悬架K特性分析

阚国庆，徐申敏，周 军，张 庆，刘振华

（奇瑞新能源汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241002）

悬架运动学和弹性运动学（Kinematics and Compliance, K&C）特性，包括几何运行学（K特性）和弹性运动学（C特性）两部分。K特性指车轮垂向往复运动时，在悬架导向机构的作用下，车轮平面和轮心点处产生的角位移及线性位移变化的特性，主要根据悬架各部件的几何硬点位置及尺寸，在不考虑受力、重量及惯量的前期下，对悬架的运行特性进行分析。C特性指特定工况下地面作用于轮胎上的力及力矩，使车轮平面和轮心处产生角位移和线位移变化的特性，主要对悬架部件的受力变形和刚度作用的分析，分析悬架在受力状态下的运动趋势。

在汽车操稳性能开发中，通常包括计算机辅助工程（Computer Aided Charging, CAE）虚拟仿真、K&C试验和实车调校三阶段，其中悬架K&C分析主要作用是帮助确认悬架硬点设置的合理性及悬架各部件的刚度、重量、尺寸等设计的合理性，在整个操稳性能开发周期中均发挥重要作用，在产品初期可用于指导悬架系统设计，在竞品研究阶段用于解析悬架运动性能，在不同样件调校阶段可指导底盘调校工作[1]。因此，一个准确的K&C推荐方向对于底盘的设计和调校都有至关重要的意义。

K&C试验需在K&C台架上进行，K&C台架作用为在试验台架上模拟汽车在行驶过程中悬架受到轮胎运动所产生的悬架变形，该台架主要模拟汽车运动输入（K特性）和力输入（C特性）下的悬架和车身力、角度、位移等参数变化，有双轴式和单轴式台架两种，双轴式K&C台架一次性可同时测试前轴和后轴，试验台的核心为测量系统和液压伺服系统，分别控制参数测量和整车 运动，单个K&C试验台单价成本在千万以上，试验安装图见图1。

图1 K&C试验安装图

该台架主要包括测量系统、车轮平台、车身框架和惯性测量系统四部分。测量系统由各种传感器组合而成，用来测量各个工况下车轮定位参数的变化，包括位置、力、力矩和角度等。车轮平台由四个组合而成，见图2，用来固定四个车轮并提供相应的运动，车身框架配合工装使用可以固定车身，配合平台可以实现车辆整体轮跳、侧倾、转向运动，惯性测量系统由各种控制柜、液压伺服系统和电脑组合而成，其中液压伺服系统可以实现各个车轮的侧向、纵向、转动运动。

图2 车轮平台局部示意图

目前生产K&C台架的厂家主要有美国MTS、英国ABD和中国孔辉等，常用的6种工况和参数范围见表1，本文主要介绍轮跳、侧倾和转向三种K特性工况。

表1 K&C试验工况

本文主要介绍一款乘用运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle, SUV）车型K特性试验结果，前悬架为麦弗逊形式，后悬架为多连杆形式，主要说明K特性工况和重点试验曲线的解读。

2.1 平行轮跳

试验前用夹具工装将车身部分固定，四个车轮安装固定在四个平台上，给车轮施加垂直力，让车轮沿垂直上下方向跳动，需左右车轮同时施加垂直力，保证水平方向的力为零，通过测量系统测试悬架位移、角度、力等，从而得出相关参数。K&C试验一轮可测上百组数据，本文只针对重点关注部分进行说明。

2.1.1 刚度

刚度为位移与力的关系（见表2），在车轮上下跳动时，主要关注悬架垂向刚度，其中包括行驶刚度和悬架刚度两种，两种测量刚度的测量方式不同。悬架刚度测量点为轮心处，包括弹簧、减振器和车身连接处垂向刚度，行驶刚度测量点为轮胎接地点，在悬架刚度的基础上增加轮胎垂向刚度，通常比悬架刚度要小。悬架刚度和行驶刚度没有一个推荐范围，每个车型定位不同，刚度值也不一样，如果悬架刚度过大，悬架较硬，有利于操纵、稳定性，不利于平顺性。如果悬架 刚度过小，悬架较软，不利于操纵、稳定性，有利于平顺性，悬架刚度值的大小直接决定整车偏频的高低。

表2 Bounce工况刚度表

在刚度曲线中（见图3），当车轮垂向位移为0时纵坐标垂向力对应的值为悬架摩擦（N），平顺性的重要指标越小越好，主要影响小振动小冲击，目前主要在200～500 N之间。

图3 行驶刚度参数图

2.1.2 角度

在汽车上下跳动时，主要关注前束角和外倾角的变化（见表3），车轮前束可以抵消由于外倾角的存在而导致的轮胎磨损[2]。原则为前束变化前负后正，理论上无论车轮上跳还是下跳时，前束角都不应有较大变化。否则，汽车在不平路面直线行驶时，由于车轮上、下跳动所产生的前束角变化会破坏汽车的直线行驶性能，变化越小对直线稳定性越好。当前悬架轮跳值偏大时，会导致车辆转向不足过大，通常推荐值为−（4～7）°/m左右[3]。

表3 Bounce工况角度表

外倾角在理想情况下为0，越小对直线行驶的稳定性贡献越大，但由于悬架设计的固有特性，通常情况下多少有些变化，这时候最好前后悬架的外倾角变化越接近越好，外倾角变化率通常为−35～−10 deg/m。

2.1.3 位移变化

在汽车上下跳动时，位移方面主要关注轮心纵向位移变化（见表4），简称车轮轮心的跟随性能，理想状态下当车轮上跳时，为减少对乘员的冲击，轮心应该向后移动。后轮过冲击时，若后轮具有往后方运动的趋势，即轮心纵向位移变化率为负值，对平顺性有利（图4），后轮平行轮跳时轮心纵向位移变化率为正值，表示后轮受冲击上跳时有向前上方的冲击力传递，是影响后悬过 减速带时车身的冲击感太强的主要因素[4]。推荐范围：前轴轮心纵向位移变化率＜10 mm/m，后轴在−200～−100 mm/m之间。

表4 Bounce工况位移表

图4 轮心纵向位移参数图

2.2 侧倾工况

侧倾运动和平行跳动不同，此时需要左右两侧车轮反方向跳动，一侧向上一侧向下，模拟汽车在转弯时所产生的侧倾运动，通常为测试有无稳定杆两种试验工况，两种工况对比来得出稳定杆提供的侧倾贡献度。

2.2.1 刚度

侧倾运动中考察悬架侧倾刚度（见表5），前后侧倾刚度分配的影响因素有前后质量分配、前后侧倾控制、不足转向度的大小。一般前后侧倾刚度的分配与前后质量分配接近，通常前悬架侧倾刚度大于后悬架来保证一定的不足转向度（图5），整车不足转向特性是车辆操稳性能的重要参数，也是底盘性能开发的重要依据，影响不足转向特性的主要参数包括轴荷分配、侧倾刚度等[5]。

图5 悬架侧倾刚度参数图

表5 Roll工况刚度表

横向稳定杆对侧倾刚度的贡献度比较高，增加稳定杆的直径可以增加悬架的侧倾刚度，虽然太粗的稳定杆能提供很好的侧倾控制，但是会带来平顺性的恶化（左右悬架相互干扰）和更大的不足转向度[6]。悬架的侧倾刚度一定要足够大以保证直线行驶的稳定性，理论上在一定的范围内侧倾刚度越大越好，通常前悬架侧倾刚度在1500～3000 Nm/deg范围内，后悬架在500～1500 Nm/deg范围内。

2.2.2 角度

侧倾运动中主要关注前束角和外倾角的变化 （见表6），对于前束角的变化希望汽车在左右侧倾时，前轮前束角有减小的趋势，后轮前束角有增大的趋势，这样有利于车辆的不足转向。而对于外倾角的变化前后轮外倾角有减小的趋势，保证车辆在转弯的时候车轮最大程度上与地面保持垂直，保证轮胎的侧偏性能，此外前后侧倾外倾系数应尽量匹配。

表6 Roll工况角度表

2.3 转向工况

转向工况和轮跳、侧倾不同，此时车轮平台保持水平，转向前使水平方向力为零，通过转动方向盘测量方向盘和车轮相关参数，通常有发动机启动和未启动两种工况。

在转向工况中主要关注转向传动比，转向角传动比可以理论为方向盘转角和车轮转角的比值，一般根据转向盘总圈数和转向管柱行程，结合前悬架硬点坐标来定，后期基本很难改变。Steer工况比例如表7 所示，在K&C报告中有总传动比代表±360 deg的比例，中间位置传动比代表±20 deg的比例，左右通常一致，如图6所示传动比为图中斜率的倒数，目前推荐的范围为12～17之间，通常传动比集中在15左右。

表7 Steer工况比例表

图6 总传动比参数图

表8为某车型部分K特性结果，可以得出悬架刚度，稳定杆提供的侧倾刚度等参数，通过对K特性运动工况分析和K&C数据库的积累，结合主观评价的结果，可以得出推荐范围，可以得出某SUV车型经过操稳调校后参数符合要求。

表8 某车型K特性结果

根据以上描述，基本了解K&C试验台、试验工况和部分K特性试验结果，重点介绍位移、角度和力随悬架输入参数的变化，通过对试验工况的分析，指出各个工况的运动原理和参数推荐方向，重点介绍前束、外倾角和轮心位移的变化对整车运动的影响。

底盘性能是一个复杂的性能，在正式底盘调校前，需结合动力学仿真分析和K&C试验结果，提前发现规避车辆结构设计问题，而在正式调校时可以花很多精力在系统零部件的匹配上，这样可以节约开发周期，提高整车性能。

猜你喜欢悬架车轮倾角让人讨厌的晕车——认识汽车悬架与减震器青少年科技博览（中学版）(2022年11期)2023-01-07地球轴倾角的改斜归正科学大众(2021年19期)2021-10-14激光倾角仪在CT引导下经皮肺穿刺活检中的应用中国临床医学影像杂志(2021年6期)2021-08-14车轮外倾角和前束角匹配研究北京汽车(2021年3期)2021-07-17系列长篇科幻故事，《月球少年》之八：地球轴倾角的改邪归正科学大众·小诺贝尔(2021年10期)2021-01-22车轮的位置小读者(2019年24期)2020-01-19车轮开启赴爱之旅汽车观察(2019年2期)2019-03-15有趣的车轮转动中学生数理化·八年级物理人教版(2017年6期)2017-11-09前后悬架抗制动点头率和抗加速仰头率计算北京汽车(2016年6期)2016-10-13修车发明与创新·中学生(2016年7期)2016-05-14