悬架K&C特性对车辆操控性能影响的分析

郭家伟，李彦伟，陈旭升

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

悬架K&C特性对车辆操控性能影响的分析

郭家伟，李彦伟，陈旭升

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

悬架系统设计开发是底盘开发的重要环节，对于整车操控性能有至关重要的影响。本文以某A级车的大量K&C数据为基础，利用面向总成特性的整车动力学仿真软件CarSim分析悬架K&C特性变化对整车操控性能的影响，并运用试验统计学中的DOE试验设计方法计算各特性车辆操控性能指标的主效应，得到了悬架K&C特性影响整车操控性能的规律，在设定悬架性能目标时重点关注，为整车开发早期的结构选择和后续的结构设计提供了依据。

K&C试验；操控性能；DOE试验设计

CLC NO.:U463.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-07-03

引言

悬架系统特性参数主要是指悬架的K&C特性参数。所谓K特性即悬架运动学特性, 是指车轮在垂直方向上往复运动的过程中由于悬架导向机构的作用而导致车轮平面和轮心点产生角位移和线位移变化的特性，C特性即悬架弹性运动学特性, 是指地面作用于轮胎上的力和力矩所导致的车轮平面和轮心产生角位移和线位移变化的特性[1]。悬架K&C特性是底盘开发的灵魂。

整车操控客观评价指标是整车操控性评价的重要部分，其通过特定的测试设备在特定的试验场地、试验条件下，按一定的试验方法对车辆的相关指标进行测量，并经过数据处理得到表征车辆特性的相关指标的特征量[2]。汽车操纵稳定性试验方法包括了体现车辆稳态响应、瞬态响应以及闭环综合动态品质和转向系统特性试验，形成了一套较完整的客观评价体系。

本文基于某A级车的悬架K&C试验数据, 依托整车参数化仿真平台CarSim, 通过大量的统计学分析和仿真试验,探索悬架K&C特性影响整车操控性能的规律。由于车辆操控客观评价指标较多，文中仅对体现车辆稳态响应的不足转向度、瞬态响应的横摆角速度超调量、谐振频率以及转向回正试验中残余横摆角速度这4个指标进行分析。

1、悬架K&C特性参数选取

悬架K&C的特性主要包括轴跳动、轴侧倾、纵向力加载、侧向力加载和回正力矩加载5大工况, 其中每种工况下都有若干项参数指标。但是各项K&C参数对整车转向特性的各项指标的影响程度并不相同。经过多次仿真与数据处理，我们得到对整车操纵稳定性影响较大的11个K&C特性参数。构成本文所研究的悬架K&C特性参数, 分别分析这11个参数发生变化后整车操控性能的影响。见表1[3]。

表1 悬架悬架K&C特性参数

2、悬架K&C特性对操控性能影响的分析

2.1 DOE试验设计

DOE（Design Of Experiments）是一系列试验及分析方法集，通过有目的的改变一个系统的输入来观察输出的改变情况。试验设计主要对试验进行合理安排，以较小的试验规模（试验次数）、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试验结果以及得出科学的结论。利用该方法可以保证参与试验的各项影响因素的概率均等性(正交性)。 DOE是目前国际工程设计开发领域广泛应用的一种系统优化方法。

表2 基于DOE的仿真规划

由于悬架K&C试验的基本原理就是将作用于轮胎上相互耦合的6个分力及其所产生的相互耦合的车轮平面运动解耦为每个单独的力或力矩作用下车轮平面的角位移和线位移的变化量, 同时本研究并不考虑上文中11个悬架K&C特性参数之间的耦合关系对仿真结果的影响。 因此本文将参数发生正负变化和未发生变化作为这11个参数变化的2个水平，选用无交互作用的正交试验表进行仿真试验设计， 对所有仿真结果的操控性能指标进行分析进而得到显著性主效应指数。表2给出了本研究16次仿真分析的试验规划，按照该规划进行仿真分析，得到各方案的仿真结果，见表3。表4为各参数在发生正负变化和未发生变化两个水平下对结果的影响(1代表变化后，2代表无变化)[4]。

表3 各次仿真得到的结果

表 4 各参数对仿真结果的影响

2.2 主效应分析

表5 悬架K&C特性的主效应

由表4的数据分析可得到A级车悬架总成特性的11个因素分别对4个整车指标影响的主效应影响，即一个因素变化所引起的响应变化，见表5。

3、悬架K&C特性对操控性能的影响

3.1 不足转向度

不足转向度是车辆在稳态状态下保持稳定的重要指标，适当的不足转向度在保证车辆安全驾驶的同时可以提供驾驶员丰富的驾驶乐趣，由表5可以看出，前后悬架转向角随侧向力变化率对不足转向度产生负面影响，且后悬架转向角随侧向力变化率特性对不足转向度的负面影响最为显著，即后悬架转向角随侧向力变化率越大，车辆的不足转向特性越差。

3.2 谐振频率

方向盘角脉冲试验数据中得到的谐振频率指标描述了车辆接受脉冲信号激励而趋于稳态过程中，其频率响应的对数幅频特性上峰值处对应的频率，表示可以引起车辆系统谐振的频率，因谐振频率引起的振动可能对车辆造成更激励的响应，车辆谐振频率应尽可能高一些，避免因驾驶员的快速操作引起车辆的过度反应，但是谐振频率不宜过高，过高会造成其他频率成分对车辆的扰动。

由表5可以看出，大部分悬架总成参数都对谐振频率有正面影响，少数参数有负面影响，后悬架转向角随侧向力变化率特性对谐振频率的负面影响最为显著。

3.3 横摆角速度超调量

方向盘角阶跃试验数据中得到的横摆角速度超调量指标描述了车辆接受阶跃信号激励而趋于稳态过程中，其横摆角速度峰值与横摆角速度稳态值之间的差值，再除以稳态值，表示了车辆响应过程中横摆角速度的平稳性，超调量越大，横摆角速度的平稳性越差，因此希望超调量越小越好。

由表5可以看出，大部分悬架总成参数都对横摆角速度超调量有正面影响，少数参数由负面影响，而后悬架转向角随侧向力变化率特性对谐振频率的负面影响最为显著。

3.4 残留横摆角速度

方向盘低速转向回正试验数据中得到的残留横摆角速度描述了低速、小侧向加速度状态下，车辆系统在外界扰动撤除后，向稳定状态过渡时，最终接近直线行驶状态的程度。指标越小，则性能越好，该指标描述车辆系统的低速回正能力。

由表5可以看出，前悬架后倾角随轮跳变化率对残留横摆角速度有较明显的正面影响，而前悬架前束随轮跳变化率对残留横摆角速度有较明显的负面影响。

4、结论

由上面的分析可知，该车型后悬架转向角随侧向力变化率对车辆稳态和瞬态响应特性影响显著，因为在车辆受到激励产生响应时，悬架导向杆系在各种力、力矩作用下发生变形，影响前后轮侧偏刚度，同时由于轮胎在载荷变化下产生的外倾推力方向、大小可以与施加于车轮上的侧向力共同影响轮胎与地面之间总的侧向力，进而影响车辆响应[3]。

前后轮侧偏刚度的匹配是影响车辆转向特性的根本因素。考虑了悬架总成的参数化车辆模型，其前、后轮侧偏角加入了由于悬架导向机构和弹性元件所产生的附加车轮转向角成分，即K&C特性中侧向力转向率特性的部分，因此侧向力转向率特性会显著影响车辆操控性能的仿真结果[4]。

在转向回正的过程中，整车上侧向力很小，而车轮转角很大，会在内外侧前轮轮上形成强制的侧偏角，在一个极限范围内，会导致一个向内侧转的转向力矩，为使车辆能够自己回正，就需要借助于重力回正，而车轮抬起的高度取决于主销的位置，因此主销的参数变化显著影响了车辆低速回正性能[6]。

5、结束语

1. 通过DOE试验设计方法得到了某A级车悬架总成特性参数对整车操纵稳定性的影响指数规律，分析结果支持车辆操控基础理论的预测，基于该方法可以进行更深一步结构和性能方面的系统优化设计。

2.后悬架是操纵稳定性的核心，尤其是后悬架转向角随侧向力变化，即侧向力转向率部分显著影响了整车操纵稳定性仿真的结果[7]。在进行悬架设计时，应把侧向力转向率这一类特性作为影响操控性能的主要因素考虑。

3. 本文仅仅对悬架总成特性部分参数影响整车操控性能的规律进行了总结，汽车底盘是一个复杂的操控系统，各项性能之间还存在相互关联，在对其进行分析设计时，需要综合考虑各项性能。

[1] 余志生.汽车理论[M].4版.北京:机械工业出版社.2006:120-125.

[2] 王蠡. K&C 悬架试验台设计及操纵稳定性分析:[学位论文].长春:吉林大学，2007，6.

[3] 耶尔森.赖姆帕尔[著]，张洪欣，余卓平[译].汽车底盘基础[M].北京:科学普及出版社，1992.

[4] 王蠡.扭力梁后桥总成参数对整车转向特性的影响分析.汽车工程.2011.33(1):60-64.

[5] 郭孔辉.汽车操纵动力学.长春:吉林科学技术出版社.1991.12.

[6] 刘拥军，王蠡，任凯，陈璟，舒进.麦佛逊悬架总成参数对政策操控性能的影响分析.汽车技术.2011.33(1):22-28.

[7] 王爽.某微车悬架K&C特性研究及其对整车操纵稳定性的影响.[D].吉林大学博士学位论文，2008.

Effect analysis of suspension K&C parameter which affect vehicle dynamics

Guo Jiawei, Li Yanwei, Chen Xusheng
( R&D Center of Great Wall Motor Company,Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Hebei Baoding 071000 )

The design of suspension system is a crucial part of chassis research and development, which has an important influence on vehicle handling. Based on a large amount of test data obtained in one A-class vehicle’s K&C characteristics test, use CarSim parameterized simulation software analyse the suspension K&C characteristics’ change influences vehicle handling, and applying the DOE experiment design, have been carried out respectively and parameter main effect analysis is made to the virtual test results, and the effect rule of the A class vehicle suspension parameter which affect vehicle handling are obtained, providing a basis for the structure selection in the early stage of platform development and subsequent structural design.

K&C test data; vehicle handling; Design of experiment

U463.3

A

1671-7988(2015)07-07-03

郭家伟，就职于长城汽车技术中心，从事悬架K&C测试类工作。