基于尺寸工程的整车姿态设计与控制研究

裴彦明，谷玉川，吴保玉，王景超，郑子丹

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

整车姿态是指车辆在各种状态下的车辆Z向尺寸，包括前后轮眉到地面的距离、轮眉间隙以及车辆倾角等轮眉相关尺寸，是车辆设计的重要参数。在车辆设计的过程中，整车布置、性能、人机工程、造型设计以及碰撞安全等方面相互制约，对整车姿态的设计要求与侧重点也不尽相同。一般说来，很难实现每个方面都做到最优，这就需要根据车型定位来权衡取舍，在保证其他方面满足设计要求的前提下，需要将侧重点发挥到极致以保持车型竞争力。

1 整车姿态与地面线设计

整车姿态设计取决于车型的定位，整车造型、整车质量、整车性能以及人机布置等方面相关联。

1.1 整车姿态的设计原则

从整车布置的角度考虑，在满足整车Z向尺寸的前提下，希望整车姿态高一些，有利于机舱与下车体的布置；从人机工程的角度考虑，高的姿态和离地间隙有利于视野设计，但是在给定的整车设计高度下，提高姿态和离地间隙会影响乘员舱布置空间，需要综合各方面权衡考虑；从操纵稳定性的角度考虑，希望有低的质心，也是姿态设计的重要考量；对于造型设计，一般希望车辆空载轮胎-轮眉的Y-Z向配合间隙小一些，前后轮眉间隙呈现出“前低后高”的趋势。

1.2 地面线设计

地面线设计是整车姿态设计的重要环节，根据整车离地间隙与下车体布置的需求，可确定车辆满载的地面线边界，考虑到实车零部件存在公差和底盘调校后的悬架刚度变化，一般会留有一定的设计余量。

在给定整车布置方案、前后轴荷、轮胎参数的前提下，可根据整车最小离地间隙目标初步确定前、后轮的满载轮心位置WcFG、WcRG。

根据前后轮的目标设计载荷与目标悬架偏频，可通过计算得到悬架刚度的初始值：

(1)

式中：KF为前悬架刚度；KR为后悬架刚度；MFD为设计状态前轮荷；MRD为设计状态后轮荷；ωF为前悬架设计偏频；ωR为后悬架设计偏频。

由此，可根据设计状态与满载状态的质量变化计算出设计状态的轮心位置：

(2)

式中：WcFD为设计载荷前轮心坐标；WcRD为设计载荷前轮心坐标；MFG为满载前轮荷；MRG为满载后轮荷。

根据设计状态轮心位置和轮胎静力半径可以得到设计状态的地面线。同理，根据设计状态与空载状态的质量变化，可计算出空载状态的轮心位置：

(3)

式中：WcFC为空载前轮心坐标；WcRC为空载后轮心坐标；MFD为空载前轮荷；MRC为空载后轮荷。

根据空载状态轮心位置和轮胎静力半径可以得到空载状态的地面线,如图1所示。

图1 车型地面线示意

在完成底盘调校后，根据调校后的实际车辆的悬架刚度，再利用前述计算方法调整车辆在空、半、满载的地面线。

而整车造型所关注的空载轮眉间隙(轮胎-轮眉在XOZ平面投影所形成的间隙)则由轮眉造型、空载轮胎半径以及空载地面线所决定。

整车姿态的设计需遵循如图2所示的流程。

图2 整车姿态设计流程

实际的车辆开发过程中，一个车型项目可能会包含多种动力总成配置、多种轮胎型号以及各种新技术的选配，因此会出现不同配置具有不同质量、装有不同型号的轮胎，而一条弹簧难以满足多种配置具有同一姿态的要求，目前各主机厂通常采用弹簧分组的办法解决此类问题。

2 整车姿态尺寸分解

整车姿态的设计与控制同悬架形式有着密不可分的关系。文中以某麦弗逊悬架结构的轿车为例，利用3DCS软件建立前悬尺寸链分析模型，模型装配逻辑如图3所示。

图3 整车姿态3DCS模型装配逻辑

在模型中输入各零部件的公差参数，并运行模型，得出麦弗逊悬架型式的整车姿态公差和各零部件尺寸对整车姿态影响的灵敏度如图4和图5所示。

图4 整车姿态公差分析结果

图5 整车姿态对各零件尺寸的灵敏度

从图5所示的各零部件公差对整车姿态的灵敏度分析结果可以看出，对于麦弗逊悬架，车身、轮胎半径、弹簧长度和弹簧托盘的尺寸精度对整车姿态的影响最为突出，应对其零部件的尺寸达成情况进行严格管控。

根据前述尺寸链分析结果，可将整车姿态分解为3个层级。

第一层级：将整车姿态分解为轮眉设计位置(轮眉特征点在整车中的位置)、轮胎半径和悬架姿态(相对整车基准)，如图6所示。

图6 一级尺寸分解

第二层级：轮眉设计位置相对整车基准的Z向距离可分解为轮眉到减振器安装塔座的Z向距离L1、减振器安装塔座相对整车基准的Z向距离L2；悬架姿态可分解为减振器安装塔座相对整车基准的Z向距离L2、弹减总成长度L3、轮边角总成Z向尺寸L4。如图7所示。

图7 二级尺寸分解

第三层级：弹减总成长度可细分为弹簧托盘安装高度D1、下橡胶垫厚度D2、弹簧长度D3、上橡胶垫厚度D4、减振器轴承厚度D5、TopMount厚度D6，如图8(a)所示。

转向节上减振器下安装点到转向节轴线距离D7、轮毂轴承轴线到转向节轴线D8、制动盘轴线到轮毂轴承轴线D9、轮辋轴线到制动盘轴线D10。这一层级中，转向节、轮毂轴承、制动盘以及轮辋的配合孔均为机加件，配合精度较高，相对容易控制,如图8(b)所示。

图8 三级尺寸分解

实际车辆的姿态则由上述各级尺寸链环中对应的尺寸组成，每一个尺寸的变化都将对整车姿态产生一定的影响。

3 影响整车姿态的关键因素分析

实际车辆姿态受到多方面因素的影响，包括设计、制造、装配、测量等。想要将整车姿态控制在目标范围内，则需要对上述多个影响因素进行深入地研究。

3.1 整车姿态的设计原则

在设计阶段，整车方案和底盘方案确定后，整车姿态设计即给定整车输入下的弹性件设计，通过严谨的计算得出弹簧、减振器、稳定杆、衬套等弹性件设计参数。其中，弹簧、减振器、稳定杆、以及衬套的刚度主要由底盘调校结果决定，而弹簧的载荷、长度则由整车质量和底盘硬点决定。

在不同悬架型式中，弹簧安装方式略有区别，大体上可分为弹减一体式和弹减分离式两类。

此处针对不同的弹簧安装型式对弹簧设计提出如表1要求。

表1 弹簧设计的关键影响因素

另外，弹簧刚度由底盘调校最终确定，根据弹簧设计载荷、设计长度以及弹簧刚度完成弹簧的详细参数计算。

3.2 制造因素

考虑到实际零部件在生产和装配的过程中存在公差，实车的姿态必然与设计目标存在差异。这就要求在设计之初分析整车姿态链环中的各零部件尺寸对整车姿态的灵敏度，考虑相关零件的加工成本，对各零部件的尺寸公差进行合理分配，同时严格监控关键零部件的尺寸达成情况。表2为整车姿态尺寸链环内的各零件公差设定值，且根据尺寸链分析结果，其整车姿态的统计公差计算结果为±10 mm。

表2 影响整车姿态的关键公差

另外，在保证各零部件尺寸精度的同时，还需确保实车悬架刚度在合理的偏差内，其目的在于控制悬架系统的空、满载轮跳量，有利于空载轮眉间隙和满载离的间隙的达成，这就需要对弹簧、衬套、稳定杆等弹性件的刚度达成情况进行严格管控。

3.3 工艺因素

在弹性件设计满足要求的前提下，悬架各零部件的装配顺序与装配方法也对整车姿态的实车表现有着重要的影响，其中的关键点在于悬架各摆臂和稳定杆的衬套轴线方向及其装配状态。

目前各类型悬架型式中，摆臂衬套轴向方向一般有X向和Z向布置两种方式。对于Z向布置的摆臂衬套，在整车的Z向上不存在衬套扭转的问题，而X向布置的衬套，若装配的过程中存在扭转，将会导致其车轮在整车Z向上受到附加力，致使静止状态的整车姿态与设计目标不一致。

表3列举了某X向衬套布置的麦弗逊悬架在两种状态下装配对整车姿态的影响。

表3 悬架装配对姿态的影响

由表3数据可知，若装配过程中各衬套存在相对设计状态的扭转，将会影响整车姿态的实际表现。

若悬架衬套存在X向布置的情况，可通过两种方式避免衬套扭转刚度对整车姿态的影响：

(1)可通过改变衬套连接方式以规避该类问题，如图9所示的下摆臂衬套，通过衬套支架与车架连接，保证摆臂分装时衬套不承受扭转。

图9 消除悬架装配对姿态影响的方案

(2)通过工装台架保证底盘分装过程中，各摆臂衬套安装螺栓打紧时，摆臂处于设计的布置角度，即悬架在设计姿态下分装。

3.4 测量因素

对于设计姿态的实车表现，除设计因素、装配因素和公差因素之外，实际的测量因素也需要考虑。其中的主要影响包括：

(1)测量时的轮胎侧向力，若测量前发生过车辆举升、载荷变化等情况，测量时的轮距没有恢复至设计状态，轮胎与地面存在侧向力，会导致姿态测量结果偏高于设计值，可通过前后推动车辆或采用可侧向移动地面的方式解决；

(2)地面平整度，若测量时的地面不平整，将导致车辆的质心发生转移，各悬架所承受的载荷与设计状态不一致，导致姿态测量结果失真；

(3)配重精度，在测量不同载荷状态下的整车姿态时，往往需要通过对车辆进行配重，若配得各轮载荷与目标载荷存在偏差，同样会导致测量结果失真，该类问题无法避免，一般对配载的要求为单轮载荷在±5 kg的偏差之内；

(4)测量精度，受测量设备的精度所限，实际车辆的姿态测量结果只能近似于真实结果，应使用精度较高的测量设备，尽量减小测量误差；

(5)轮胎胎压，轮胎的半径大小与其胎压有关，测量时需确保胎压与设计值(推荐值)一致。

4 某车型姿态问题调查与整改

某轿车的实车姿态测量结果如表4所示。从测量结果可以看出该车辆在空、半、满载荷下的实际姿态均偏高于设计值。

表4 某轿车的实车姿态测量结果

根据前文所述的整车姿态尺寸分解及其相关影响因素进行逐一排查：

(1)测量因素：测量前已确认过地面平整度、确保胎压与推荐值一致、按照要求进行配重、并多次往复推动车辆，测量相关的影响因素可基本排除；

(2)公差因素：装车前已针对姿态敏感的各零部件尺寸进行检测，各零件单件的尺寸检测结果基本符合要求，且并未出现单侧累积现象；

(3)装配因素：将车辆放在可侧向移动的滑台上，手动松开各衬套连接处的螺栓再重新打紧，再次测量该车辆的姿态有所降低，但仍超出合理的水平，可以判断车辆并未按照工艺要求装配，致使各衬套处存在预应力，影响实车姿态表现；

(4)设计因素：将该车辆的弹减总成拆下，并利用相关设备检测设计载荷下的总成长度，发现弹减总成的长度大于设计值，不满足设计要求，经进一步调查发现，该弹簧设计时并未考虑弹簧与减振器轴线不重合以及减振器存在气体力等情况，是实车姿态偏高的重要原因之一。

根据上述调查结果，重新匹配弹簧设计参数，并按照工艺要求装配各摆臂，该车辆的姿态回归至正常的公差范围，后续车辆的姿态也基本满足要求。表5所示为整改后的姿态测量结果。

表5 整改后的姿态测量结果

5 整车姿态控制方法

根据的实车姿态整改过程可以得出结论，整车姿态控制需要从表6所列的几个方面入手。

表6 整车姿态控制关键事项

关于零件检测事项，其目的不仅在于零件制造精度确认，还可以作为设计正确性的检验，这对于弹减一体式悬架的姿态控制尤为重要，应该在底盘骡车调校时便进行该项工作，避免试生产时出现整车姿态不达标的问题，影响试制车的试验结果。

6 结束语

整车姿态的设计与控制是汽车设计精益化的重要体现，尺寸链与尺寸工程是精益化设计的手段。文中应用尺寸链的思想建立了整车姿态尺寸链环，并逐级分解，找出了影响整车姿态设计与实车姿态达成的重要影响因素，拓展了尺寸链计算在汽车设计中的应用。同时，针对影响整车姿态的关键因素进行分析，制定了整车姿态设计与控制的流程，并结合实例描述了问题车辆的调查与整改方法。