悬架特性对纵向冲击舒适性的影响研究

姜军平 孙福禄 辛庆锋 叶明瑞 张栋江 郭志明

（浙江吉智新能源汽车科技有限公司 浙江 杭州 311228）

引言

车辆行驶中碰到减速带时，悬架向上跳动的同时会向后缩退，从而对冲击力进行衰减。悬架向上和向后的位移越大，对冲击能量的衰减就越多，传递到车身的振动就越小，车辆的冲击舒适性就越好[1-4]。目前，对于冲击舒适性的研究比较多。赖欣[5]基于特殊冲击路面（如凹坑、凸块、鼓包、斜坡等）进行了平顺性分析，得出对于每种特定路面都有一个最佳车速，使得汽车通过时垂向振动最小。宋年秀等[6]采用国家标准中未提及的其它脉冲工况（如矩形凸块、斜角凸块、凹坑、减速带等）进行了仿真对比，得出在对汽车的平顺性进行分析时，将矩形凸块或减速带作为脉冲输入比较合理。高晋等[7]在考虑副车架的柔性变形下对冲击舒适性进行了研究，得出副车架的柔性变形可以改善冲击舒适性。李宁宁等[8]就簧下质量对电动汽车冲击舒适性的影响进行了研究，得出质心处的最大加速度跟簧下质量有关。

车辆行驶中，车轮碰到减速带时，不仅存在垂向冲击，也存在纵向冲击。上述研究都是对垂向冲击舒适性进行研究，没有考虑纵向冲击对舒适性的影响。由于纵向冲击容易被乘客感知，且对车辆舒适性的影响非常大，因此，研究纵向冲击舒适性具有重要的意义。

1 悬架特性对纵向冲击舒适性的影响

1.1 冲击力的衰减机理

为了改善某车型经过减速带时的纵向冲击舒适性，对车辆经过减速带时的振动衰减机理进行分析。车辆行驶中碰到减速带时，车轮向上运动的同时会向后运动，通过悬架垂向和纵向的变形对冲击力进行衰减。悬架变形量越大，冲击力的衰减就越多。由于悬架上跳行程一般比较大，在70～120 mm 之间，可以对垂向冲击力进行大幅度衰减。相比悬架上跳行程，悬架纵向行程受衬套厚度和悬架运动学特性的影响，一般比较小，在2～7 mm 之间。当悬架纵向变形已到达极限，而纵向冲击力还未得到大幅度衰减时，冲击能量将直接传递到车身，从而使车内乘客产生不舒服感。要改善车辆的纵向冲击舒适性，需要增加悬架受到冲击后纵向的退缩量，即悬架的纵向运动行程。悬架的纵向运动行程由2 部分构成，一部分为悬架上跳过程中车轮自动向后产生的行程，跟悬架的运动学特性（简称K 特性）有关；另一部分为悬架受到冲击力后在纵向产生的变形，跟悬架的弹性形变（简称C 特性）有关。

1.2 K 特性下悬架运动特性分析

研究时，不考虑悬架运动过程中衬套变形产生的影响，仅从运动学角度分析车轮碰到减速带时悬架在Z 向、X 向的运动特性。

当车辆行驶中碰到减速带时，其运动特性见图1。

图1 K 特性下车轮运动示意图

首先，车轮会绕瞬心向上运动，同时向后运动。将车轮向上运动的位移记作DZ，DZ的大小由车轮所受垂向冲击力的大小和悬架刚度的大小决定，垂向冲击力越大或者悬架刚度越小，则DZ越大；将车轮向后运动的位移记作DX，DX由悬架的运动学特性即轮心纵向位移随轮心跳动量的变化率和车轮的上跳行程决定。在车轮上跳行程不变的情况下，轮心纵向位移随轮心跳动量的变化率越大，轮心往后移动距离越大，越有利于冲击舒适性的改善；在轮心纵向位移随轮心跳动量的变化率不变的情况下，车轮上跳行程越大，越有利于冲击舒适性的改善。

1.3 C 特性下悬架运动特性分析

车轮受到纵向冲击力后，由于衬套的作用，悬架会沿着受力方向发生弹性形变，从而对冲击力进行衰减。为了形象地说明受到纵向力时悬架的变形特性，可以近似看作车辆的轮心处安装有衬套，见图2。

图2 C 特性下车轮运动示意图

当受到纵向力作用时，衬套沿着受力方向发生变形，带动车轮向后移动，从而对冲击力进行衰减。将车轮向后运动的位移记作DX1，DX1越大，越有利于冲击舒适性的改善。本文的悬架C 特性仅研究受到纵向力后悬架的纵向变形，不考虑悬架跳动所产生的纵向形变，跟常规的悬架C 特性有所区别。

2 仿真模型的搭建

2.1 前悬架模型的搭建

为了研究悬架特性对纵向冲击舒适性的影响，在ADAMS 中分别搭建仅具有K 特性的前悬架模型和仅具有C 特性的前悬架模型。

搭建仅具有K 特性的悬架模型时，不考虑衬套的影响。因此，在建模时，悬架各部件之间采用铰链进行连接，对采用铰链连接的2 个部件分别用I part 和J part 表示，悬架中各部件之间的链接关系见表1。

表1 链接关系表

搭建仅具有C 特性的悬架模型时，悬架各部件之间采用衬套进行连接，衬套的空心方向、安装角度保持跟实车一致，通过调整摆臂后点Z 向坐标，使轮心纵向位移随轮心跳动量的变化率近似为0。此时，车轮跳动过程中，在纵向产生的位移是0，纵向的位移量可以看作完全由衬套变形引起。

2.2 整车模型的搭建

在ADAMS 中分别搭建转向、车轮、车身、动力系统和后悬架的模型，并基于前期搭建的前悬架模型，在装配模块分别搭建前悬架为K 特性的整车模型和前悬架为C 特性的整车模型。其中，进行车轮模型搭建时，考虑到路面激励的输入频率比较高，轮胎选用Ftire 模型。

Ftire 模型属于典型的物理模型，适用于时域范围内高频（200 Hz）路面的激励分析，一般用于操纵稳定性、平顺性、耐久性分析。用于平顺性研究的Ftire模型主要由力学结构模型和胎面模型构成。其中，力学结构模型主要由带束（原理图见图3）、胎体和胎圈组成，相互之间用弹簧、阻尼、摩擦单元进行连接。

图3 带束节点与轮辋之间连接示意图

带束单元在平面内和平面外与邻近单元通过弯曲弹簧和扭转弹簧进行连接，其自由度示意图如图4所示。

图4 带束单元的自由度示意图

胎面模型由无质量的接触、摩擦单元组成，主要用来描述轮胎在不同路面条件下的接触情况以及计算轮胎在路面接地印迹区的压力分布和摩擦力[9-10]。

3 悬架K&C 仿真

3.1 车轮平行跳动仿真

为了研究悬架运动学特性和弹性形变特性对冲击舒适性的影响，在K 特性和C 特性下分别进行悬架平行跳动仿真，分析悬架跳动过程中轮心纵向位移的变化量，见图5。图中，横坐标的负数表示向下跳动量，正数表示向上跳动量。

图5 轮心纵向位移随轮心跳动量的变化

由图5 可以看出，K 特性下，车轮上跳60 mm后，轮心向后移动1.56 mm；C 特性下，车轮上跳60 mm后，轮心向后移动1.67 mm。通过对比可以得出，车轮上跳过程中，由于衬套变形导致轮心向后移动了0.11 mm。相比跳动过程中向后移动的总行程，衬套的贡献量不大。因此可得出，车轮跳动过程中，纵向行程主要是由悬架K 特性，即布置结构决定。

3.2 车轮纵向力加载仿真

分别在K 特性和C 特性下进行纵向力加载仿真，分析轮心纵向位移的变化量，见图6。图中，横坐标的负数表示向后加载的纵向力，正数表示向前加载的纵向力。

图6 轮心纵向位移随纵向力的变化

由图6 可以看出，在K 特性下，纵向力加载对轮心纵向位移的变化没有影响。C 特性下，向后加载4 000 N 的纵向力，轮心向后移动4.58 mm。因此可得出，悬架受到纵向冲击力作用时，对冲击舒适性的改善主要是由衬套决定的，悬架的布置结构贡献量不大。

4 脉冲路面平顺性仿真

在ADAMS 中按GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》的要求搭建三角凸块路面，用来模拟减速带，并进行仿真，见图7。以驾驶员脚底板处垂向、纵向加速度最大值为评价指标，评价前悬架在K 特性和C 特性下对冲击舒适性的影响。

图7 脉冲路面仿真模型

图8 和图9 分别为车辆以典型车速40 km/h 经过减速带时驾驶员脚底板处纵向加速度变化曲线和轮心处受到的纵向力变化曲线，图10 为不同车速下驾驶员脚底板处纵向加速度最大值的对比曲线。

从图8 可以看出，K 特性下，纵向加速度的最大值比C 特性下大很多。从图9 可以看出，K 特性下，轮心处受到的纵向力最大值比C 特性下大很多。从图10 可以看出，K 特性下，纵向加速度的最大值比C特性下大，随着车速的增加，2 者的差距增大。原因是C 特性下纵向产生的位移量比K 特性下大，导致悬架在C 特性下对纵向冲击舒适性的改善比K 特性下好。

图8 驾驶员脚底板处纵向加速度随时间的变化

图9 轮心处受到的纵向力随时间的变化

图10 纵向加速度最大值随车速的变化

图11 和图12 分别为车辆以典型车速40 km/h经过减速带时驾驶员脚底板处垂向加速度变化曲线和轮心处受到的垂向力变化曲线，图13 为不同车速下驾驶员脚底板处垂向加速度最大值的对比曲线。

图11 驾驶员脚底板处垂向加速度随时间的变化

图12 轮心处受到的垂向力随时间的变化

图13 垂向加速度最大值随车速变化

从图11 可以看出，C 特性下，垂向加速度的最大值比K 特性下稍大一些。从图12 可以看出，C 特性下，轮心处受到的垂向力与K 特性下差别不大。从图13 可以看出，C 特性下，垂向加速度的最大值比K特性下大一些，随着车速的增加，2 者的差距并没有增大。原因是C 特性下，衬套刚度对悬架垂向刚度有贡献量，导致C 特性下悬架刚度比K 特性下大。因此，悬架在K 特性下对垂向冲击舒适性的改善比C特性下稍好一些。

通过对比受到冲击后驾驶员脚底板处纵向、垂向加速度以及前轮受到的纵向和垂向冲击力后得出，衬套对车辆纵向冲击的衰减比悬架硬点（决定悬架运动学特性的点）显著。要提高整车纵向冲击舒适性，调整衬套比调整悬架硬点效果明显。调整衬套时，需要考虑对悬架垂向刚度的影响，否则会导致悬架垂向的冲击舒适性变差。

5 结论

本文就悬架的运动学特性和弹性形变特性对纵向冲击舒适性的影响进行了研究，得到以下结论：

1）车轮跳动过程中，悬架纵向的缩退量主要由悬架硬点决定，衬套的贡献量不大。车轮受到纵向的冲击力时，悬架纵向的缩退量主要由衬套决定，悬架硬点的贡献量不大。

2）要提高整车纵向冲击舒适性，调整衬套比调整悬架硬点效果明显。

3）不同的汽车悬架结构，运动过程中，其对冲击舒适性的改善机理是相同的，故当前的研究结论适用于所有的汽车悬架结构。