整車設(shè)計姿態(tài)確認方法

趙丹

摘 要：整車設(shè)計姿態(tài)舉足輕重，跑車、轎車、SUV均有其專屬姿態(tài)特征。奧迪系列、沃爾沃S90、本田雅閣等轎車相比國產(chǎn)轎車整體觀感給人感覺不止提升一個檔次，為什么同級轎車會相差這么大？就是因為整車姿態(tài)。前者整車整備和滿載姿態(tài)角接近0°，后者前低后高，為什么設(shè)計成前低后高？下文將從定義、影響因素、推理過程、影響性能四個版塊描述。

關(guān)鍵詞：姿態(tài) 整車設(shè)計 懸架計算 輪胎剛度曲線

Confirmation Method of Vehicle Design Posture

Zhao Dan

Abstract：The design posture of the whole vehicle is very important. Sports cars， cars， and SUVs all have their own posture characteristics. Compared with domestic cars， the overall look and feel of Audi series， Volvo S90， Honda Accord and other sedans is more than a higher level. Why are cars in the same class so different？ It is because of the posture of the vehicle. The former has a complete vehicle preparation and full-load attitude angle close to 0°， while the latter is low in the front and high in the rear. The following sections describe the definition， influencing factors， reasoning process， and influencing performance.

Key words：posture， vehicle design， suspension calculation， tire stiffness curve

1 前言

本文站在總布置職業(yè)角度，基于一款緊湊型SUV開發(fā)過程，介紹一種從整車逆向?qū)?biāo)結(jié)合正向理論計算確定整車設(shè)計姿態(tài)的方法，同時闡釋姿態(tài)確定的影響因素。

2 整車姿態(tài)定義[1]

造型領(lǐng)域整車姿態(tài)是指綜合地面線、輪胎型號、輪眉、前后輪心、腰線、C點、D點、整車尺寸及前后懸綜合得到的視覺效果，一般通過車頭車尾離地高度、車身腰線走向等。

總布置領(lǐng)域整車姿態(tài)通過整車設(shè)計姿態(tài)角（地面線和水平線的夾角）、前后輪心坐標(biāo)、輪胎靜力負荷半徑、地面線進行表示，如圖1所示。在整車開發(fā)設(shè)計過程中，一般取整備狀態(tài)作為設(shè)計基準(zhǔn)狀態(tài)，其對應(yīng)的姿態(tài)即為整車設(shè)計姿態(tài)，（備注：除此之外，也有選取半載或者滿載作為設(shè)計狀態(tài)的情形，裝載狀態(tài)必須為對稱狀態(tài)。）其他半載、滿載結(jié)合懸架全行程跳動狀態(tài)作為懸架設(shè)計輸入條件亦很重要。造型所述的姿態(tài)包含了總布置領(lǐng)域的姿態(tài)，本文主要就總布置領(lǐng)域整車姿態(tài)確定進行闡述。（下文所提設(shè)計姿態(tài)角默認為整備姿態(tài)角）

3 整車姿態(tài)影響因素

車型定位：不同車型，整備姿態(tài)角范圍相差較大。SUV前低后高明顯，整備姿態(tài)角大些（SUV整備姿態(tài)角范圍一般在0.3-0.8°之間，滿載一般-0.1-0.2°），超跑或者轎跑車型底盤較低，整備姿態(tài)角較小接近0度;動力系統(tǒng)布置位置：布置方式對軸荷分布和整車姿態(tài)影響較大，發(fā)動機前置前驅(qū)、中置、后置對應(yīng)的胎荷相差較大，輪胎變形量相差較大，整備地面線及整備姿態(tài)夾角相差較大;輪胎型號：輪胎型號的大小、剛度屬性變形量影響地面線位置;懸架參數(shù)：懸架的形程、彈簧剛度、偏頻等對整車在不同負荷狀態(tài)下輪心位置息息相關(guān);設(shè)計狀態(tài)輪心定義，空半滿3種狀態(tài)下輪心定義對懸架參數(shù)和整車舒適性影響較大;空氣動力學(xué)要求：為了保證車身空氣動力學(xué)性能，汽車行駛時底盤下方有氣流快速通過，如果底盤氣流速度太慢會導(dǎo)致底盤下方空氣壓力增加，除非車型級別較高軸距較大，一般車型均為前低后高的整車姿態(tài)，目的是有利于汽車高速行駛的穩(wěn)定性及行駛安全性。

4 以SUV為例介紹整車姿態(tài)確定開發(fā)方法

下述過程基于內(nèi)部人體姿態(tài)、輪胎型號已經(jīng)確定進行闡述。

4.1 Benchmark（圖2）

掃描技術(shù)標(biāo)桿車得出標(biāo)桿車整車整備、半載、滿載姿態(tài)，結(jié)合對標(biāo)車型初步定義開發(fā)車型姿態(tài)角和輪心位置。上圖SUV在SC設(shè)計階段姿態(tài)定義同標(biāo)桿車：整備0.6°、半載0.37°、滿載0.1°。

4.2 總布置輸出布置數(shù)據(jù)及姿態(tài)硬點

整備前/后輪心坐標(biāo)（0，0，50）、（2650，0，26.3）、半載前/后輪心坐標(biāo)（0，0，62.5）、（2647，0，48）、滿載前/后輪心坐標(biāo)（0，0，66）、（2644，0，68）;整備、半載、滿載前輪靜力負荷半徑分別為305.39、303.3、302.65mm;整備、半載、滿載后輪靜力負荷半徑分別為309.96、306.75、306.41mm。對應(yīng)地面線和輪心坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入給懸架工程師。

4.3 懸架參數(shù)計算及輪心位置正向修正、靜力負荷半徑確定

懸架系統(tǒng)主要參數(shù)如下：螺旋彈簧剛度、懸架系統(tǒng)剛度、懸架系統(tǒng)偏頻、懸架系統(tǒng)靜撓度、懸架側(cè)傾角剛度、懸架系統(tǒng)縱向角剛度、減震器參數(shù)。

先對參考標(biāo)桿車基本性能參數(shù)進行計算，求得懸架系統(tǒng)性能基本參數(shù)，然后參考得到的結(jié)果選取設(shè)計車型的參數(shù)，為具體的零部件設(shè)計提供依據(jù)。設(shè)計輸入包括標(biāo)桿車和開發(fā)車型的質(zhì)心高（空載和滿載狀態(tài)）、前輪距、后輪距、整備質(zhì)量、最大總質(zhì)量、前軸荷（空載和滿載狀態(tài)）、后軸荷（空載和滿載狀態(tài)）、前懸架系統(tǒng)非簧載質(zhì)量、后懸架系統(tǒng)非簧載質(zhì)量。

4.3.1 螺旋彈簧剛度計算

標(biāo)桿車前后螺旋彈簧通過剛度試驗進行測試，并根據(jù)試驗值做出剛度曲線。針對開發(fā)車型先用下述公式正向計算。

Cs1=Gd14/8D13n前 1）

Cs2=Gd24/8D23n后 2）

G—彈簧剪切模量，83000N/mm2;d1—前螺旋彈簧簧絲直徑，mm;d2—后螺旋彈簧簧絲直徑，mm;D1—前螺旋彈簧中徑，mm; D2—前螺旋彈簧中徑，mm;n——彈簧有效圈數(shù)。

將理論計算所得數(shù)值和試驗所得曲線對比，如果相差較小則取試驗所得數(shù)值作為彈簧剛度;如果相差較大，則重新測試并重新理論計算。

4.3.2 懸架系統(tǒng)剛度計算

根據(jù)懸架系統(tǒng)平衡關(guān)系式，得下述公式3）

C1=Cs1×μ×cosδ/P×cosβ? ? ? ?3）

Cs1—前螺旋彈簧剛度，N/mm（圖3）。

后懸架系統(tǒng)剛度計算，按照公式4）進行。

C2=2×L1b2×Cs2×cosα2/L1b1? ? ? ? ? ? ? 4）

L1b1：地面反作用的力臂，mm;Cs2：后懸架螺旋彈簧剛度，N/mm。

α2：空載狀態(tài)下彈簧與垂直方向的夾角;L1b2：彈簧力的力臂，mm。

4.3.3 懸架系統(tǒng)偏頻計算

n=1/2π? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5）

n：懸架系統(tǒng)偏頻，Hz;C：由剛度試驗測試的懸架系統(tǒng)剛度，N/mm;簧載質(zhì)量，kg。轎車常用偏頻0.9-1.6Hz。

4.3.4 懸架系統(tǒng)撓度計算

懸架系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)平順性要求確定前后懸架偏頻n1和n2以及前后懸架靜撓度fc1和fc2。前后懸架靜撓度和偏頻的匹配一般fc2=0.8-0.9 fc1。轎車常用靜撓度一般100-300mm，動撓度一般70-90mm，動撓度的設(shè)置是為了防止不平路面上沖擊緩沖塊。懸架工程師根據(jù)懸架系統(tǒng)剛度及整備、半載、滿載之間的相對簧上質(zhì)量差值計算懸架撓度，以整備設(shè)計姿態(tài)為基準(zhǔn)，理論正向推導(dǎo)半載和滿載輪心位置。結(jié)合供應(yīng)商提供的輪胎剛度曲線，在整備、半載、滿載對應(yīng)胎荷情況下計算輪胎靜力負荷半徑。正向修正地面線和輪心位置。

4.4 總布置圖更新

總布置根據(jù)底盤懸架工程師輸出輪心位置（半載和滿載輪心位置）、靜力負荷半徑畫出地面線，總布置繪制完善布置圖。（注：懸架工程師根據(jù)總布置輸入整備狀態(tài)前后輪心位置，結(jié)合懸架零部件計算選型根據(jù)半載和滿載狀態(tài)簧上和非簧載質(zhì)量計算懸架跳動行程并給出理論半載和滿載輪心位置及輪胎靜力符合半徑，一般和標(biāo)桿車和初期定義半載滿載有區(qū)別，因動力系統(tǒng)或者電控選型布置位置有區(qū)別，懸架選型參數(shù)也會調(diào)整。）

5 整車姿態(tài)影響的整車性能

美觀性和整車空氣動力性和整車操控穩(wěn)定性，一般除豪華型高級別轎車，大部分車型整車整備姿態(tài)是前低后高的，轎車整備姿態(tài)角范圍一般在0.2-0.4之間，SUV一般在0.3-0.8之間。同時還要考慮滿載姿態(tài)接近0度是最佳姿態(tài)角，避免滿載塌車尾。前低后高的姿態(tài)，有利于氣流通過，以及避免尾部后升力增加影響整車穩(wěn)定性和平順性及車型在爬坡和行駛時前輪抓地力不夠。整車設(shè)計過程中總布置的工作起著方向性作用，下車體機械布置、上車體人機布置，定義了整車尺寸，內(nèi)部空間，通過性，整車設(shè)計姿態(tài)，關(guān)系著整車駕乘舒適性，整車動力性經(jīng)濟性。所有的服務(wù)都是為整車性能和駕駛操控及UI人機界面操控性及后期的AI自動和智能駕駛所服務(wù)。

參考文獻：

[1]羅永文，凌紅芳，王師，馬傳帥，機電工程技術(shù)，2014（8）：116-122.

[2]余志生，汽車理論，機械工業(yè)初版社，2002年.

[3]王望矛，汽車設(shè)計，機械工業(yè)初版社，2000年.