田中靈， 高大威， 方 平， 林 陽(yáng)， 李 杰

（1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122）

懸架系統(tǒng)的特性直接決定著汽車的操縱穩(wěn)定性，為了精確比較某商務(wù)車新舊兩款懸架性能對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，分析懸架特性參數(shù)，本文采用單軸式K&C 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)某商務(wù)車的懸架進(jìn)行測(cè)試并獲取懸架系統(tǒng)的性能參數(shù)。根據(jù)懸架K&C 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析部分K&C（kinematic and compliance）特性參數(shù)及差異，然后基于相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)依托整車參數(shù)化仿真平臺(tái)Carsim進(jìn)行建模仿真和操縱穩(wěn)定性分析，對(duì)比兩款車的差異和特點(diǎn)，以及不同懸架對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響。

1 汽車懸架K&C 臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 懸架K&C 臺(tái)架試驗(yàn)

圖 1 K&C 試驗(yàn)臺(tái)Fig. 1 K&C test bench

圖1 懸架K&C 試驗(yàn)臺(tái)為單軸試驗(yàn)設(shè)備，主要是一種將整車的懸架性能道路試驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)架試驗(yàn)，具有可重復(fù)性的操作和分析汽車底盤懸架預(yù)定義激勵(lì)來反饋性能的設(shè)備[1]。通過將車身固定的方式，對(duì)前、后懸架進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)測(cè)試，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

1.2 懸架K&C 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)某商務(wù)車新舊兩款的基本信息的統(tǒng)計(jì)，前懸架均為麥弗遜式，后懸架舊款車為扭力梁式，新款車為多連桿式獨(dú)立懸架，所以，暫且不考慮前懸架對(duì)整車性能的影響，對(duì)后懸架扭力梁與多連桿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因?yàn)椋叫休喬囼?yàn)最能反映出懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的優(yōu)劣，故研究懸架K&C 特性時(shí)，無(wú)論何種車型和懸架類型都需要進(jìn)行平行輪跳分析試驗(yàn)[2-3]，所以，對(duì)該新舊兩款商務(wù)車后軸進(jìn)行平行輪跳試驗(yàn)并對(duì)車輪外傾角與前束角分別進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2.1 車輪外傾角的對(duì)比分析

當(dāng)車輪上跳時(shí)前輪外傾角向減小的方向變化，在下跳時(shí)朝正值方向變化，則汽車具有較好的操縱穩(wěn)定性，可以防止制動(dòng)時(shí)因左右制動(dòng)力誤差造成的直線行駛穩(wěn)定性變差，有利于減小因外傾角而引起的地面對(duì)輪胎的側(cè)向力使汽車跑偏的趨勢(shì)。

圖 2 扭力梁式懸架車輪外傾角隨輪跳變化曲線Fig.2 Wheel camber angle versus wheel jump in the vehicle using torsion beam suspension

圖 3 多連桿式獨(dú)立懸架車輪外傾角隨輪跳變化曲線Fig.3 Wheel camber angle versus wheel jump in the vehicle using multi-link independent suspension

由圖2 和圖3 可知，扭力梁式懸架在車輪上下跳動(dòng)過程中整體變化趨勢(shì)符合懸架的設(shè)計(jì)規(guī)律，左右外傾角的變化率大致相等，但是，在車輪上跳80～90 mm 處，以及下跳60～70 mm 處，外傾角隨位移的變化有一個(gè)突變，斜率突然變得較大，這樣將較為明顯地影響車輛的穩(wěn)定性，從而使車輛產(chǎn)生不穩(wěn)定工況。多連桿式懸架在車輪上下跳動(dòng)過程中，外傾角的變化趨勢(shì)符合車輛內(nèi)外傾角的設(shè)計(jì)規(guī)律且變化趨勢(shì)比較平滑，沒有突變的情況出現(xiàn)。

扭力梁式懸架左后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為?0.001 7° /mm，右后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為0.001 2° /mm，多連桿式懸架左后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為0.028 2° /mm，右后輪外傾角隨輪跳變化梯度約為0.026 9° /mm。多連桿式懸架外傾角的變化量比扭力梁式懸架的變化量大，多連桿式懸架可以更有效地控制外傾角在車輪跳動(dòng)過程中的變化，且多連桿式懸架的變化趨勢(shì)更為合理，可以減少輪胎的磨損和提高輪胎的側(cè)偏性能。

1.2.2 車輪前束角的對(duì)比分析

當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，前束角會(huì)相應(yīng)改變，其變化趨勢(shì)對(duì)車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性（不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)向）有較大的影響，是汽車懸架設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一[4]。設(shè)計(jì)后懸架時(shí)，車輪上跳工況下的前束角經(jīng)常設(shè)計(jì)成向負(fù)前束角變化的趨勢(shì)，前束值的變化量與輪心上跳的行程值應(yīng)盡量趨于一條直線，這樣可以方便調(diào)整車輛的不足轉(zhuǎn)向度，而且前束角變化量不宜過大，否則會(huì)使車輛直行過程中前束角變化較大而導(dǎo)致車輛不穩(wěn)定并且增加輪胎磨損[5]。

通過觀察圖4 與圖5，發(fā)現(xiàn)扭力梁式懸架和多連桿式懸架曲線變化趨勢(shì)大致相同，但是，扭力梁式懸架在上跳80～85 mm 處有突變，會(huì)影響車輛的穩(wěn)定性。在車輪上跳過程中，產(chǎn)生負(fù)的前束角，車輪下跳時(shí)，產(chǎn)生正的前束角，由此可以改善車輛的綜合行駛性能。而多連桿式懸架則符合此設(shè)計(jì)規(guī)律，有利于保持車輛的操縱穩(wěn)定性。由圖4可以看出，扭力梁式懸架整體的變化量較小。兩種懸架左右輪都存在差異，將會(huì)造成汽車左右后車輪磨損不一，并且可能會(huì)造成整車左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向特性的差異而降低整車的操縱穩(wěn)定性。

圖 4 扭力梁式懸架車輪前束角隨輪跳變化曲線Fig.4 Wheel toe angle versus wheel jump in the vehicle using torsion beam suspension

圖 5 多連桿式獨(dú)立懸架車輪前束角隨輪跳變化曲線Fig.5 Wheel toe angle versus wheel jump in the vehicle using multi-link independent suspension

2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真分析

為了分析兩種不同的懸架在整車中對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，根據(jù)整車基本信息（表1），運(yùn)用Carsim整車建模，依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整車分別進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入、轉(zhuǎn)角脈沖輸入、轉(zhuǎn)向回正、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向輕便性及蛇形虛擬試驗(yàn)的仿真分析[6]，本文只對(duì)最具代表性的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析[7]。

表 1 仿真車輛基本信息Tab.1 Basic information of the testing vehicle

仿真過程中整車為滿載狀態(tài)，整車模型按照該車型最高車速的70%（四舍五入取10 的整數(shù)倍）沿直線行駛，在預(yù)定的時(shí)刻快速使轉(zhuǎn)向盤達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)角并保持住，在此過程中，保持恒定車速[8]。讀取新舊兩款車型的側(cè)向加速度和橫擺角速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的仿真結(jié)果。

2.1 整車側(cè)向加速度

該車新舊兩款車型的側(cè)向加速度響應(yīng)曲線如圖6 所示。g為重力加速度。

圖 6 側(cè)向加速度響應(yīng)曲線Fig. 6 Lateral acceleration response curve

對(duì)比圖中數(shù)據(jù)可知，在同樣的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入的前提下，兩款車型的側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值有明顯差異，采用扭力梁式懸架的舊款車型的側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值為3.37 m/s2，而采用多連桿式獨(dú)立懸架的新款車型的側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值為3 m/s2，比舊款車少了0.37 m/s2。而且在轉(zhuǎn)角階躍輸入后，兩款車的最大超調(diào)量也有不同，舊款車型約為0.4 m/s2，而新款車型可忽略不計(jì)。多連桿式懸架車型的過渡過程時(shí)間也比扭力梁式懸架車型的要小，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)之后，雖然新款車的諧振幅度比舊款車的大一些，但是，在其達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之后就基本不再變化，說明相較于扭力梁式懸架的舊款車，多連桿式懸架的新款車的穩(wěn)定性更好一些，響應(yīng)也更快些。

2.2 整車橫擺角速度

該車新舊兩款車型的橫擺角速度響應(yīng)曲線如圖7 所示。

圖 7 橫擺角速度響應(yīng)曲線Fig. 7 Yaw rate response curve

觀察仿真結(jié)果可知，在輸入相同的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角之后，新舊兩款車型的過渡過程時(shí)間差別不明顯，但是，橫擺角速度的最大值與穩(wěn)態(tài)值都是有差異的。新款車型的橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)值為8.84° /s，超調(diào)量可以忽略不計(jì)。舊款車型的橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)值為9.73° /s，超調(diào)量為0.59° /s。舊款車的橫擺角速度的穩(wěn)態(tài)值比新款車的高0.89° /s，該差值與舊款車橫擺角速度的超調(diào)量0.59° /s 相差很小，說明多連桿式后懸架的車型穩(wěn)定性更好，在相同的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度下，側(cè)傾現(xiàn)象相對(duì)于舊款車型要弱一些，側(cè)傾穩(wěn)定性較好。而且，新款車型的諧振幅度比舊款車的要小，說明多連桿式后懸架整車的響應(yīng)速度較快。

根據(jù)中華人民共和國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCT480?1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》[9]中所規(guī)定的汽車橫擺角速度的評(píng)價(jià)方法，分別計(jì)算該新舊兩款車型橫擺角速度的評(píng)價(jià)分值

式中：T60為汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的下限值，為0.20 s；T100為汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的上限值，為0.06 s；T 為側(cè)向加速度為2 m/s2時(shí)的汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間，新款車為0.10 s，舊款車為0.14 s。

經(jīng)計(jì)算得出新款車橫擺角速度的評(píng)價(jià)分值為88.57，舊款車為77.14，該評(píng)價(jià)分值也論證了新款車型的操縱穩(wěn)定性要優(yōu)于舊款車型。

3 結(jié) 論

a. 對(duì)比分析扭力梁和多連桿后懸架的平行輪跳試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)部分特性參數(shù)如車輪外傾角和車輪前束角的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，多連桿懸架的K&C 特性參數(shù)變化較為合理，可以更有效地控制外傾角在車輪跳動(dòng)過程中的變化，可以減少輪胎的磨損和提高輪胎的側(cè)偏性能，但是，兩種懸架左右輪前束角都存在差異，將會(huì)造成汽車左右后車輪磨損不一。

b. 基于懸架K&C 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用仿真軟件Carsim 建立整車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真分析，得出采用多連桿式后獨(dú)立懸架的新款車型要比采用扭力梁式后懸架的舊款車型的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)快、諧振幅度小、過渡過程時(shí)間少。在特殊工況下，側(cè)傾現(xiàn)象明顯更小，響應(yīng)速度更快。

綜上所述，相對(duì)于扭力梁式后懸架，多連桿式后懸架的K&C 特性的變化更為合理，有利于保持良好的整車操縱穩(wěn)定性。但是，由于扭力梁式后懸架工藝簡(jiǎn)單、成本比較低，而且可以滿足轎車大部分的行駛工況，所以，在中低端轎車上得到了廣泛使用。雖然多連桿式后懸架有著較高的生產(chǎn)制造成本，相信隨著技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)舒適性要求的進(jìn)一步提高，多連桿式后懸架會(huì)在更多的車型上得到進(jìn)一步推廣使用。