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商用车底盘调教研究
摘要
这篇论文展示了商用车底盘调教的研究，其后悬采用双极钢板弹簧和前悬采用双横臂式扭杆式结构。为了平衡汽车操作稳定性和驾驶舒适性，非常有必要调教底盘悬架关键参数，包括钢板弹簧的弹性刚度、接触载荷，横向稳定杆的扭转刚度，前后减震器的力性曲线等。商用车的底盘调教应放在首位。在计划流程图中，前后悬架的运动学和静力学在调教的开始阶段要被检查。通过使用板式轮胎检测仪来测试轮胎的力学特性。间接测量汽车惯性参数。测量出前后悬的Kamp;C特性并和标杆车作对比。然后商用车的虚拟模型被建立，汽车操作稳定性和乘坐舒适性来加以验证。然后虚拟模型的操作稳定性和乘坐舒适性被仿真分析。之后，利用经典遗传算法来指导底盘参数的虚拟分析进一步使参数优化。根据优化结果，生产几组悬架模型样件，然后这些样件直接安装在商用车上进行DOE测试。最后样品车的主客观评价分成不同的组别来执行。结果显示调教商用车的操纵稳定性显著提升，并且减少了成本和周期。
绪言
随着中国经济的发展和高速公路的增加，商用车被广泛的使用。顾客对商用车的性能要求越来越高。考虑到空载状态下商用车的乘坐舒适性，变刚度的悬架系统被采用。对于这种悬架形式，在整个底盘调教过程中，接触载荷和第一、二阶段的刚度被特别重视。当第二阶段弹簧的刚度装上车时，接触载荷是施加在悬架上的载荷。
在车辆开发过程中，底盘调教是非常重要的一方面。因为操作稳定性和乘坐舒适性经常相互矛盾，汽车乘坐舒适性的提高会导致操纵稳定性的下降。对于底盘设计来说，怎么找到两个性能之间的平衡是至关重要的。因此，底盘调校是实现车辆乘坐的舒适性和操控性之间的最佳平衡。目前，在国内市场上汽车底盘调教是以对标车为基础，它主要是一个专家团队提供一个可靠的主观评价以获得一个可靠的汽车性能。在底盘调教开始前，底盘调教目标应该包含主观评价目标和客观测试目标，必须根据对标车先确定。然后根据实际产品开发的情况确定一个可靠的调教计划，然后根据计划执行。底盘调教技术经常结合主观和客观评价，可以在前期的计划和底盘性能优化中给产品正确的方向。
商用车悬架调教的流程
论文中商用车包含双极钢板弹簧式后悬和双横臂扭杆式前悬，为了平衡在不同载荷下车辆的操作稳定性和乘坐舒适性，如半载和满载。
商用车的调教主要调整参数包括弹簧的两阶段刚度，弹簧的接触载荷，扭杆的扭转刚性，前部和后部阻尼器的力曲线和衬套的径向刚度。然后，提出了一个物理商用车的底盘调谐过程中，如图1所示。在该流程图中，运动学和前、后悬架的静力学首先检查。然后轮胎机械特性进行了试验，也测量了车辆的惯性参数。与此同时，物理商用车的弹簧刚度，横向稳定杆的刚度和衬套刚度的测试分别进行。该前部和后部悬架的K＆C特性分别进行测试，并与基准车辆的相比这是非常重要的。然后商用车的虚拟模型成立，并基于车辆的试验验证。接下来，虚拟模型的操控性和驾驶性能分别通过仿真分析。在这之后，一个经典遗传算法用来进行优化，并最终得到的最佳参数。根据优化的结果，制造了多套悬架的样品，然后将其分别安装于商用车进行DOE测试方法。最后，车辆的主观和客观的评价试验在不同的组分别进行。根据测试结果，最终的优化方案被确定，底盘调校的目的实现。
图1、商用车底盘调教流程
前后悬架运动学和结构力学的检测
通过对汽车在一百多年的发展，无数前辈取得并通过摸索和反复练习积累了大量的汽车设计的基本规则。许多设计参数或它们之间的关系通常满足一定的规则或它们在特定范围内。底盘调教开始前，前后悬架的运动学和静态常常需要进行检查[7-8]。前后悬架运动学主要包括：
- 1) 前后悬架的静态偏转和动态偏转;
- 2) 前后悬架和变形转弯的定位参数;
- 3) 前部和后部辊中心高度;
- 4) 在纵向方向上悬挂的质量中心高度和质量中心位置;
- 5) 在纵向方向上的侧倾中心位置和侧倾中心高度。
- 6) 前后悬架静力学主要包括：
- 7) 前部和后部的悬架负荷分布和质量分布系数;
- 8) 前后悬架固有振动频率和频率比;
- 9) 前后悬架的阻尼比;
- 10) 悬挂质量和非悬挂质量的质量比;
- 11) 前后悬架的侧倾角刚度比;
- 12) 0.4g横向加速度条件下的车体的侧倾角;
- 13) 变刚度悬挂的刚度分布。
只有前后悬架的运动学和静力学检查全部合格，它们的值应在一定范围内，可在底盘调教继续进入下一个阶段。否则，不管如何调整车辆底盘，理想的调整效果是无法实现的。最后，你需要修改的基本参数，然后再次开始底盘调校，这将需要大量的时间和人力。
子系统模型的测试
鉴于“基准”车辆底盘调校后，车辆子系统的特点，可以通过测试，这是车辆子系统的建模的基础上获得的。根据实际的工程的情况下，一些子系统不需要改变或优化，如车轮的轮胎和制动系统。也就是说在工程实际情况它们的参数并不总是改变。这将减少一些不必要的底盘校准测试。在论文子系统测试主要包括轮胎，前后悬架，转向系统，制动系统，动力系统和车身。在底盘调校的过程前后悬架的K＆C特性是调教的最重要的参数。
因为在商用车操作稳定性上轮胎有着重要的影响，它们是车辆的建模的关键因素与虚拟仿真和优化的基础。所以轮胎机械特性，必须通过试验精确地获得。
车体和动力系统的惯性参数也对操纵稳定性的重要作用，并且它们需要测试或通过试验估计。
轮胎机械特性的检测和模型
如众所周知，优化精度有很大程度上取决于所建立的模型的准确度。轮胎的性能参数对车辆的稳定性和乘坐舒适性一个非常重要的作用，因此，有必要研究车辆轮胎的机械性能，可确保虚拟模型和实际的轮胎性能的一致性。在商用车的全部四个所使用的轮胎是相同的，它们的轮胎压力也是相同的，所以我们只测试一个轮胎。轮胎机械特性通过使用板型轮胎试验机测试，如示于图2的轮胎试验运行包括轮胎角度机械性质，轮胎的制动/驱动机械性质，轮胎外倾角和稳态横向力学性能测试中，轮胎的滑动特性测试相结合转弯和刹车/驾驶和轮胎滑动特性测试结合弯度和制动/驾驶。轮胎机械特性的一些曲线给出，如图3，图4和图5。其余的策划放置在Appendix I。接着用装置获得的魔术公式轮胎模型（Pac2002）。所以，你可以输入属性文件（Pac2002）到商用车的内置多体模型进行优化和调整车型。
图2.轮胎机械特性的测定 图3.轮胎压力475kPa, Fy – alpha;关系曲线
图4.轮胎压力475kPa, Fy – alpha;关系曲线 图5.轮胎压力475kPa, Fy – alpha;关系曲线
弹簧刚度，减振器阻尼，稳定杆刚度和衬套刚度的测试
在商用车的发展或改进阶段，原来悬挂部件的性能需要进行测试以获得基准的基本参数。这是一个新的车辆的发展或改进的基础，以及用于建立的虚拟模型和所述虚拟仿真校准的基础。根据基准的实际情况，悬挂部件测试包括可变钢板弹簧的刚度试验、阻尼前后减震器、稳定杆刚度的角度测试、橡胶衬套刚度试验的力曲线测试。由可变板簧的刚度试验中，双级刚度和弹簧的接触载荷的数值可以得到。为在有限的空间，图6是可变板簧的刚度试验以及图7是减震器的阻尼测试。
图6.可变板簧的刚度试验
图7.减震器的阻尼测试
惯性测量参数
商用车辆的大型装配部件的惯性参数也将在优化和调整虚拟底盘的过程中对操纵稳定性产生影响。它们的值通常由试验得到或通过试验估计。
在商用车辆的发展，一个较大的装配部件的惯性参数（如动力总成，簧载质量）是在大多数情况下是未知的，他们预先估计基于基准车辆。然后这些参数通常通过试验的方法中的虚拟模型与实车试验比较得到的。这个过程是麻烦的和结果的准确性很难相信。本文试图采用实验方法来获取动力总成的所有惯性参数和一些簧载质量惯性参数。
动力系统的刚度通常可以忽略，因此，我们可以利用振动传递函数的方法来测量动力系的惯性参数，如图8，采用振动激励器，以测试动力系的惯性参数的阻尼。
作为商用车辆的簧载质量是相当大的，惯性参数的测量是困难的。这里商用车的几个惯性参数，通过使用自由振动衰减方法中，作为图9所测得的惯性参数分别悬挂质量，围绕X和Y轴的转动惯量的中心位置的坐标测量。虽然普遍通过试验的方法在虚拟模型与实车试验获得比较绕Z轴的转动惯量。
图8.动力系的惯性参数的阻尼测试
图9.簧载质量惯性参数测试
悬架K＆C特性测试和建模
前部和后部悬架的K＆C特性是在底盘调校的过程中调教的最重要的参数。 ķ特征被描述为车轮定位参数的悬架弹簧的变形与转向过程中的变化。 ccedil;特征是指轮胎和地面之间的力和力矩的车轮定位参数的变化。他们一起称为悬挂K＆C特性。在论文中，其主要研究了前束角，外倾角，侧倾角和主销后倾角度悬架跳跃的变化。轮中心（轮轨道）和车轮中心的纵向位移（轴距）的变化的横向位移变化也被研究了在测试和调整的过程。
第一基准车辆的前部和后部悬架的K＆C特性（图10）分别进行测试。然后目标车辆的前后悬架的虚拟模型分别建立，并且它们重复进行调教，直到根据测试数据设置。在这里，在本文中，我们给前悬架模型的仅四个定位参数曲线与车轮中心的垂直位移和车轮中心的横向位移的变化（轮距）和纵向位移沿（轴距）的变化，它们分别在图13中，14，15，16，17，18为后悬挂所示，在车轮中心侧倾中心的高度和侧倾角刚度变化分别见图19和20。
图10.Kamp;C特性测试 图11.前悬挂模式
图12.后悬挂模式 图13.车轮前束角与车轮中心垂直位移变化曲线
图14. 车轮外倾角与车轮中心垂直位移变化曲线 图15.轮主销后倾角与车轮中心垂直位移变化曲线
图16. 主销倾角与车轮中心垂直位移变化曲线 图17.车轮中心纵向位移（轴距）的曲线与车轮中心垂直位移变化
图18. 车轮中心横向位移（轮轨）的曲线与车轮中心垂直位移变化 图19.侧倾中心高度与车轮中心垂直位移变化曲线
图20. 与车轮中心的侧倾角位移侧倾角刚度变化的曲线
车辆模型和验证
虚拟车辆模型为整车的虚拟调音准备。由前面的内容，所述虚拟模型（例如围绕Z轴商用车体转动惯量）的某些参数估计，以及车轮模型是不完美的，目前与车辆系统的非线性始终存在。这些因素始终使虚拟模型和实际车辆之间的一些差异。因此，通常需要根据实际车辆的实验数据，以验证所建立的虚拟模型。商用车辆的虚拟模型示于图21的图22和23是分别的处理和试验和仿真的稳定性比较。从图22和23，你可以认为所建立的虚拟车辆模型是正确和有效的。
图21. 商用车的虚拟模型 图22. 试验的比较和仿真中的稳态回转试验
图23. 试验的比较和仿真在蛇行绕桩测试中
仿真优化（虚拟调音）
无数设置详尽的主观评价会产生大量的原型和发展的很长一段时间。为此，提出了一个虚拟调教方法，除了减少工作时间和原型数字，产生改进的和准确的结果。车辆模型的虚拟调教在本质上是模拟优化的过程。通常，模拟优化是通过使用优化算法与虚拟车辆模型的仿真完成。而优化算法在Matlab环境编程，遗传算法NSGA-II是经典和在大多数情况下，[9-10]使用。
在该文件中，优化的参数为前后悬挂参数，这是前扭杆的扭转刚度，复合刚度和后悬挂的接触载荷，前后阻尼曲线系数，前部和后部稳定杆的扭转刚度。调教目标始终是提高操控性和稳定性或乘坐舒适性。通常情况下，遗传算法优化会得到一些成果，所以我们可以根据前集中选择几个最优化的结果。在这以后，前后悬架的样品可以在选定的参数方面来制造。
DOE现场测试与分析
规范设置的底盘调校样品
基于所述调教悬挂参数，分别产生两组双台板簧组件的，二种衬套，两条扭杆和五套前后阻尼器以生成用于商用车辆的实际底盘调教不同的组合。抛物线钢板弹簧的样品，扭杆样品和阻尼器分别显示在图24和25中中，有些是减震器其他类型的商用车的现有产品，但他们的减震性能均符合优化的结果。两种衬套已经分别安装到两种板簧，如图24。
图24. 三组弹簧的样本
图25. 双扭杆样本
DOE测试
在整个系统的研究中，试验的设计是一个系统的途径，像一辆车。一系列的结构试验按照既定的计划输入系统的变量。这些变化的影响在已定义好的输出分别评估。在这项研究中，DOE测试主要是为了产生基于不同的悬挂样品测试组合来评估他们的车辆性能。也就是说有18个不同的组。DOE测试，其中包括客观测试和操纵稳定性和乘坐舒适性的主观评价，在汽车试验场分别进行。为了节省测试时间，客观测试操控性和稳定性仅在稳态回转和蛇行绕桩的状态下进行，并只有在B级公路或选择的道路上进行的驾乘舒适性的客观测试。图26是测试商用车辆的操控性和稳定性的设备和图27是测试车辆乘坐舒适性的设备。
图26.是测试商用车辆的操控性和稳定性的设备
图27.测试车辆乘坐舒适性的设备
值得注意的是，轮子的位置参数需要被再次测量，检查它是否与已改变悬挂弹性元件后悬架的设计需求相符是很重要的。否则，就必须调整弹性件的预紧力，如图28。
图28.车轮定位参数的测试和调整
通过处理所述测试数据，客观测量的结果被示于表1。应当注意的是，表中的第一列是18种不同的组合（
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