劉立剛

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201208）

主題詞：峰值載荷 載荷預(yù)測(cè) 疲勞耐久 虛擬路面載荷預(yù)測(cè)

1 前言

車輛的耐久性能、碰撞安全、燃油經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪聲和車輛動(dòng)力學(xué)性能都是衡量車輛品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，而車輛耐久是其它性能的基礎(chǔ)，是車輛開發(fā)過程中首要硬性指標(biāo)。在車輛的前期開發(fā)階段，通過對(duì)典型靜態(tài)載荷和虛擬路面動(dòng)態(tài)載荷的考量，基本上可以保證車輛的結(jié)構(gòu)耐久性能。但車輛其它方面的性能調(diào)試，如減振器阻尼力、彈簧和襯套剛度等，都可能會(huì)引起載荷的變化，特別是極限工況峰值載荷的變化，故需要在前期開發(fā)階段，考慮設(shè)計(jì)帶寬對(duì)載荷造成的影響。在上汽通用，車輛的耐久性必需經(jīng)過試車場(chǎng)各種路面的嚴(yán)格測(cè)試和考驗(yàn)，包含比利時(shí)路、扭曲路、砂石路和特征路面，其中方坑工況是車身和懸架大部分零部件承受沖擊最大的載荷工況。本文將以此工況，通過虛擬載荷預(yù)測(cè)（virtual Road Load Data Acquisition,vRLDA）技術(shù)[1]研究懸架車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)車輛峰值載荷的影響。

2 模型介紹

車輛動(dòng)力學(xué)模型在Altair/MotionView環(huán)境下建立，如圖1所示，由車身、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、副車架子系統(tǒng)及輪胎和路面子系統(tǒng)構(gòu)成。為提高模型的計(jì)算精度，車身和副車架均處理為考慮模態(tài)特性的柔性模型，這樣避免了引入線性界面點(diǎn)剛度帶來的計(jì)算誤差，可以更好的反映極限載荷的大?。惠喬ソＪ褂肍-tire類型，并建立了方坑路面的3D路面模型；通過駕駛員模型來控制車速和行駛路徑。此方法的建模精度通過以往項(xiàng)目的相關(guān)性分析已得到充分驗(yàn)證[2-3]。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析之前，通過模擬K&C試驗(yàn)工況，對(duì)比垂向、側(cè)向、縱向和側(cè)傾剛度及外傾和前束角的變化，確保模型的準(zhǔn)確性。

圖1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

3 懸架車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)帶寬及其對(duì)載荷的影響

懸架系統(tǒng)主要功能是傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的行駛平順性。此外，懸架作為車輪相對(duì)于車架或車身的位移特性的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，決定了車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輪定位參數(shù)的變化，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性。故懸架參數(shù)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是確保車輛動(dòng)力學(xué)的基本性能，懸架參數(shù)設(shè)計(jì)帶寬也需要在車輛動(dòng)力學(xué)基本指標(biāo)范圍內(nèi)變化。本文旨在研究載荷的影響，以麥弗遜前懸架為例，研究懸架參數(shù)變化對(duì)控制臂球頭峰值縱向載荷Fx、側(cè)向載荷Fy和減振器支撐塔的垂向載荷Fz的影響。這3個(gè)方向載荷比較有代表性，也是車輛前期開發(fā)過程中比較關(guān)注的位置點(diǎn)。

3.1 彈簧

3.1.1 彈簧的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

彈簧的車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿足2個(gè)基本要求：(1)彈簧在指定高度下的檢測(cè)載荷需要確保車輪相對(duì)車身在正確的設(shè)計(jì)位置，保證車輛姿態(tài)的正確；(2)彈簧的剛度需要滿足偏頻的設(shè)計(jì)指標(biāo)，以滿足車輛舒適性的基本需求。

3.1.2 彈簧的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

為滿足車輛不同配置、不同軸荷下的車輛姿態(tài)，彈簧通常會(huì)進(jìn)行分組設(shè)計(jì)，再考慮加工制造誤差等因素，車輛姿態(tài)與設(shè)計(jì)并不可能完全一致，這里假設(shè)存在與設(shè)計(jì)±5 mm的誤差。通過仿真分析，對(duì)載荷的影響見圖2?？梢?，車輛姿態(tài)對(duì)Fz有很大影響，意味著增加車輪上跳行程，可有效降低減振器支撐塔的垂向載荷。這是因?yàn)樯咸谐檀?，減振器和彈簧可以在車輪受到?jīng)_擊時(shí)，多吸收和消耗一部分能量，減小了非簧載對(duì)車身的沖擊，但對(duì)Fx和Fy無顯著影響(載荷變化率<5%)。

圖2 車輛姿態(tài)對(duì)載荷的影響

3.1.3 彈簧剛度帶寬及其對(duì)載荷的影響

根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)理論，懸架偏頻需要在合理的設(shè)計(jì)區(qū)間，并且后懸架的偏頻比前懸架要略大。一方面避免前、后懸架在受到路面激勵(lì)時(shí)引起共振，另一方面考慮到后軸的承載需求，不希望后車身姿態(tài)變化較大。根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，前懸偏頻變化范圍在1.15～1.35 Hz，后懸偏頻約是前懸的1.2倍。根據(jù)偏頻的變化范圍以及調(diào)試范圍，這里研究前彈簧剛度變化±2 N/mm，且保持正確的車輛姿態(tài)對(duì)載荷的影響。如圖3，可見彈簧剛度在指定范圍內(nèi)的變化對(duì)載荷的影響有限。

圖3 彈簧剛度對(duì)載荷的影響

3.2 減振器

3.2.1 減振器的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車行駛的過程中，可能會(huì)承受來自路面和自身振源（車輪總成，傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)）引起的振動(dòng)，制動(dòng)、加速引起的點(diǎn)頭和俯仰，以及轉(zhuǎn)向引起的側(cè)傾。作為衰減振動(dòng)的主要功能件—減振器，也是車輛動(dòng)力學(xué)工程師主要調(diào)試的元件之一。對(duì)于懸架系統(tǒng)，只有恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)阻尼力才能充分發(fā)揮懸架的緩沖、減振作用。舒適型懸架為獲取良好的平順性，阻尼比通常在0.25[4]。懸架壓縮和回彈行程的減振器速度-阻尼力并不相等，這是因?yàn)楫?dāng)車輪回彈時(shí)，要消耗彈簧和緩沖塊存儲(chǔ)的能量，所以在回彈方向的阻尼力一般要比壓縮方向大一些。

3.2.2 減振器阻尼力帶寬對(duì)載荷的影響

本案例分析±20%阻尼力變化對(duì)峰值載荷的影響，如圖4所示。因減振器阻尼分為回彈行程和壓縮行程，故分2部分進(jìn)行考慮。

圖4 阻尼力變化范圍

由圖5和圖6可以看出，增加減振器壓縮段的阻尼力或降低拉伸段的阻尼力，可以有效降低Fz，但對(duì)Fx和Fy影響不大。這是因?yàn)?，車輪進(jìn)坑時(shí)，在簧載質(zhì)量慣性作用下，減振器先拉伸，出坑時(shí)受到路面沖擊，減振器開始?jí)嚎s，直到出坑瞬間，載荷Fz達(dá)到峰值。減少回彈力，有助于獲取更大的上跳行程，前面提到，上跳行程越大，越能有效降低Fz；增加壓縮力，能消耗方坑沖擊引起車輪上跳的能量，故能有效降低載荷Fz。減振器主要受拉伸方向的載荷，且主銷內(nèi)傾和后傾角很小，故對(duì)Fx和Fy影響不大。

（1）減振器回彈力帶寬對(duì)載荷的影響如圖5所示。

圖5 回彈力對(duì)載荷的影響

（2）減振器壓縮力帶寬對(duì)載荷的影響如圖6所示。

圖6 壓縮力對(duì)載荷的影響

3.3 緩沖塊

3.3.1 緩沖塊的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

緩沖塊是懸架設(shè)計(jì)開發(fā)中的重要零件，其力學(xué)特性對(duì)車輛的舒適性、操控性、離地間隙、懸架限位及與車身界面點(diǎn)載荷都有很大影響。對(duì)于大部分不起副簧作用的緩沖塊設(shè)計(jì)而言，剛度曲線的線性段剛度越低、線性段越長(zhǎng)，舒適性越好，但考慮到對(duì)車輛側(cè)傾的控制，又需要在車輛轉(zhuǎn)彎過程中，起到足夠的支撐作用。在懸架受到很大沖擊時(shí)，緩沖塊要像彈簧一樣吸收沖擊的能量，并限制車輪上跳以避免引起零部件包絡(luò)干涉問題。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，緩沖塊的初始線性段設(shè)計(jì)考慮舒適性的指標(biāo)，需要滿足2 g行程的要求。懸架限位的要求決定了緩沖塊的總變形量，即剛度曲線的尾端，剛度曲線的中間一段取決于對(duì)操控性能的調(diào)試，見圖7。

圖7 緩沖塊剛度曲線

3.3.2 緩沖塊剛度曲線帶寬及對(duì)載荷的影響

緩沖塊剛度曲線與橫軸圍成的面積反映了緩沖塊的吸收能量，吸收能越大，越能有效降低傳遞給車身的峰值載荷。故有的緩沖塊設(shè)計(jì)靠增加一個(gè)套環(huán)的設(shè)計(jì)提高吸收的能量，或采用不同材質(zhì)混合的緩沖塊設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)初始線性剛度低，非線性段到尾端有較高的剛度，并且又能吸收足夠的能量。緩沖塊的吸收功可以用剛度曲線與橫軸圍成的面積表示，這里研究±30 J能量對(duì)峰值載荷的影響。由圖8可見，緩沖塊吸收功越大，越能緩解方坑沖擊引起的非簧載質(zhì)量的動(dòng)能，從而有效降低Fz。

圖8 緩沖塊對(duì)載荷的影響

3.4 輪胎

3.4.1 輪胎的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

輪胎是車輛與地面唯一接觸的零件，起著支撐車身，緩沖路面沖擊，保障車輛的正常行駛的作用，同時(shí)影響舒適性、操控性、NVH（Noise、Vibration、Harsh?ness）、燃油諸多方面的性能。車輛開發(fā)過程中，往往不同的配置，從成本、造型和使用需求多方面考慮，會(huì)采用不同尺寸但外徑相近的輪胎設(shè)計(jì)。在極限工況下，輪胎幾乎被完全壓縮，不同截面尺寸的輪胎對(duì)峰值載荷的影響也大為不同。

3.4.2 輪胎截面尺寸對(duì)峰值載荷的影響

同樣輪胎直徑情況下，輪輞每增加2.54 cm，相當(dāng)于輪胎的截面高度要降低1.27 cm。在方坑工況中，截面高越小，路面對(duì)輪輞的沖擊越大。如圖9所示，輪輞直徑每增加2.54 cm，各方向的載荷增加約20%～30%，甚至更大，可見輪胎的貢獻(xiàn)非同小可。在項(xiàng)目開發(fā)初期，做好選型工作，決策好車輪的尺寸十分重要，否則架構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)受到很大的沖擊。

圖9 輪胎截面對(duì)載荷的影響

3.5 襯套

3.5.1 襯套的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

懸架上的襯套同樣起著緩沖、隔振、降噪的作用，襯套剛度的初始線性段設(shè)計(jì)需要滿足懸架K&C特性設(shè)計(jì)的基本要求，非線性段需要滿足零部件之間的限位要求。麥弗遜前懸架載荷傳遞路徑上的襯套主要有控制臂前、后襯套和減振器與車身界面點(diǎn)支撐塔襯套。根據(jù)設(shè)計(jì)取向，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同特點(diǎn)，如車身界面點(diǎn)支撐塔襯套分為單通和多通設(shè)計(jì)。單通的特點(diǎn)是懸架垂向沖擊載荷都通過支撐塔襯套傳遞到車身，包含彈簧力，減振器阻尼力和緩沖塊的力；多通設(shè)計(jì)，一般來說，緩沖塊的力不通過支撐塔襯套傳遞，支撐塔襯套受力較小，僅承受減振器阻尼力的作用，這樣可以有效避免支撐塔襯套承受過大載荷而引起橡膠疲勞問題。本例中支撐塔襯套為多通設(shè)計(jì)，故不考慮該襯套剛度變化對(duì)載荷的影響，僅分析控制臂前、后襯套剛度變化±20%對(duì)載荷的影響，如圖10所示。

圖10 襯套剛度變化范圍

3.5.2 控制臂前襯套對(duì)載荷的影響

根據(jù)襯套的調(diào)試范圍及制造誤差，控制臂前襯套各方向剛度變化±20%對(duì)載荷的影響如圖11，可見載荷變化不大。

圖11 前襯套剛度對(duì)載荷的影響

3.5.3 控制臂后襯套對(duì)載荷的影響

同理，控制臂后襯套也按各方向剛度變化±20%，其對(duì)載荷的影響如圖12，載荷變化也不是很明顯。

圖12 后襯套剛度對(duì)載荷的影響

3.6 穩(wěn)定桿

3.6.1 穩(wěn)定桿的車輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定桿的主要作用是控制車身的側(cè)傾，保持車輛在操控過程中的穩(wěn)定性，主要靠穩(wěn)定桿直徑的設(shè)計(jì)來滿足前、后懸的側(cè)傾剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.6.2 穩(wěn)定桿直徑對(duì)載荷的影響

車輛因配置上的差別，軸荷略有不同，調(diào)試會(huì)在穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)的名義值附近進(jìn)行調(diào)試，這里假設(shè)直徑變化±2 mm，對(duì)載荷的影響如圖13，可見各方向的載荷變化不大。

圖13 穩(wěn)定桿直徑對(duì)載荷的影響

4 結(jié)論

通過研究懸架主要零件的車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)帶寬對(duì)載荷的影響，得出以下5點(diǎn)結(jié)論：

（1）車輛姿態(tài)升高，即增大車輪上跳行程，能有效降低減振器支撐塔的垂向載荷Fz；

（2）降低減振器的回彈力或增加壓縮力能有效降低減振器支撐塔的垂向載荷Fz；

（3）增加緩沖塊的吸能，能有效降低減振器支撐塔的垂向載荷Fz；

（4）輪胎對(duì)載荷的貢獻(xiàn)最大，同樣外徑情況下，輪胎截面高越大，各方向載荷越?。?/p>

（5）對(duì)麥弗遜前懸架，彈簧、襯套和穩(wěn)定桿在文中給定的范圍內(nèi)調(diào)試，載荷影響不大。