整车姿态仿真计算与影响因素分析

李进超，胡浩炬

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

0 引言

整车姿态是乘用车的一项重要参数，直观体现为前后轮眉的离地高度，一方面整车静态姿态会直接影响整车的外观造型[1]，是造型设计中很重要的元素；另一方面整车动态姿态的变化对整车操纵稳定性及舒适性等产生影响[2]。因此，在整车项目开发过程中对整车姿态进行分析与控制是一项非常重要的设计工作。

目前关于整车姿态相关文献研究主要集中在整车动态姿态控制[2-5]、理论分析整车静态姿态的影响因素[6-8]等方面，有关整车静态姿态仿真计算及影响因素定量分析的研究较少。本文提出了一种整车静态姿态的仿真计算方法，通过在Adams/Car软件中建立悬架多体动力学模型，对整车姿态及悬架参数仿真计算并验证，提出弹簧预载对整车姿态影响的理论计算公式，基于模型结合仿真与理论计算的方法研究了弹簧刚度、弹簧自由长度、弹簧安装长度、衬套刚度、衬套装配工艺等因素对整车姿态的影响。

1 基于Adams的整车姿态仿真计算

本文以轮眉离地高度H表征整车姿态，H是指轮眉最高点与地面线之间的垂向距离，如图1所示。

1.1 整车姿态理论计算公式

轮眉离地间隙高度H可以通过以下公式计算得到：

式中：R为轮胎的自由半径；F为轮荷；K为轮胎的垂直刚度；HL为轮眉最高点的Z向坐标；HC为轮心点的Z向坐标；HL、HC是多体动力学模型里整车坐标系下的坐标，该坐标系位于车身上。

HL通过在数模上量取得到，HC通过在建立的仿真模型里加载轮荷F计算得到，R、K为已知的参数输入，从而按照式（1）可以仿真计算出轮荷F对应下的整车姿态，F对应空半满轮荷时，则对应计算出空半满状态下的整车姿态。

图1 轮眉离地高度

1.2 仿真模型的建立及验证

从式（1）可知，计算整车姿态关键是要得到轮荷F对应下轮心Z向坐标，本文以某车型为研究对象，通过在Adams/Car软件里建立其悬架模型，如图2所示，该模型中硬点、弹性件刚度、弹簧参数等均为设计值。仿真计算时在车轮处施加轮荷F，如图3所示，悬架达到静平衡时轮心参考整车坐标系的Z向坐标即为HC，仿真计算可得到空半满轮荷对应下的HC，从而计算出空半满下的姿态。

由于空半满状态之间姿态的变化不仅跟轮荷变化相关，还跟悬架刚度相关，因此应该对模型计算的悬架刚度同实测值进行对标，以验证模型的准确性，如图4所示，为该模型前后悬架刚度仿真与试验的对比，通过对比可以看出，悬架刚度曲线同试验数据吻合良好，验证了模型的准确性，满足姿态计算分析所要求的精度。

图2 某车型前/后悬架模型

图3 悬架姿态仿真计算

图4 前/后悬架刚度仿真与试验对比

1.3 整车姿态及相关参数的仿真计算

基于上节建立的悬架模型，依据式（1）仿真计算出来该车型的整车姿态如表1所示，可以看出，仿真计算出半载状态下的姿态同设计值一致，这也验证了仿真模型的准确性。下文中将该仿真计算的姿态结果作为基准值开展关于姿态的影响因素分析。

悬架部分参数计算结果如表2所示，弹簧贡献刚度是指弹簧对悬架刚度的贡献量，其贡献刚度Kspring=弹簧刚度·弹簧杠杆比2；其他弹性件贡献刚度是指衬套、缓冲块等对悬架刚度的贡献量，其贡献刚度Kbush=悬架刚度Ks-弹簧贡献刚度Kspring。

表1 整车姿态仿真结果与设计值对比

表2 悬架部分参数

2 整车姿态的影响因素分析

从式（1）可知，整车姿态由轮胎受载半径（R-F/K）、轮眉造型HL和悬架姿态HC组成。受载半径由轮胎自由半径R、轮胎垂直刚度K及轮荷F决定，该3个参数对姿态的影响较简单和直观；HL为轮眉最高点里相对车身基准的高度，可认为是一个定值；HC为轮心相对车身基准的高度，可称为悬架姿态。本文主要对悬架姿态的影响因素进行分析。

2.1 弹簧预载

弹簧预载是指悬架设计状态时弹簧提供的作用力，该参数是弹簧很重要的设计输入参数，弹簧预载对姿态的影响可用以下公式计算：

式中：δH为姿态变化量，正值表示抬高，负值表示降低；δFs为弹簧预载的变化量，正值表示增大，负值表示减小；λs为弹簧杠杆比；Ks为悬架刚度。

弹簧预载由弹簧刚度、安装长度和自由长度决定，Fs=Ksp·（Lz-La），其中Ksp为弹簧刚度，Lz为弹簧自由长度，La为弹簧安装长度，3个参数任何一个变化都会引起弹簧预载的变化。通过分析可知：

由式（2）、（3）可以得到：

式（4）是弹簧刚度对各状态下整车姿态的影响计算公式。式中：δKsp为弹簧刚度变化量；Kbush为空半满状态下其他弹性件对悬架刚度的贡献度；λs为空半满状态下的弹簧杠杆比；Ft为设计状态下的轮荷；F为空半满状态下的轮荷。

式（5）、（6）是弹簧自由长度和安装长度对各状态下的姿态的影响计算公式，近似认为弹簧自由长度和安装长度对悬架刚度无影响。式中：δLz为弹簧自有长度变化量；δLa为弹簧安装长度变化量；λs为空半满状态下的弹簧杠杆比；Ks空半满状态下的悬架刚度。

2.1.1 弹簧刚度对姿态的影响分析

基于以上的分析，通过仿真、理论公式两种方法分析弹簧刚度对姿态的影响，如表3、4及图5、6所示：仿真计算的姿态同理论公式计算的结果基本吻合，一方面验证了理论计算公式（4）的准确性；另一方面可得弹簧刚度对姿态的影响基本成线性正比关系。

前弹簧刚度对空、半、满整车姿态的影响灵敏度分别为 ： 6 mm/（N/mm）、 6.4 mm/（N/mm）、 6.5 mm/（N/mm），后弹簧刚度对空、半、满整车姿态的影响灵敏度分别为：2.6 mm/（N/mm）、3.1 mm/（N/mm）、3.2 mm/（N/mm），弹簧刚度的变化会导致悬架刚度的变化，因此对各状态下的姿态影响灵敏度略有差异。

表3 弹簧刚度对前悬姿态影响

表4 弹簧刚度对后悬姿态影响

图5 弹簧刚度对前悬姿态影响

图6 弹簧刚度对后悬姿态影响

2.1.2 弹簧自由长度对姿态的影响分析

弹簧自由长度对姿态的影响如表5、6及图7、8所示。仿真计算的姿态同理论公式计算的结果基本吻合，一方面验证了理论计算公式（5）的准确性；另一方面可知弹簧自由长度对姿态的影响基本成线性正比关系。

前弹簧自由长度对空、半、满整车姿态的影响灵敏度分别为：0.9 mm/mm、0.9 mm/mm、0.9 mm/mm，由于弹簧自由长度的变化会不会影响悬架刚度的变化，前悬空、半、满悬架刚度差异很小，因此对各状态下的姿态影响灵敏度基本一致。

后弹簧自由长度对空、半、满整车姿态的影响灵敏度分别为：1.2 mm/mm、1.2 mm/mm、1 mm/mm，后悬由于满载状态的悬架刚度相比空、半载大，因此对满载姿态的影响灵敏度较小，空、半状态下的姿态影响灵敏度基本一致。

表5 弹簧自由长度对前悬姿态影响

表6 弹簧自由长度对后悬姿态影响

图7 弹簧自由长度对前悬姿态影响

图8 弹簧自由长度对后悬姿态影响

2.1.3 弹簧安装长度对姿态的影响分析

实车中由于弹簧垫的受力变形等原因会导致弹簧实际安装长度相比设计安装长度有误差。弹簧安装长度对姿态的影响如表7、8及图9、10所示。仿真计算的姿态同理论公式计算的结果基本吻合，一方面验证了理论计算公式（6）的准确性；另一方面可得弹簧安装长度对姿态的影响基本成线性反比关系。

前弹簧安装长度对空、半、满整车姿态的影响灵敏度分别为：-0.9 mm/mm、-0.9 mm/mm、-0.9 mm/mm，由于弹簧安装长度的变化会不会影响悬架刚度的变化，前悬空、半、满悬架刚度差异很小，因此对各状态下的姿态影响灵敏度基本一致。

后弹簧安装长度对空、半、满整车姿态的影响灵敏度分别为：-1.2 mm/mm、-1.2 mm/mm、-1 mm/mm，后悬由于满载状态的悬架刚度相比空、半载大，因此对满载姿态的影响灵敏度较小，对空、半状态下的姿态影响灵敏度基本一致。

表7 弹簧安装长度对前悬姿态影响

表8 弹簧安装长度对后悬姿态影响

图9 弹簧安装长度对前悬姿态影响

图10 弹簧安装长度对后悬姿态影响

2.2 衬套刚度

悬架衬套的刚度变化对悬架刚度有影响，从而对整车姿态产生影响。前后悬衬套刚度变化对整车姿态的影响分析如表9、10所示，衬套刚度对整车姿态的影响很小，尤其对设计状态姿态影响最小，因此可认为衬套刚度对整车姿态基本无影响。

表9 前悬衬套刚度对前悬姿态影响

表10 后悬衬套刚度对后悬姿态影响

2.3 装配工艺的影响

设计状态下各衬套的受力及变形都很小，如表11所示，轮荷主要由弹簧分担。如果在非设计状态装配衬套，衬套在设计状态时会产生较大的变形，导致车轮受到附加的垂向力，从而使得整车姿态与设计值不一致。

表11 设计状态各衬套的变形

表12、13仿真计算了悬架各衬套在轮跳不同位置装配对整车姿态的影响，可以看出非设计状态下装配衬套对整车姿态有很大的影响。相对设计状态，装配衬套时悬架下跳量越多，整车姿态抬高越多。

表12 前悬衬套装配位置对前悬姿态影响

表13 后悬衬套装配位置对后悬姿态影响

前悬衬套较少，衬套装配工艺对姿态影响量从大到小依次为：下摆臂前衬套，下摆臂后衬套，稳定杆衬套。若3个衬套同时在悬架下跳90 mm时装配，模拟实车在举升机上的状态，会造成整车姿态会抬高7.5 mm左右。

后悬衬套较多，衬套装配工艺对姿态影响量从大到小依次为：前束杆内套，上摆臂内衬套，前束杆外衬套。下摆臂衬套，上摆臂外衬套，稳定杆衬套，纵臂衬套，副车架衬套影响很小，若所有衬套同时在悬架下跳90 mm时装配，模拟实车在举升机上的状态，会造成整车姿态抬高12 mm左右。

3 结束语

（1）基于Adams/Car建立的悬架多体动力学模型可以准确地仿真计算整车空载、半载、满载状态的姿态；

（2） 弹簧预载对姿态的影响可通过本文提出的理论公式进行定量计算，仿真计算结果验证了理论公式的准确性；

（3）弹簧预载由弹簧刚度、自由长度和安装长度决定，任何一项因素的变化对姿态都有较大的影响，弹簧刚度和自由长度对姿态的影响基本成线性正比关系，安装长度对姿态的影响基本成线性反比关系；

（4）衬套刚度的变化对整车姿态基本无影响；

（5）非设计状态下装配衬套对整车姿态有很大的影响，衬套装配应该在设计状态进行。