莫家奇 卢剑伟 韩为铎 李磊 殷吕
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汽车行驶过程中经常会遭遇坑洼路面，引起车身晃动，通常人们会选择降低车速缓慢通过来减少不适感。而有时面对凹坑或突起，汽车来不及减速，路面冲击会由轮胎经过悬架传递给车身及乘客。如果在悬架设计中，因为各种原因，该冲击无法削弱且不能较快衰减，就会造成整车平顺性和操纵稳定性表现较差。在实车测试中，某SUV车型在较高车速下经过单侧稍低于路面的窨井盖时，车身侧倾抑制较好，但车身横摆响应不够理想，需要明确问题发生的原因并提出有效的整改措施。
在整车操纵稳定性分析中，悬架运动学特性是不可忽略的一点，通常用K&C特性来表示。Yi、高晋和Yang等在文献[2]～[4]中围绕K&C特性及其对整车的影响做了较全面的分析。GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》和GB/T6323-2014《汽车操纵稳定性试验方法》为整车操纵稳定性及平顺性试验方法提供了依据。上述成果对整车性能提升有普遍意义，而对于一些特殊工况如经过坑洼路面时车身横摆响应问题则未提及。为此，本文结合某SUV车型性能调校过程，以悬架系统为研究对象，建立整车刚柔耦合动力学模型，探讨高速过坑时整车横摆响应异常的发生机理，并从悬架结构修改的角度提出改进措施。
1.车辆刚柔耦合多体动力学建模
为了考察过坑洼路面的车辆横摆响应，基于Adams/Car软件平台建立整车的多体动力学模型。该车型基本结构参数见表1，其中，对悬架、车身、转向等子系统建模过程中的要点简要说明如下。
（1）悬架：前悬架为麦弗逊结构，后悬架为多连杆结构，悬架硬点坐标依据上述车型数据确定，部件之间根据其连接特征采用衬套和球铰等方式连接，相关弹簧、减振器、缓冲块、衬套的参数通过试验获得。其中，前悬架结构简单，采用刚体构件建模对车轮定位参数的变化规律影响较小，通过K&C仿真与试验数据对比，结果较为吻合；后悬架结构复杂，且拖曳臂为片状，在经过坑洼路面时拖曳臂的弹性变形较大，有可能对车轮定位参数变化规律有较大影响，所以在Hypermesh中对后悬架杆件进行有限元建模，以.MNF模态中性文件导入Adams/Car。通过刚体模型和刚柔耦合模型的K&C仿真分析与试验数据对比，发现刚柔耦合模型与试验数据较为吻合，且拖曳臂的柔性化处理对前束变化趋势影响较大，如图1所示。从0至100mm轮跳阶段，整个趋势从弱负变为弱正，其它杆件的柔性化处理对车轮定位参数的变化规律影响较小，为了提高分析效率，悬架系统多体建模分析中只对拖曳臂进行柔性化处理。kg；ht，为车顶离地高度，m；ht为汽车质心高度，m；L为汽车总长，m；Kx为绕质心x轴的轿车经验系数7.984 6；Ky为绕质心.y轴的轿车经验系数5.2901；Kz为绕质心z轴的轿车经验系数2.1942。
（3）转向：该车型转向系统采用齿轮齿条机构，关键点坐标由该车型总布置数据确定，其最大转向角为l 173.6°，最大齿条位移为153.5mm，通过计算得到传动比为0.133 373 29 rad/mm。
（4）其它零部件如前后横向稳定杆、动力总成、轮胎等参数依据车型参数确定。各子系统之间用通讯器进行连接。
整车多体系统动力学模型的拓扑结构如图2所示，得到的整车刚柔耦合模型如图3所示。
2.模型检验及高速过坑试验设计
2.1同向轮跳检验
在Adams/Car中进行同向轮跳仿真试验，并与实车试验进行对比。试验中，将车身及方向盘锁止，并施加制动力矩使车轮不能绕自身旋转轴转动，左右车轮在垂直加载缸的作用下同向跳动，测量悬架刚度、车轮的外倾角、前束角、轮心的纵向及侧向位移等参数，得到的测试结果如图4～8所示。
由图可知，同向轮跳时仿真试验结果与实车试验数据吻合较好。其中曲线基准（即曲线最高最低点）的差异主要是因为试验车与仿真模型车身姿态不同，而曲线变化范围的不一致主要是由模型与试验车悬架硬点实际坐标存在的差距造成，这种误差主要来自于试验样车的制造与装配误差。
《汽车工程手册》给出的后悬架前束较理想的特性范围为0-3°/50mm，外倾角范-2°～0.5°/50mm，轮距变化范围-5mm/50mm～5mm/50mm。该车试验数据中后悬架前束变化稍大，易引起弹跳转向，后悬架轮胎侧向位移变化较大，易造成轮胎磨损。经过灵敏度分析，确定后悬架前横拉杆与后摆臂的内外侧硬点z向坐标是影响前束变化、轮心侧向纵向变化最主要的因素，且这些坐标对前束变化的影响最大。
其它车轮反跳、制动、侧向力加载等仿真结果与试验数据也吻合较好，在此不再赘述。
2.2高速过坑试验
实车测试时，右侧后轮胎轧过稍低于路面的窨井盖后，车身发生较大幅度顺时针横摆（俯视），车身的振荡持续了两个周期后才衰减，且车速高于60km/h时尤为显著，故以此工况为基础在Adams/Car中设计仿真试验。
（1）路面设计：模拟路面右侧凹坑，建立3D路面，凹坑长0.8m，宽0.8m，深70mm，如图9所示。
（2）驾驶工况：以恒定车速60 km/h保持直线行驶，仿真时间7s，步长0.007s。
（3）输出目标：车身的横摆角度、横摆角速度、横摆角加速度随时间变化的曲线如图10所示。
图10中，横摆角加速度的两次大幅度振荡反映了前后轮过坑的时间点，且后轮过坑时对车身横摆的影响较大。依据试验时右侧凹坑车身顺时针横摆（俯视）的特点，后轮负向横摆角加速度是造成横摆的重点因素。横摆角速度体现了车身横向的不稳定性，被认为是衡量操纵稳定性的重要标志。车辆在过坑时，由于存在颠簸，乘客会忽略横向作用，而在后轮出坑后，横摆角速度有两个负向峰值，乘客较为敏感。横摆角度直观体现了车身横向姿态的变化，图中有两个明显的负向峰值，与试验中出现的两次横摆运动响应相吻合。
横摆角速度的跟踪控制是整车操纵稳定性研究的重要方向。杨涛在文献中提到在转向条件下，横摆加速度的控制采用公差带的方法，将实时横摆角速度限制在一定范围内，当突破上述条件车辆失稳时，ESP通过车轮制动调节横摆力矩使整车保持稳定，足以说明横摆角速度是横向稳定性的重要体现。而过坑工况下，驾驶员没有转向意图，车辆未达到失稳状态，但试验时车身向左摆动较明显，主观上存在不适感，故以横摆角速度负向最大值为衡量标准，从悬架结构参数角度进行灵敏度分析，减小结构引起的车身横摆。
（4）参数筛选：通过Adams/Insight对多连杆后悬架弹簧、减振器、定位参数、硬点、衬套刚度等参数进行考察，以灵敏度为依据，确定较为敏感的变量。灵敏度公式可表示为：式中：S为灵敏度；Yiu为参数i取下限值a时横摆角速度的负向峰值，（°）/s；Yiβ为参数i取上限值β时横摆角速度的负向峰值，（°）/s；Yio为模型初始状态下横摆角速度的负向峰值，（°）/s。
3.参数验证
为了验证上述参数的灵敏度，对整车模型在不同参数下进行仿真试验。通过比较不同前束和外倾角、硬点坐标、悬架刚度和阻尼、衬套刚度下车身横摆角速度的响应，明确参数对车身过坑横摆的影响。
根据仿真分析结果，影响横摆角速度负向峰值较大的参数见表2。
表2给出了弹簧、减振器、前束角、外倾角、6个硬点坐标和5个衬套刚度对横摆角速度负向最大值的灵敏度，可以看出前束角对横摆角速度负向最大值影响最大，硬点与减振器阻尼次之，弹簧刚度、外倾角与衬套刚度相对较小。
（1）前束与外倾角：该车后轮前束的标准范围为0°～0.2°，外倾角为-0.5°～-1.5°，超过该范围即为四轮定位不合格。
图11反映了前束定位值对车身横摆角速度响应的幅值影响很大，对衰减快慢影响较小，且负前束时，横摆角速度负向峰值较大。由图12可知，外倾角对横摆角速度的影响相对前束较小。实车测试对比了四轮定位合格与不合格状态的表现，发现合格时过坑横摆现象明显改善，且前束作用较大。
（2）硬点：根据灵敏度分析结果，确定了3种后悬架的硬点坐标调整方案，见表3。
由图13可知，调整的硬点对车身横摆角速度的幅值影响较大，对衰减快慢影响较小。通过调整灵敏度较高的硬点坐标和保证零部件加工装配精度，可有效改善车身过坑横摆的现象。
（3）弹簧刚度和减振器阻尼：
由图14和图15可知，弹簧刚度对横摆角速度的影响较小，减振器阻尼相比弹簧刚度对横摆角速度的影响稍大，增加弹簧刚度和减小阻尼可降低横摆角速度负向峰值。
（4）衬套刚度：
图16对后摆臂内外侧衬套侧向刚度增加30%进行了对比，车身横摆角速度负向峰值略有降低。
4.结论
（1）车身横摆角速度负向峰值在一定程度上可以作为评价车辆高速单侧过坑时车身横摆响应的一个评价指标，同时，以该指标为依据可以通过整车的仿真分析确定影响车辆横摆响应的敏感变量，为改善车辆过坑时的横摆现象提供参考。
（2）前束值对车身横摆响应影响很大，厂商设定值须进行充分评估。车辆从出厂经过一段时间的使用后，四轮定位参数发生变化，车身横向稳定性变差。经实车试验，校准前束对改善车辆过坑横摆现象效果良好，外倾角相对前束值作用较小。
（3）悬架硬点对整车性能影响非常显著，所以在悬架系统设计时应对悬架硬点参数的影响进行全面评估。其中，多连杆悬架横臂内外硬点z向对前束变化、轮心侧向纵向变化及车身横摆影响较大。制造及装配精度造成的硬点坐标偏差也会影响整车的性能。
（4）多连杆后悬架减振器阻尼对车身过坑横摆影响稍大，弹簧刚度和衬套刚度次之。适当增加弹簧刚度和减小减振器阻尼可降低横摆角速度负向峰值。在整车参数冻结的情况下，优化多个衬套刚度也可改善车辆过坑横摆现象，其中后摆臂衬套侧向刚度影响最大。
