轻型商用车悬架匹配

陆燚炜 霍红博

摘 要：为优化某轻卡乘坐舒适性，首先对悬架系统的刚度、阻尼匹配过程进行了分析总结，给出了悬架刚度、阻尼的匹配流程。然后针对某些受开发周期及资源限制，无法进行实车调校及精确仿真的车型给出了基于理论计算及统计数据的悬架阻尼匹配方法。从阻尼比选择，各速度段阻尼比分布，双向比分布等方面分析，总结了方便、快速，且实车验证切实有效的悬架系统阻尼匹配方法。

关键词：悬架匹配;阻尼匹配;平顺性

中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-76-04

Abstract： In order to optimize the ride comfort of a light truck， the matching process of stiffness and damping of the suspension system was firstly summarized and analyzed， and the matching process of stiffness and damping of the suspension system was given. Then， a suspension damping matching method based on theoretical calculation and statistical data is proposed for some vehicle that without damper tuning and cannot simulated accurately due to the limitation of development cycle and resources. A convenient， fast and effective suspension system damping matching method is summarized， including selection of damping ratio， distribution of damping ratio in each speed section， bidirectional distribution， etc.

Keywords： Suspension matching system; Damping matching system; Ride comfort

引言

一直以來，对于乘用车而言，乘坐舒适性是评价车辆性能的重要指标，但商用车的乘坐舒适性却不被人们重视。乘坐舒适性对驾驶员健康影响很大，随着生活水平的提高，人们对商用车乘坐舒适性的要求也越来越高。商用车乘坐舒适性已经成为其在市场竞争中夺取优势的一项重要性能指标。与乘坐舒适性对应的是行驶平顺性，好坏主要与汽车悬架的弹簧刚度、减振器阻尼等参数有关，因此研究这些参数的匹配对行驶平顺性的影响是十分必要的。

在新车开发或车型改款中都需要对悬架参数进行匹配优化，以实现车辆性能的提升，达到最佳性能状态。需要说明的是，通常悬架参数的匹配优化主要考虑悬架动力学的匹配，即是悬架的刚度和阻尼及橡胶衬套刚度的优化，而不是悬架的硬点和车轮的定位参数的优化（除非全新车型）[1]。在一些快速改款项目中，缺少实车验证资源，因此前期理论匹配显得十分重要。

1 常用车辆振动简化模型

车辆振动系统非常复杂，对其进行研究往往需要建立简化模型。建立的模型越复杂，越接近实际工况，模拟越逼真，但也使分析变得十分困难。建立的模型越简单，分析越容易，但模拟结果的准确性会下降。

1.1 整车七自由度模型

将汽车车身看做刚体，簧上质量由车身、车架及其上的零部件组成，车轮和车轴组成簧下质量，通过悬架弹簧、结构件和减振器将两者相连。在这个模型中，影响车身平顺性的主要因素有垂直、俯仰、侧倾3个自由度，以及4个车轮质量有4个垂直自由度，共7个自由度。

1.2 双轴车四自由度模型

当汽车对称于纵轴线时，汽车车身只有垂直振动和俯仰振动对平顺性影响最大。因此可将汽车简化成双轴汽车4自由度平面模型。车身质量主要考虑垂直和俯仰两个自由度，前、后车轴质量有两个垂直自由度。

1.3 单轮二自由度模型

当质心位置c到前后悬架的距离a和b的乘积ab，等于或接近于车身绕y轴的回转半径的平方时，则前后悬架系统的垂直振动几乎是独立的，可以将汽车振动系统简化为车身和车轮二自由度振动系统模型，分析平顺性时只考虑两个质量的垂直自由度。

1.4 单轮单自由度模型

在车轮端，其固有频率为10-16Hz，在较低激振频率范围内（5Hz以下），轮胎动变形量很小，可忽略不计，忽略其刚度和质量，就得到汽车振动系统单自由度振动模型[2]。

本文主要研究的是悬架系统对车辆平顺性的影响，故单轮模型较合适，又需要考虑全激振频率范围，因此选择单轮二自由度模型。

2 悬架系统匹配流程

悬架偏频是反映平顺性的重要指标，所以悬架刚度的匹配主要考虑的是偏频。根据期望偏频和整车基本参数倒推悬架的刚度，然后考虑整车前后悬架的刚度关系，计算偏频比，并对空载下的偏频进行核算，以考虑空载的平顺性。同时，悬架刚度的大小还会影响车辆的操纵稳定性，所以还需要一起考虑横向稳定杆的匹配。悬架刚度匹配的大致流程详见图1[1]。公式符号含义参考汽车工程手册设计篇[3]，下同。

悬架系统阻尼的大小，决定了车辆振动衰减的速度，直接影响车辆的平顺性。低速大阻尼，高速小阻尼是阻尼匹配的一般原则。悬架阻尼匹配的路线主要有两条，如图2所示。但由于开发周期及资源的限制，并非所有的商用车项目都会进行实车调校，在不进行实车调校的车型上，前期匹配就显得尤为重要，其中一大难点就是阻尼比的确定。

3 确定阻尼比

3.1 基于舒适性的悬架系统最佳阻尼比

二自由度汽车悬架系统如图3所示。

图3中，m1为簧下质量;m2为簧上质量;K为弹簧刚度;C为减振器阻尼系数;Kt为轮胎刚度;q为路面不平度输入;Z1、Z2分别是车轮与车身垂直位移。二自由度悬架系统的振动微分方程可以表示为：

3.2 基于安全性的悬架系统最佳阻尼比

4 实例与分析

以某轻卡前悬架匹配优化为例。因乘坐舒适性差，针对性优化前悬架匹配;因时间紧迫，资源有限，要求短时间内完成优化匹配工作。首先匹配板簧刚度，对于钢板弹簧，根据簧片尺寸计算得出的刚度与理论刚度会存在偏差，再加上制造因素，实际的钢板弹簧刚度值与由偏频倒推的刚度值会有少量变化;因此要根据实际刚度值验算实际偏频，偏频验算合格再进行样件的生产加工。在条件允许的情况下，会准备以理论计算刚度为基准，上下浮动20%范围内的若干种样件，对前后悬架不同的刚度组合进行实车试验评价，直到得到满意的结果为止。

以某车型轻卡前懸架匹配为例。簧下质量m1为290Kg，满载簧上质量m2为2100Kg，前板簧刚度为130N/mm，轮胎刚度为550N/mm。质量比rm=7.3，刚度比rk=4.2，可得基于舒适性的车辆悬架最佳阻尼比为0.259于安全性的车辆悬架最佳阻尼比为0.345车辆悬架阻尼比可在0.259～0.345范围内选择。因为钢板弹簧本身有内摩擦，相当于一部分阻尼，故与之匹配的减振器阻尼比可取的小一些。根据经验，与3～4片板簧结构悬架匹配的减振器阻尼比为无内摩擦弹性元件悬架的0.4～0.5倍。所以此车型前悬减振器阻尼比可在0.103～ 0.173之间选择。一般匹配原则为低速大阻尼，高速小阻尼，这样低速段有利于快速减小振动，高速段有利于增加悬架动挠度，避免冲击。

根据以往车型统计数据，结合主观评分，前减振器常用速度段阻尼比关系如下图4所示：

本车型对舒适性需求较高，结合以往车型经验数据，前减振器阻尼比选0.145，常用速度段阻尼比如下图5所示：

一般将减振器在相同速度下的复原阻尼力与压缩阻尼力之比定义为双向比β。无内摩擦弹性元件悬架的减振器双向比β一般取2～4，钢板弹簧悬架由于存在内摩擦，与之匹配的减振器双向比β可取2～6，在低速段甚至更大。根据无内摩擦弹性元件悬架统计数据，一般低速段（0.05m/s～0.3m/s）双向比β小于高速段（0.6m/s～1m/s），这样低速段有利于快速减小振动，高速段有利于减小车轮动载荷，兼顾安全性。钢板弹簧悬架由于内摩擦的影响，减振器双向比β随不同板簧内摩擦大小呈现不同分布趋势，很多车型低速段双向比大于高速段双向比。以某车型前悬架为例，减振器双向比从低速到高速为6.8：6.6：5.9：5.7：5.5。

曲线转折点更明显，低速阻尼力快速建立，有利于控制车身运动，高速阻尼力不会剧烈增加，有利于隔绝振动[6]。

按图6所示阻尼力做减振器样件进行实车评价，车辆在低频舒适性、中高频舒适性、冲击感3个方面都表现良好，没有明显缺陷，不经实车调校也满足基本要求。评价结果见上图7。

5 结论

本文首先对悬架系统的刚度、阻尼匹配过程进行了总结，给出了悬架刚度、阻尼的匹配流程。然后针对某些受开发周期及资源限制，无法进行实车调校的商用车项目给出了基于理论及统计数据的悬架阻尼匹配方法。从阻尼比选择，各速度段阻尼比分布，双向比分布等方面分析，总结了方便、快速，且实车验证切实有效的悬架系统阻尼匹配方法。对于商用车短期改款、定向开发项目平顺性匹配具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 王长新，史文库，张一京，郭福祥.变刚度悬架的虚拟匹配优化[J].湖南大学学报：自然科学版，2015，42（4）：1674-2974.

[2] 周长城.汽车悬架设计及理论[M].北京：北京大学出版社，2011：24- 25.

[3] 编委会.汽车工程手册-设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001： 782-842.

[4] 周长城.汽车平顺性与悬架系统设计[M].北京：机械工业出版社， 2011：79-81.

[5] 王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2007：209-211.

[6] Michael W.Neal，Walter Cwycyshyn， Ibrahim Badiru.Tuning Dam -pers for Ride and Handling of Production Vehicles[J]. SAE Inter -national， 2015-01-1589.