和弱負，但對于后輪，負前束會導致汽車過度轉(zhuǎn)向，因此后輪靜態(tài)前束應設置為弱正。

比靜態(tài)前束角更為重要的是前束角的K&C特性。后者是為了獲得適當?shù)牟蛔戕D(zhuǎn)向特性或是達到確定的行駛性能所需要的。無論車輪上跳還是下跳時，前束角都不應有較大變化。否則，汽車在不平路面直線行駛時，由于車輪上、下跳動所產(chǎn)生的前束角變化會破壞汽車的直線行駛性能。

為使汽車在彎道行駛過程中具有不足轉(zhuǎn)向特性，轉(zhuǎn)彎過程中內(nèi)側(cè)車輪懸架彈簧伸長，相當于車輪向下跳動，外側(cè)車輪懸架彈簧被壓縮，相當于車輪向上跳動。對于前軸，上跳的車輪產(chǎn)生后束角，下落的車輪產(chǎn)生前束角，則轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角會發(fā)生輕微回轉(zhuǎn)，從而使汽車的前軸具有不足轉(zhuǎn)向特性。與前輪相比，后輪前束角的變化規(guī)律對汽車不足轉(zhuǎn)向特性的影響更大。后輪外側(cè)車輪上跳時前束角增大，下落時后輪前束角減小，是保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時不足轉(zhuǎn)向性的重要條件。

汽車受到地面的縱向力主要有制動力、驅(qū)動力和滾動阻力，其中對直線行駛性能和轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)定性影響最大的是制動力[7]。當汽車在具有對開特征的路面上制動時，左、右車輪會受到不相等的制動力作用，制動力之差會產(chǎn)生使汽車偏轉(zhuǎn)行駛的橫擺力矩，如圖3 所示。為抵消這種橫擺力矩對汽車直線行駛性能的影響，要求前束角隨著制動力增加而增加，即受制動力大的車輪前束角變化大，受制動力小的車輪前束角變化小。左右綜合考慮，總的前束角變化方向與汽車偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在一定程度上抵消了由于兩側(cè)車輪制動力不相等產(chǎn)生的橫擺力矩對汽車直線行駛性能的影響。

圖3 制動力對直線行駛性能的影響

2.2 外傾角對整車性能的影響

車輪外傾角是指車輪中心平面和道路平面垂線之間的夾角[8]。輪胎具有側(cè)偏和側(cè)傾2 種效應，輪胎側(cè)向力是由輪胎側(cè)偏側(cè)向力和側(cè)傾側(cè)向力兩部分構(gòu)成[9]。對整車而言，車輪的外傾就是輪胎的側(cè)傾，它使輪胎產(chǎn)生外傾推力，其方向與外傾角變化方向相反。正外傾角產(chǎn)生的外傾推力與側(cè)向力方向相反，使側(cè)偏角絕對值增大，對于前軸有利于不足轉(zhuǎn)向特性，對于后軸則反之；負外傾角產(chǎn)生的輪胎側(cè)傾側(cè)向力與側(cè)偏側(cè)向力方向相同，有利于提高輪胎抓地極限，所以前后輪負外傾角有利于提高整車操控極限。綜上，后輪負外傾角有利于整車不足轉(zhuǎn)向特性和提高操控極限，外傾角絕對值不宜過大，否則會影響輪胎偏磨。前輪不足轉(zhuǎn)向特性和操控極限對外傾角正負要求不同，應根據(jù)具體車型性能要求進行設定。一般前驅(qū)車型因質(zhì)量分布和驅(qū)動力的作用具有典型不足轉(zhuǎn)向特性，外傾角應設計為負值以提高輪胎抓地極限。與非獨立懸架相比，獨立懸架的一個缺點是當汽車轉(zhuǎn)彎行駛時車輪會隨車身一起傾斜。為克服這個缺點，要求車輪上跳時外傾角減小。

3 懸架K&C特性的評價

以某小型SUV 開發(fā)為例，對前、后懸架K&C主要特性參數(shù)的最優(yōu)設計區(qū)間進行概括，如表2 所示。

表2 某SUV 懸架K&C最優(yōu)設計區(qū)間

該區(qū)間的確定主要基于所開發(fā)的特定車型、車型的風格定義以及目標銷售群體。表2 對其他車型開發(fā)具有一定的參考價值，但具體車型還需具體對待。

4 結(jié)論

文章闡述了汽車懸架運動學特性與柔度特性（K&C）的試驗方法和試驗工況，論述了前束和外傾以及其變化特性對整車性能的影響。由于K&C參數(shù)之間相互關聯(lián)影響，加上車型的多樣性和用途的多樣性，該評價體系只能作為新車開發(fā)時的參考，具體車型開發(fā)還需進行具體的性能調(diào)校。

汽車懸架K&C設計是一項系統(tǒng)工程，涉及懸架、輪胎和轉(zhuǎn)向等多個系統(tǒng)，涉及多體動力學、輪胎力學和流體力學等多個學科。今后可以從5 個方面進行深入研究：

1）從橡膠力學的角度研發(fā)高性能輪胎，并通過先進的制造工藝控制輪胎性能的一致性；

2）改進轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計，促進中心區(qū)等的性能的提升；

3）完善非線性仿真模型的理論及算法，提高仿真精度；

4）提高底盤系統(tǒng)的調(diào)校能力及主觀評價能力；

5）建立仿真、實車試驗及主觀評價的數(shù)據(jù)庫。