汽车悬架K&C特性研究*

周伟 王浩 梁媛媛 储胜林

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心）

悬架K&C特性描述了汽车在行驶过程中悬架弹簧变形、车身侧倾及轮胎与地面之间力和力矩作用下车轮的运动状态[1]。该特性对整车的直线行驶性能、转弯行驶时稳态和瞬态转向特性、行驶方向稳定性、转弯制动稳定性、回正性能、加速和制动抗纵倾性等操纵稳定性以及整车NVH 特性都有直接影响。对悬架K&C特性的研究在汽车动力学的研究领域占有十分重要的地位，一直是国内外汽车动力学界和产业界的研究热点之一[2]。因此，研究悬架系统的K&C特性，进行K&C特性设计和优化，对于提高民族品牌汽车的研发能力和科技创新能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 悬架K&C特性

1.1 K&C特性含义

K（Kinematics）代表运动学特性，主要指由悬架导向机构几何所决定的悬架运动学特性；C（Compliance）代表悬架柔度特性，主要是指由悬架系统的弹簧、衬套以及零部件变形组合在一起所决定的悬架力学特性[3]。

悬架K&C特性包含静态四轮定位、运动学特性（K特性）和力学特性（C 特性），是悬架系统总成最重要的外特性。图1 示出汽车悬架输入和输出响应系统。K&C特性在产品开发不同阶段都具有重要作用，在产品初期用于指导悬架系统架构设计；在标杆竞品研究阶段用于标杆车性能解析；在不同样件阶段用于指导底盘调校工作。

图1 汽车悬架输入和输出响应系统

1.2 K&C试验

K&C试验台是一种测量底盘K&C特性参数的设备，是将车身固定到刚度很大的支撑上，通过对车轮施加位移、力和力矩的作用，使悬架系统和转向系统产生相应运动和变化，进而得出试验车辆的运动学和力学特性参数。

典型的K&C试验台分为单轴和双轴，如图2 所示。双轴试验台可以一次性完成前后悬架的试验，而单轴试验台需要前后悬架分开试验[4]。K&C试验台主要由4 个部分组成：1）试验台基座及车身固定模块，刚性固定车身并满足不同轮距、轴距车辆的试验要求；2）加载模块，对车轮施加位移和力（力矩）的作用，加载动力源一般为液压系统或电力系统；3）测控系统，对加载系统进行实时控制和数据采集，并对采集数据进行处理和传输；4）人机交互系统（各类控制按钮和控制屏），可对试验进行控制，也可观察试验运行状况。

图2 K&C试验台示意图

K&C试验主要有六大试验项目[5]，如表1 所示。

表1 K&C试验项目简介

2 悬架K&C对整车性能的影响

K&C特性评价指标和评价工况较多，文章仅以前束角和外倾角以及其相关特性对整车性能的影响展开论述。

2.1 前束角对整车性能的影响

静态前束角指在静止的汽车上，汽车纵向中心面与车轮中心面和地面的交线之间的角度[6]。从汽车行驶方向上看，车轮的前束角与轮胎的侧偏角相当，因此前束角须对称布置以保证汽车直线行驶。静态前束角不宜设置过大，否则会加剧轮胎磨损、增加行驶阻力以及难以保证直线行驶稳定性。考虑不同的性能要求（如转向特性、车辆响应、轮胎磨损以及轮胎抓地能力等），前轮静态前束可以设置成弱正和弱负，但对于后轮，负前束会导致汽车过度转向，因此后轮静态前束应设置为弱正。

比静态前束角更为重要的是前束角的K&C特性。后者是为了获得适当的不足转向特性或是达到确定的行驶性能所需要的。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。

为使汽车在弯道行驶过程中具有不足转向特性，转弯过程中内侧车轮悬架弹簧伸长，相当于车轮向下跳动，外侧车轮悬架弹簧被压缩，相当于车轮向上跳动。对于前轴，上跳的车轮产生后束角，下落的车轮产生前束角，则转向轮转角会发生轻微回转，从而使汽车的前轴具有不足转向特性。与前轮相比，后轮前束角的变化规律对汽车不足转向特性的影响更大。后轮外侧车轮上跳时前束角增大，下落时后轮前束角减小，是保证汽车转弯行驶时不足转向性的重要条件。

汽车受到地面的纵向力主要有制动力、驱动力和滚动阻力，其中对直线行驶性能和转向行驶稳定性影响最大的是制动力[7]。当汽车在具有对开特征的路面上制动时，左、右车轮会受到不相等的制动力作用，制动力之差会产生使汽车偏转行驶的横摆力矩，如图3 所示。为抵消这种横摆力矩对汽车直线行驶性能的影响，要求前束角随着制动力增加而增加，即受制动力大的车轮前束角变化大，受制动力小的车轮前束角变化小。左右综合考虑，总的前束角变化方向与汽车偏转方向相反，从而在一定程度上抵消了由于两侧车轮制动力不相等产生的横摆力矩对汽车直线行驶性能的影响。

图3 制动力对直线行驶性能的影响

2.2 外倾角对整车性能的影响

车轮外倾角是指车轮中心平面和道路平面垂线之间的夹角[8]。轮胎具有侧偏和侧倾2 种效应，轮胎侧向力是由轮胎侧偏侧向力和侧倾侧向力两部分构成[9]。对整车而言，车轮的外倾就是轮胎的侧倾，它使轮胎产生外倾推力，其方向与外倾角变化方向相反。正外倾角产生的外倾推力与侧向力方向相反，使侧偏角绝对值增大，对于前轴有利于不足转向特性，对于后轴则反之；负外倾角产生的轮胎侧倾侧向力与侧偏侧向力方向相同，有利于提高轮胎抓地极限，所以前后轮负外倾角有利于提高整车操控极限。综上，后轮负外倾角有利于整车不足转向特性和提高操控极限，外倾角绝对值不宜过大，否则会影响轮胎偏磨。前轮不足转向特性和操控极限对外倾角正负要求不同，应根据具体车型性能要求进行设定。一般前驱车型因质量分布和驱动力的作用具有典型不足转向特性，外倾角应设计为负值以提高轮胎抓地极限。与非独立悬架相比，独立悬架的一个缺点是当汽车转弯行驶时车轮会随车身一起倾斜。为克服这个缺点，要求车轮上跳时外倾角减小。

3 悬架K&C特性的评价

以某小型SUV 开发为例，对前、后悬架K&C主要特性参数的最优设计区间进行概括，如表2 所示。

表2 某SUV 悬架K&C最优设计区间

该区间的确定主要基于所开发的特定车型、车型的风格定义以及目标销售群体。表2 对其他车型开发具有一定的参考价值，但具体车型还需具体对待。

4 结论

文章阐述了汽车悬架运动学特性与柔度特性（K&C）的试验方法和试验工况，论述了前束和外倾以及其变化特性对整车性能的影响。由于K&C参数之间相互关联影响，加上车型的多样性和用途的多样性，该评价体系只能作为新车开发时的参考，具体车型开发还需进行具体的性能调校。

汽车悬架K&C设计是一项系统工程，涉及悬架、轮胎和转向等多个系统，涉及多体动力学、轮胎力学和流体力学等多个学科。今后可以从5 个方面进行深入研究：

1）从橡胶力学的角度研发高性能轮胎，并通过先进的制造工艺控制轮胎性能的一致性；

2）改进转向系统的设计，促进中心区等的性能的提升；

3）完善非线性仿真模型的理论及算法，提高仿真精度；

4）提高底盘系统的调校能力及主观评价能力；

5）建立仿真、实车试验及主观评价的数据库。