乘用车四连杆后悬纵臂衬套对乘适性的影响研究

杨权，刘坚雄，廖美颖，陈双喜，张红业

(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

随着用户对乘用车的乘适性要求越来越高，振动与隔振成为了现在判断车辆设计和制造品质重要的指标之一。乘用车整车是一个动态系统，较低频率的乘适性振动是其动态特性的表现，整车振动频谱范围为0～25 Hz，听觉的低频分界点大约是25 Hz，是所有整车常见基本振动的频率上限，也是文中研究的乘用车四连杆后悬架纵臂衬套隔振的频率范围。如图1所示的乘用车乘适性动态系统：整车对激振的输入产生振动响应，这些响应确定了加在乘员座舱振动的大小和方向，且最终决定乘员对车辆的感受[1]。同时，人体对纵向振动的敏感度与对垂直方向也不同，相关研究表明：人体对于纵向振动的容许界限比垂直方向振动的容许界限低[1]。

图1 乘适性动态系统

在乘用车四连杆后悬架结构中，作为关键部件的后纵臂连杆主要承受了纵向、垂向(整车X和Z方向)的冲击力和绕后纵臂衬套轴线的扭矩。当汽车在凸凹不平的路面行驶时，后纵臂衬套受到的纵向、垂向冲击力和扭矩很大，且作用较频繁，因此其后纵臂衬套结构形式、动静特性则成为影响整车后排振动舒适性的部分关键因素。

文中介绍了乘用车四连杆后悬纵臂衬套对整车乘适性的影响因子，分析了在后悬固有频率下纵臂橡胶衬套的结构形式以及实车后排乘适性表现的优缺点，主要针对纵臂液压衬套结构形式、动静特性等对整车后排乘适性的影响作了详细设计分析和试验测试。根据该衬套对整车乘适性的影响因子，基于其动静特性，分析在后悬架固有频率下此衬套的静刚度、动刚度及阻尼角对整车后排乘适性的影响。设计了该衬套的不同参数模型方案，计算了不同路面工况下纵臂衬套动刚度及阻尼角与激振频率关系曲线，同时也测试分析了纵臂衬套不同动静特性在主要路面工况下对整车后排乘适性的影响，计算设计值与测试结果吻合较好。最后给出了在乘用车四连杆后悬架中纵臂衬套参数设计的选择建议。

1 纵臂衬套对乘适性的影响

车辆乘适性的振动可能有多个激振来源，一般分为两类：路面不平度和车上的振源，车辆的振源来自包括轮胎及总成、转动系统和动力总成这些旋转部件。表1 给出了影响整车舒适性的振动、振动源及频率范围[2]。对于四连杆形式的车用车来说，后悬的振动主要来自路面及不平衡的各种振动，而纵臂衬套则是改善整车后悬振动舒适性其中的一个关键因子。

表1 影响乘适性的振动源及频率范围

纵臂衬套的主要功能就是隔振，不平路面的各项振动和冲击力经过纵臂衬套后，传递到车体上的振动被大大降低，缓冲了各向冲击力，同时还可以减少高频时结构的噪声传递。这些功能对纵臂衬套的参数要求往往是相互矛盾的，为了抵抗加减速产生的冲击和不平路面产生的垂向和纵向冲击，就要求衬套的Z向和X向的刚度要大，可是为了达到有效的隔振目的，衬套的刚度又必须小，同时还要满足整车的疲劳耐久要求。因此，对于纵臂衬套的结构形式和各项性能参数的权衡设计显得格外重要，需要进行大量方案的设计和实车测试的取舍。同时，整车振动和隔振分析计算又是一个复杂的系统，有多个自由度。整车上为了分析单个部件对整车的影响时，可将之简化为单自由度系统。以下对纵臂衬套的隔振分析设计和试验测试也是基于这一理论方法。

2 纵臂液压衬套动特性分析

由于纵臂纯橡胶结构衬套的特点是要么刚度和阻尼同时设计得大，要么同时设计得小。这种既要考虑防止冲击又要减小振动的特性，这两者之间很难寻找到一个平衡。因此，刚度比较容易调节的液压衬套则能满足这对矛盾的要求[3]。

一个理想的纵臂液压衬套的刚度应该是在低频时刚度高，而高频时刚度低。在共振区，阻尼对降低振动幅值起决定作用，可在隔振区，情况刚好相反，在高频时阻尼越小越好，才能有效达到隔振效果。对于纵臂衬套的隔振，同样可简化成单自由度系统进行理论分析和设计计算，其激励力主要来自路面，基础是车身，系统的动力方程[2]：

f=Fejωt

式中：F为激励力的幅值，ω为谐振频率，f为激励力。

位移响应为：

x=Xej(ωt-φ)=X0ejωt

式中：X0为响应的幅值，φ为阻尼角。

γ为激励频率与固有频率的比值，则激励力幅值：

传递到车身端的力为：

其幅值为：

传递率则为传递到车身上的力的幅值与激励力的幅值之比，得到传递率T为：

车身响应对路面激励的放大倍数，取决于频率比γ和阻尼比ξ。根据单自由度隔振系统传递率曲线[2]，阻尼区在γ=1的位置附近，当γ=1时，惯性力与弹性力相平衡，悬架系统被阻力控制。在这个区域，系统发生共振，其阻尼能很好地抑制振动幅值，阻尼越大，抑制效果越好。液压衬套的阻尼角比较大，所以在这个区域内防止冲击的效果很好。在T>1的区域为减振区，系统振动被惯性力控制。在这个区域内，频率比越大，隔振效果就越好。但在设计纵臂衬套时，频率比不可能做得太大，它总是被控制在一定范围内。同时在减振区，阻尼给隔振带来副作用，大阻尼必然导致隔振效果差[2]。

根据其理论基础原理，为平衡达到上述整车后悬的缓冲和隔振要求，结合四连杆后悬架的参数、悬架系统的频率范围以及纵臂衬套的特性要求[4]。文中主要选择以液压衬套为基准方案，按图2(a)的阻尼特性及图2(b)的隔振特性方向进行方案设计。结合实车性能需求进行不同方案和不同动静特性的实车测试。

图2 纵臂液压衬套动特性

3 纵臂衬套的参数设计定义

表2为不同方案纵臂衬套的主要参数。

表2 不同方案纵臂衬套的主要参数

根据某款乘用车对后悬架乘适性的要求和后悬架的相关参数特性，为平衡满足后悬架对整车各项振动、冲击力及隔振要求，以液压衬套基准刚度为基础方案，策划设计了如表2所列举的5个液压衬套方案和4个纯橡胶衬套方案。同时为了得到纵臂衬套对整车后排乘适性影响的关键动静特性，设计方案以静刚度、动刚度及阻尼角等主要参数进行划分[4]。

针对表2中定义的液压衬套方案，提出了如表3的液压衬套基准方案的主要参数以及具体设计基准值。同时还根据整车后悬架特性参数，计算分析了主要路面工况下纵臂液压衬套动刚度及阻尼角与激振频率关系曲线。液压衬套的阻尼角峰值频率选择为对应的后悬架固有频率的15 Hz左右。

表3 纵臂液压衬套基准参数及设计值

根据整车后悬架空间及性能需求，设计制作了图3所示径向提供阻尼和刚度的液压衬套方案及样品。同时根据整车后悬架频率范围及振动衰减需求，为达到重点衰减冲击幅值及冲击强度的目的，此液压衬套动特性则定义设计为阻尼型特性，重点衰减后悬架15 Hz频率的冲击[5]。图4为实测的基准液压衬套3样品的动刚度和阻尼角的关系曲线，其样件符合初始定义设计的方案。

图3 液压衬套结构

图4 液压衬套样品动特性曲线

4 纵臂衬套对整车舒适性的影响测试

为更贴近用户实车的常用工况，定义了表4所列举的实车主要测试路面。根据表3策划设计的不同方案参数模型的纵臂衬套方案制作了样件，样件参数实测值都满足了上述表中设计值。同时按表4主要测试工况路面在整车上进行了测试。

表4 主要测试工况路面

4.1 橡胶衬套对乘适性影响的测试

以表2中的5#液压衬套为基准方案，对1#—4#橡胶衬套的4个方案进行了实车测试[6]。图5为在凸块路、凹凸路及减速带路面上以时速20～30 km/h测试的整车后排座椅导轨的振动加速度数据。对于X向冲击强度，最大冲击幅值为橡胶衬套1，最小冲击平均幅值为液压基准方案；对于X向冲击衰减，衰减最差的为橡胶衬套1，衰减最优的为高阻尼方案。对于Z向冲击强度，最大冲击幅值为橡胶衬套2，最小冲击平均幅值为液压基准方案；对于Z向冲击衰减，衰减最差的为橡胶衬套1，衰减最优的为橡胶衬套2方案。图6为在光滑路、粗糙路、高环路等随机路面以时速60～100 km/h测试的整车后排座椅导轨的振动加速度数据曲线。对于随机路面的Z向冲击，主要评估其振动衰减，Z向衰减最差的为橡胶衬套1，衰减最优的为低动刚度方案。

图5 凸块路、凹凸路及减速带工况下橡胶衬套冲击强度及衰减测试结果

图6 光滑路、粗糙路及高环路工况下橡胶衬套冲击强度及衰减测试结果

数据结果表明：乘用车四连杆后悬架纵臂衬套对X及Z向冲击最为敏感，也直接影响整车后排乘适性主观感受。低动刚度的基准纵臂衬套对X向的冲击隔振效果最优，高阻尼的纵臂衬套对X向的冲击衰减最优，低动刚度的纵臂衬套对Z向的冲击隔振效果最优。

4.2 液压衬套对乘适性影响的测试

因液压衬套主要功能为提供大阻尼性能，所以实车验证主要测试凸块路、凹凸路及减速带路面[6]。以表2中的5#液压衬套为基准方案，对5#—9#液压衬套的5个方案进行了实车测试。图7为在凸块路、凹凸路及减速带路面上以时速20～30 km/h测试的整车后排座椅导轨的振动加速度数据。对于X向冲击强度，最小冲击幅值为线性段+方案，其余方案相当；对于X向冲击衰减，衰减最差的为液压基准方案，衰减最优的为线性段+方案。对于Z向冲击强度，最大冲击幅值为刚度下限方案，冲击最小冲击幅值为线性段-方案；对于Z向冲击衰减，衰减最差的为液压基准方案，冲击衰减最优的为线性段-方案。

图7 液压衬套冲击强度及衰减测试结果

数据结果表明：乘用车四连杆后悬架液压衬套的线性段刚度对后排冲击强度及幅值的衰减均有影响；线性段增加有利于冲击强度峰值的削峰，但衰减变差，线性段减小不利于削减冲击强度峰值，但冲击衰减相对会变好。

上述的计算分析和实车测试：乘用车四连杆后悬架纵臂对路面冲击强度和衰减都有显著影响，从而成为影响整车乘适性的一个重要因子。同时，此纵臂衬套的不同结构形式参数、不同动静特性参数等也会对后排乘适性有显著的影响差异。鉴于此纵臂衬套性能对整车后排乘适性的影响，其设计方向和性能选择原则如下：

(1)纯胶衬套方案设计选择需根据整车质量及悬架KC特性匹配线性段刚度和限位刚度；

(2)纯胶衬套的阻尼角对后排冲击衰减影响较大，结合衬套耐久性能平衡选择阻尼角大小；

(3)选择液压衬套可显著降低后排X向和Z向冲击强度和衰减幅值，结合车型定位和成本平衡选择液压衬套的应用；

(4)液压衬套相对橡胶衬套为最有效衰减后排冲击的方案，需根据实车参数匹配液压衬套的线性段刚度和非线性段刚度；

(5)液压衬套液压阻尼角的合理选择对后排衰减有显著效果，需根据实车参数平衡阻尼角与动刚度的设计；

(6)液压衬套选择低动刚度特性对路振和路噪均为有利因素；

(7)纵臂衬套设计输入的主要技术控制指标：线性刚度(长度)、非线性刚度(长度)、阻尼角、动刚度、强度耐久要求、集成尺寸要求等。

5 结束语

文中论述了乘用车四连杆后悬架臂纵臂衬套对整车后排乘适性的作用和影响因子,并介绍了此纵臂液压衬套的结构和性能特点。根据纵臂衬套对整车后排乘适性的影响需求,设计策划了橡胶衬套和液压衬套两种不同动静特性参数的方案及样件，同时实车测试了不同结构、静刚度、动刚度、阻尼角等特性样件对整车乘适性影响的结果数据。设计策划方案和实车测试值的对比结果证明了此纵臂衬套结构、动静特性的初始设计预设方向的正确性。同时还建立了纵臂液压衬套动静特性对整车后悬架舒适性影响的基础性能参数模型。利用该研究结果分析给出了四连杆后悬纵臂衬套平衡选择设计方向和性能选择原则。