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1、悬架系统K&C 特性综述蔡章林(泛亚汽车技术中心有限公司)【摘要】如何提高汽车的操纵稳定性是汽车研发过程中一大难题，也是制约底盘自主开发的因素。文中说明了什么是悬架系统的K&C 特性；为什么要研究K c；怎样研究和如何评价K&C。【主题词】悬架系统汽车评价0 前言悬架系统是底盘的灵魂，也是汽车操纵稳定性的灵魂，要研究操稳必须研究悬架，而要研究悬架必须研究其K&C 特性。国外在这方面展开了较多的研究，国内相对较晚。在高校，郭孑L 辉院士在该方面有过较为系统的研究，率先在吉林大学自主研发了悬架K&C 试验台，并在自主企业开始运用。在企业，泛亚是国内最早也是唯一一个引入K&C 试验台的汽车研发中心，

2、已经完成近百款车型的K&C 试验，支持完成数十个平台的底盘开发和调试，建立了一整套试验方法和试验数据库。国内关于悬架的研究非常多，从被动悬架到主动悬架，从仿真计算到数值模拟，从麦弗逊悬架到多连杆悬架，无所不有无所不包，但都没有回答一个问题，那就是怎样评价悬架。本文以攻读硕士和博士期间的研究成果为基础，结合泛亚工程开发经验，将对这一问题进行论述。主要回答：什么是悬架系统的K&C 特性?为什么要研究K&C?怎样研究以及如何评价K&C。1悬架系统的K&C1 1 什么是K&C?K 代表英文K i n e m a t i c s，即不考虑力和质量的收稿日期：2 0 0 9-0 3 3 0上海汽车2 0

3、0 9 0 8运动，而只跟悬架连杆有关的车轮运动；C 代表英文C o m p l i a n c e，也就是由于施加力导致的变形，跟悬架系统的弹簧、橡胶衬套以及零部件的变形有关的车轮运动。悬架系统K&C 试验就是在台架上模拟道路激励导致的悬架运动。近年来，随着计算机仿真技术的发展，已经可以运用软件对悬架系统K&C特性进行仿真，仿真结果已经能够较好地和试验结果相吻合。1 2K&C 的功能目前在泛亚进行整车开发时，K&C 特性试验和研究已经成为不可缺少的一部分，通过K&C 特性的研究，可以起到如下作用：(1)整车前期开发阶段悬架系统的架构；(2)在虚拟评审阶段验证悬架和整车动力学仿真模型；(3)在

4、逆向设计和对比车型的研究中，进行竞争车型调查研究；(4)在样车试制的各个不同阶段，支持底盘调试工作。1 3K C 试验设备典型的K&C 试验台分为单轴和双轴，双轴可以一次完成前后悬架的测试，单轴则需要前后悬架分开测试，但测试结果完全相同。试验前将车身用夹具固定，四个车轮停放在四个可上下、左右、前后运动以及转动的浮动托盘上，并在四个车1 9 万方数据轮上安装传感器。试验时，对四个车轮下的托盘施加运动或转动，通过车轮上安装的传感器测量悬架系统的各个参数。试验结束后对测试结果进行相应的后处理即可得到完整的悬架K&C 试验报告，美国通用称之为整车操纵性文件，可以看出该性能对操纵稳定性的重要程度。2K&

5、C 试验方法及测试参数悬架系统K&C 试验主要分六个方面：垂直加载试验、侧倾试验、侧向力试验、回正力矩试验、纵向力加载试验、转向几何特性试验。接下来以单轴试验台架为例对六个方面进行简要叙述。2 1 垂直加载试验双轮同时同向往复运动，如图1 所示。加载范围：最小轴荷5 0 0N 到2 5 倍或2 9 倍轴荷。表1 是该试验的主要测试参数及定义。图1 垂直加载试验示意图表1 垂直加载试验测试参数及定义垂直加载测试参数定义前束角变化轮胎接地点垂直位移和车轮转角关系外倾角变化轮胎接地点乖直位移和车轮外倾角关系后倾角变化轮胎接地点垂直位移和后倾角关系悬架刚度车轮中心垂直位移和垂向力关系轮胎径向刚度轮胎静

6、载半径和垂向力关系轮胎接地点垂直位移和车轮中心纵向变车轮中心纵倾变形形关系2 2 侧倾试验通过给定的侧倾角驱动车轮接地面往复运2 0 动，保持接地平面水平以及载荷不变，如图2 所示。表2 为侧倾试验的主要测试参数及定义。图2 侧倾试验示意图表2 侧倾试验测试参数及定义侧倾试验测试参数定义侧倾转向侧倾角和车轮转角关系侧倾外倾侧倾角和车轮外倾角关系侧倾后倾侧倾角和后倾角关系侧倾刚度侧倾角和侧倾力矩天系2 3 侧向力试验同时同向对两轮加载侧向力，调整轮胎接地面垂直以保持车轮中心在同定高度上，试验方法如图3 所示。加载范围：每个轮胎上轮胎接地面加载+一2 5 0 0N。表3 为侧向力加载试验的主要测试

7、参数和定义。侧向图3 侧向力加载试验示意图2 4 回正力矩试验同时同向对两轮加载回正力矩，该试验的目上海汽车2 0 0 9 0 8万方数据表3 侧向力加载试验测试参数及定义侧向力加载测试参数定义侧向力变形轮胎接地点侧向力和车轮中心侧向变形侧向力转向轮胎接地点侧向力和车轮转角侧向力外倾轮胎接地点侧向力和车轮外倾轮胎侧向刚度轮胎侧向变形和侧向力关系接地点侧向力变形轮胎接地点侧向力和侧向力变形关系的是研究车轮受到回正力时悬架系统的性能。试验如图4 所示。加载范围：每个轮胎上轮胎接地面加载+一1 5 0N m。表4 为回正试验主要测试图5 纵向力加载试验示意图参数及定义。图4回正力矩试验示意图表4回正

8、试验测试参数及定义l 回正试验测试参数定义II 回正力矩转向轮胎接地点同正力矩和车轮转角关系ll 回正力矩外倾轮胎接地点回正力矩和车轮外倾角关系I2 5 纵向力试验同时同向对两轮加载纵向力。主要测试悬架系统在受到纵向力之后的性能，试验如图5 所示。在进行纵向力试验时由于受到轮胎和托盘表面摩擦力的制约，纵向力很难加载到较大范围，悬架变形只能在线性范围内很难到达非线性区域。所以为了考察非线性区域特性，需要通过夹具将车轮和托盘固定，从而满足大纵向力加载的要求。纵向力试验主要测试参数及定义见表5。2 6 转向系统几何测试手动转动方向盘，测量转向主销各参数。加载范围：车轮转动+一5 0。主要测试结果见表

9、6。上海汽车2 0 0 9 0 8表5 纵向力加载试验测试参数及定义纵向力加载测试参数定义制动力或牵引力变形轮胎接地点纵向力和车轮中心纵向变形制动力或牵引力转向轮胎接地点纵向力和车轮转角制动力或牵引力后倾轮胎接地点纵向力和后倾角制动力外倾轮胎接地点纵向力和车轮转角关系制动力抗点头和轮胎接地点纵向力和垂向力关系牵引力抗抬头表6 转向系统几何测试参数及定义转向系统几何测试参数定义主销后倾角车轮转角和主销后倾角关系主销内倾角车轮转角和主销内倾角关系主销内倾内置量车轮转角和轮胎接地点纵向变形主销后倾偏置量车轮转角和轮胎接地点侧向变形关系主销拖距车轮转角和胎接地点变形关系3K&C 参数评价以某车型开发为

10、实例，对前、后悬架主要K&C特性参数的最优设计范围进行概括，见表7 和表8，分K 和C 两个方面。上面关于某轿车前后悬架K&C 参数的最优设计范围，主要基于所开发的特定车型。该结果对其它车型具有一定的参考价值，但具体车型还需要具体对待。4结语本文对影响整车操纵稳定性的悬架K&C 特性进行了论述。阐述了K&C 试验方法及所测试2 1 万方数据表7 某轿车前悬架K&C 参数最优设计范围前悬架K&C 参数最优设计范围K 运动学参数)静态前束角(o)一O 2 0 0 2 0静态外倾角(o)一0 5 0主销后倾角(。)5主销内倾角(o)1 3主销内倾内置量(m m)2 0偏频(H z)1 1 5 1 2

11、 5侧倾转向()3 7侧倾中心高度(a m)7 0 一1 1 2侧倾中心高度变化(r a m r a m)一2 5 2 5C(弹性运动学参数)侧向力转向(o k N)0 0 0 0 I侧向力外倾(。k N)O 2 0侧向力变形(。k N)=5制动力或牵引力转向(。k N)一0 1 0 一O 0 5制动力或牵引力后倾(。k N)一0 2 5侧向力变形(m m k N)2制动力或牵引力变形(m m k N)3 4制动力或牵引力转向(o k N)0 o o 一一0 0 5回正力矩转向(。k N)0 8参数，以某轿车开发为实例，提出了较为全面的悬架系统K&C 特性参数最优设计区域，为K&C 特性参数的

12、评价和整车操纵稳定性的设计提供了依2 2 据。由于K&C 特性参数之间互相关联，加上整车操纵稳定性的复杂性和车型的多样性，该评价体系只可作为新车开发时的参考，在对具体车型进行悬架和整车操纵稳定性开发时，还需要进行具体调试。参考文献1H B P a e e j k a S i m p l i f i e da n a l y s i so fs t e a d ys t a t et u r n i n gb e h a v i o ro fm o o rv e h i c l e，P a r t1：H a n d l i n gd i a g r a mo fs i m p l es y s

13、t e m，V e h i c l eS y s t e mD y n a m i c s，1 9 7 3(2)2【德 M 米奇克著，陈荫三译汽车动力学c 卷(第二版)M 北京：人民交通出版社，1 9 9 7 3 郭孔辉汽车操纵动力学 M 北京：吉林科学技术出版社，1 9 9 1 4 蔡章林，宋传学，安晓鹃车辆稳态同转特性的虚拟仿真 J 吉林大学学报(工学版)，2 0 0 6(3)5C a iZ h a n g l i n，S o n gC h u a n x u e，A nX i a o j E l a ne t c V i r t u a lS i r e R l a t i o nR e

14、 s e a r c ho nV e h i c l eR i d eC o m f o r t J S A Ep a p e r，2 0 0 6 0 1 6 宋传学，袁鸿，蔡章林基于多体系统动力学的悬架虚拟样机库 J 吉林大学学报(工学版)，2 0 0 8(5)7 蔡章林动态仿真技术在悬架和整车分析中的应用研究 D 吉林大学硕士学位论文，2 0 0 4 8 蔡章林基于V P D 技术的悬架设计及整车试验优化 D 吉林大学博士学位论文，2 0 0 7 A b s t r a c tH o wt oi m p r o v et h eh a n d l i n ga n ds t a b i l

15、 i t yo fv e-h i c l ei saq u e s t i o ni nt h ef r o n to fd o m e s t i ca u t o m o t i v ee n g i n e e r sw i t ht h ed a i l yi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf r o mt h ec u s t o m e r s I ta l s or e s t r i c t st h es e l fd e v e l o p m e n ta b i l i t yo fc h a s s i sk e yt e

16、 c h n i q u e s S u s p e n s i o ni st h es o u lo fv e h i c l ea sw e l la sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y I ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t es u s p e n s i o ni fy o uw a n tt or e s e a r c hh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y，a n di fy o uw a n tt oi n v e s t i g a t es

17、 u s p e n s i o ny o um u s tr e s e a r c hi t sK&Cm e t r i c s S ot h ef o l l o w i n gq u e s t i o n sw i l lb ea n s w e r e di nt h i sp a p e r：w h a ti st h eK&C?w h yd ow er e s e a r c hK&C。a n dh o wt or e s e a r c ha n de v a l u a t et h eK&Cm e t r i c s?上海汽车2 0 0 9 0 8万方数据悬架系统K&C特

18、性综述悬架系统K&C特性综述作者：蔡章林，Cai Zhanglin作者单位：泛亚汽车技术中心有限公司刊名：上海汽车英文刊名：SHANGHAI AUTO年，卷(期)：2009，(8)引用次数：0次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.H B Pacejka Simplified analysis of steady state turning behavior of motor vehicle,Part 1:Handlingdiagram of simple system 1973(2)2.M 米奇克.陈荫三 汽车动力学C卷 19973.郭孔辉 汽车操纵动力学 19914.蔡章林.宋传学.安晓鹃

19、 车辆稳态回转特性的虚拟仿真 2006(3)5.Cai Zhanglin.Song Chuanxue.An Xiaojuan Virtual Simulation Research on Vehicle Ride Comfort 2006(1)6.宋传学.袁鸿.蔡章林 基于多体系统动力学的悬架虚拟样机库期刊论文-吉林大学学报(工学版)2008(5)7.蔡章林 动态仿真技术在悬架和整车分析中的应用研究 20048.蔡章林 基于VPD技术的悬架设计及整车试验优化 2007 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 孟冰忱.冯传荣.宋新华 汽车电子控制悬架系统-山东交通科技2002(4)介绍

20、了汽车的电子控制半主动悬架系统和电子控制主动悬架系统的工作原理。2.学位论文 陈弘 MATLAB软件在汽车悬架系统的模拟与分析中的应用 2000 该文分别对汽车的被动且要系统和主动悬架系统建立了双轴四自由度的模型,列出了这两种模型的状态方程,并结合现代控制理论中的线性调节器理论对主动悬架的控制原理进行了分析.该文在分析悬架系统工作特性的基础上使用了C语言对MATLAB软件进行了二次开发,开发出的这套软件它能对不同型号的被动悬架系统和主动悬架系统汽车进行模拟仿真,并进行分析,因此命名为SAS软件(以下简称SAS).利用SAS软件对被、主动悬架进行了模拟分析,根据模拟的结果对被动悬架和主动悬架汽车

21、的性能进行了对比分析,并对其平顺性进行了评价.3.期刊论文 宋毅 主动悬架系统对汽车侧翻稳定性的改善分析-公路与汽运2006(1)针对被动悬架系统侧翻稳定性较差的问题,提出采用主动悬架系统的方法进行改善.通过汽车侧倾运动状态分析,建立了被动悬架系统、主动悬架系统和控制系统模型.模拟分析表明,主动悬架系统使汽车在弯道行驶时的侧倾角有效值下降92.8%,侧倾角加速度有效值下降78.2%,侧翻因子有效值下降92.6%.结果表明,利用主动悬架系统可有效降低汽车非直线行驶时的侧倾角及侧倾角加速度,提高汽车的侧翻稳定性,采用主动悬架系统是提高汽车非直线行驶状态下安全性的一个合理的解决方案.4.期刊论文 苏

22、小平.殷晨波.魏学军.苏家竹 IVECO汽车悬架系统性能参数设计方法-公路交通科技2004,21(11)本文给出一种IVECO汽车面向行驶平顺性分析的简化仿真模型,应用仿真模型对某型号IVECO汽车进行随机不平路面输入下的汽车悬架系统性能参数仿真试验研究,得出了悬架系统性能参数对汽车行驶平顺性指标-车身振动加速度均方根值的影响规律,为确定该车悬架系统性能参数优化设计的设计空间和初始值提供依据.5.学位论文 鲍明全 汽车悬架系统的动力学仿真研究 2007 汽车悬架系统是汽车性能的主要指标之一，自汽车问世以来，悬架系统的设计一直倍受关注。现如今，人们在追求轿车高性能的同时，对轻型卡车性能的要求也越

23、来越高。随着独立悬架在轻型卡车上的广泛使用，汽车的行驶平顺性和操纵稳定性之间的矛盾越来越受到研究人员的重视。因此开展轻型卡车悬架系统的运动学动力学研究具有理论价值和实际意义。本论文以某轻卡的双横臂式独立前悬架系统为研究对象，运用多刚体系统动力学理论和ADAMS软件，从改善原悬架参数性能的角度，对悬架系统进行了运动学动力学仿真，研究悬架系统对整车操纵稳定性的影响。本文首先介绍了汽车悬架系统的基本组成、设计要求。论述了多刚体系统动力学理论，并介绍了利用ADAMS软件进行运动学、静力学、动力学分析的理论基础。本文基于ADAMS/View模块建立了双横臂式独立前悬架子系统，以及建立整个前悬架系统模型所

24、需要的转向系、轮胎等子系统，并根据仿真要求装配前悬架仿真模型。本文基于汽车操纵稳定性，从理论上分析悬架系统与操纵稳定性的关系，对前悬架模型进行了运动学、动力学仿真计算，并运用解析计算的方法对仿真结果进行理论验证。本文对在车轮上下跳动时车轮外倾角、前束角、主销后倾角、主销内倾角等车轮定位参数的变化规律及汽车侧倾运动时悬架垂直刚度、侧倾刚度、侧倾中心高度等侧倾参数的变化规律进行了仿真，并且利用现有的汽车理论知识以及前人的经验对仿真特性曲线进行分析，发现原悬架存在不合理的地方，并针对存在的问题提出了六种解决方案。最后，通过调整前悬架的梯形断开点Z坐标的位置，并对调整后的悬架系统进行仿真分析，对比了不

25、同断开点Z坐标的位置对汽车操纵稳定性的影响，从中选出将原车的断点Z坐标增加1 mm的最优方案，从而使原悬架各个参数的性能得到了改善。通过本课题的研究为悬架系统的结构设计、改进及开发提供较为有效的解决方法，并对今后改善被动悬架系统的操纵稳定性具有重要的指导意义，也将有益于今后汽车工业产品的开发和改进设计。6.期刊论文 于江.赵凤杰.Yu Jiang.Zhao Fenjie 电磁悬浮技术在汽车悬架系统中的应用-辽宁省交通高等专科学校学报2008,10(2)汽车悬架系统承受着路面传给汽车车轮的各个方向的力,同时担负着保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的重任,是汽车各总成中磨损较为严重的部分之一.本文借鉴

26、电磁悬浮技术在磁悬浮列车上的成功应用,结合汽车悬架系统的基本结构,提出电磁式电控悬架的想法,并把传统的电控悬架的特点与之相比较.电磁式电控悬架在一定程度上减少了摩擦,增加行驶平顺性,简化悬架结构.7.学位论文 郭小刚 汽车半主动悬架系统的模糊控制 2007 悬架系统与汽车行驶的平顺性和操纵稳定性有着密切的关系。由于被动悬架的结构参数不能随外界的条件而变化，因此很难进一步提高汽车行驶的平顺性。主动悬架克服了被动悬架的缺陷，但其能耗大、成本高，目前尚未得到广泛应用。而半主动悬架的阻尼、弹簧刚度等结构参数能跟据需要进行调整，可以很好地满足平顺性的要求。与主动悬架相比，半主动悬架的结构简单、价格低，因

27、而成为汽车工业界的研究热点。悬架系统的性能与汽车行驶平稳性有着密切联系，一直是该领域的重要研究课题。本文对国内外上述相关研究进行了综述，重点讨论了汽车半主动悬架系统模糊控制器的设计问题。论文的主要工作包括三方面：首先，建立了六自由度汽车被动悬架和半主动悬架系统的对角型数学模型；其次，针对半主动悬架系统设计了模糊控制器，运用MATLAB模糊逻辑工具箱建立半主动悬架系统模糊控制器；最后，用MATLAB软件对被动悬架系统和模糊控制下的半主动悬架系统进行了仿真分析。仿真结果表明了模糊控制的有效性。本文的创新之处是建立了悬架系统对角型数学模型。8.期刊论文 陶永林.苗福生.TAO Yonglin.MIA

28、O Fusheng 汽车主动悬架系统的离散最优控制-宁夏工程技术2008,7(4)为改善汽车乘坐舒适性和操作性,研究1/4汽车主动悬架系统的离散最优控制问题,给出汽车主动悬架系统的离散化模型,并通过引入路面扰动补偿向量,给出悬架系统的有限时域前馈反馈最优控制律.通过求解矩阵微分方程得到扰动补偿向量.该控制律容易实现,对由路面引起的振动有明显的抑制作用.9.期刊论文 余强.马建.YU Qiang.MA Jian 主动悬架系统对汽车侧翻稳定性改善分析-中国公路学报2005,18(3)针对被动悬架系统侧翻稳定性比较差的问题,提出采用主动悬架系统的方法进行改善.通过汽车侧倾运动状态分析,建立了被动悬架

29、系统、主动悬架系统和控制系统模型.模拟分析得到主动悬架系统使得汽车在弯道行驶时的侧倾角有效值下降了92.8%,侧倾角加速度有效值下降了78.2%,侧翻因子有效值下降了92.6%.结果表明:利用主动悬架系统可以有效地降低汽车非直线行驶时的侧倾角以及侧倾角加速度,提高汽车的侧翻稳定性,是提高汽车非直线行驶状态下安全性的一个合理的解决方案.10.学位论文 潘志鹏 汽车空气悬架系统的最优控制研究 2009 空气弹簧利用给橡胶气囊充放气可灵活改变其刚度特性，可以根据要求设计出理想的刚度曲线，安装有空气悬架的汽车车轮动载荷小，可以获得良好的行驶平顺性、操纵稳定性和行驶安全性，减小了高速行驶车辆对路面的破坏

30、。采用最优控制策略的悬架能有效降低车身振动加速度，减小了轮胎动变形和轮胎动载荷，明显改善了汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，使悬架能更好地发挥其作用，因此对空气悬架的最优控制研究，无论对车辆本身还是对驾驶员都有重要意义。本文主要研究问题如下：对带附加气室空气悬架的车辆进行了力学分析，基于流体力学建立带附加气室空气弹簧的非线性动态方程，在此基础上建立了两自由度汽车空气悬架系统的状态空间模型。在所建立的两自由度汽车空气悬架系统的状态空间模型的基础上，考虑了在悬架长时间的运作下导致的阻尼系数的变化，加入了附加控制阻尼来调节原有阻尼系数，建立了新的两自由度汽车空气悬架系统的状态空间模型。以尽可能降低车身垂直加速度和轮胎动变形、提高乘坐舒适性为目标，采用最优控制方法对带附加气室空气悬架系统进行控制，通过求最优控制力来算出所加入的可调附加控制阻尼，从而实现对空气悬架的最优控制。建立路面输入模型，并选取适当的车辆参数，基于MATLAB/Simulink对所建立的带附加气室空气悬架系统进行仿真试验分析，仿真结果表明：采用最优控制策略的悬架有效降低车身振动加速度，减小了轮胎动变形和轮胎动载荷，明显改善了汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。本文对带附加气室空气悬架系统进行了理论上的研究，为今后汽车空气悬架系统的优化设计和控制提供了理论依据。本文链接：http:/