前文中介绍了整车尺寸及比例,它们都对造型有着重要的影响。这里还有一个重要参数不得不提,那就是整车姿态,它同时影响造型和整车通过性。
在定义整车姿态前,需要先了解地面线,地面线是为了便于设计,在设计图上保持车身位置不动,在不同载荷条件下将地面相对车身的位置简化到整车纵向对称平面的线条,如图4-8所示。通常采用整备质量状态(也称空载,curb weight)、设计质量状态(也称半载,design weight)和满载质量状态(也称全载,gross weight)三条地面线,也可根据设计需求添加其他载荷条件下的地面线,如卖车时展示状态(与整备状态相比,油箱加油少或没有油)、碰撞试验载荷下的碰撞状态(需要准确确定受碰撞部位的高度位置),以及不同乘员数量状态等。也可以将对应的载荷状态反映到设计图上,使主机厂可以根据自己的需求进行地面线数量的选择。
表征整车姿态的另外一个直观参数是轮胎轮眉间隙,即在过车轮中心的垂直方向上轮胎和轮眉的间隙尺寸。不恰当的前后轮胎轮眉间隙值可以直接影响到整车造型的协调性,乘用车设计时一般设定整备状态的轮胎轮眉间隙,通常越野车具有较大的轮胎轮眉间隙、跑车具有较小的轮胎轮眉间隙。为保证量产车辆整车姿态满足设定要求,需要在整车设计各阶段对姿态进行实时监控,而后期样车验证阶段和量产阶段,为便于测量,通常在水平路面上测量轮眉离地高度值,来间接控制轮胎轮眉间隙。
整车姿态(也称车身姿态)通常用车身门槛梁下沿与地面在整车纵向对称平面内形成的夹角来定义,在数据上就是车身门槛梁下沿与地面线的夹角 α 。整车姿态角与地面线对应,通常有空载姿态、设计状态姿态和满载姿态。
图4-8 整车姿态及地面线
如何确定整车姿态?
从整车姿态的定义中可以看出与整车姿态直接变化相关的因素(忽略整车前后变化的影响)具体包括:
1)前轮在不同载荷下的上下位移量。
2)后轮在不同载荷下的上下位移量。
3)前后轮在不同载荷下的上下位移量引起的地面线与门槛下沿线夹角的变化。
4)以上变化造成的轮胎轮眉间隙的变化,以及车身上侧部纵向线条角度的变化。
正是这些变化,给人们造成的感觉是整车的姿态看起来变化了。并且给人留下以下的印象:
1)该车前低后高,感觉该车负荷不重、具有运动感。
2)该车前高后低,翘头了,感觉该车负荷重、跑不快、方向不好控制。
3)该车前后平衡,中规中矩,感觉运动性一般。
4)这个车是越野车、这个车是跑车等。
正因为不同的整车姿态会给人造成不同的印象,从而影响购买欲,因此,主机厂通常都会对整车姿态给予特别的重视。对不同用途的车型,采取符合人们审美的姿态进行设计,而且必须与时俱进!因此,对于整车集成工程师,要对整车造型的趋势有一定的了解,选择合适的整车姿态!
我们来看看如何进行整车姿态的设计。从整车姿态相关因素可以看出,整车姿态角不仅与底盘悬架在不同载荷下变化有关,也与车身门槛下沿初始位置相关,而底盘悬架在不同载荷下的变化与悬架刚度以及是否有行程主动调节功能相关,而门槛下沿线是可以根据整车姿态来定义的。由于具有行程主动调节功能的悬架通常情况下可以只设计一个姿态,因此,我们这里介绍相对复杂的,没有悬架行程主动调节功能的整车姿态(或地面线)的确定方法。
1.整车坐标系的确定
如图4-9所示,对全新开发的车型来说,一般非承载式车身汽车取车架上某一平直段上端面(承载式车身汽车取车门槛梁一段平直的下沿)为参考平面,与之平行并通过设计载荷状态下前轮心点的平面作为 XY 平面,过前轮轮心连线且与 XY 平面垂直的面做 YZ 面;整车纵向对称面为 ZX 面。设计质量状态的前轮轮心点通常设为坐标原点。对基于某平台开发的车型来说,整车坐标系沿用原坐标系。通常 X 坐标正向为车尾方向, Y 坐标正向为车辆右侧, Z 坐标正向为向上。
图4-9 整车坐标系
2.前后轮心坐标的确定
X 坐标值设定:前轮心 X 坐标可取0,后轮心 X 坐标值根据轴距确定。
Y 坐标值设定:前后轮心 Y 坐标值根据前后轮距,并结合车轮倾角设定。
式中 B ——轮距;
R ——轮胎静力半径;
θ ——车轮外倾角。
Z 坐标值的设定:前轮心 Z 坐标值可取0,后轮心 Z 坐标需要根据设计质量状态下的整车姿态角确定,通常该姿态角为预先确定的目标值。
3.前后轴荷变化的确定
首先确定整备质量,然后根据乘员及货物加载质量推算其他状态的质量和轴荷,某状态下的前轴荷计算公式为:
其中 M f ——某质量状态前轴荷(kg);
M r ——某质量状态后轴荷(kg);
M f0 ——整备状态前轴荷(kg);
M r0 ——整备状态后轴荷(kg);
Δ M r ——后轴荷的加载变化量(kg);
m 1 ——前排乘员规定体重(kg);
m 2 ——后排乘员规定体重(kg);
m 3 ——货物质量(kg);
L ——轴距(mm);
L 1 ——前排R点到前轮心的距离(mm);
L 2 ——后排R点到前轮心的距离(mm);
L 3 ——行李舱中心到前轮心的距离(mm)。
根据GB/T5910—1998《轿车质量分布》的要求,可调整座椅质量加载点在 R 点前移100mm,不可调节座椅加载点在 R 点基础上前移50mm。
4.不同轴荷下轮心点坐标的计算
在整备状态时的轮心坐标值的基础上,通过下列公式推算出半载、满载状态轮心 Z 坐标值:
式中 Z 1 ——某状态下(半载/满载)的轮心 Z 坐标值;
Z 0 ——整备状态下的轮心 Z 坐标值;
M 1 ——某状态下(半载/满载)的轮荷(kg);
M 0 ——整备状态下的轮荷(kg);
K ——悬架刚度(N/mm);
g ——重力加速度(9.8m/s 2 )。
5.轮胎半径的确定
对一般乘用车而言,整备质量状态时前后轮胎半径差异在5mm左右,而在不同整车质量状态下,车轮半径变化可达5mm以上,不能简单地把轮胎半径视为固定值。轮胎在不同载荷下的变形量最好由轮胎制造商提供,也可以按照GB/T 2978—2014《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》进行计算。
轮胎受载负荷下变形量 h c (cm)的经验计算公式:
式中 K =15×10 -3 B +0.42;
C 1 ——轮胎设计参数,取1.5;
Q ——轮胎负荷(10N);
B ——轮胎充气断面宽(cm);
D ——轮胎充气外直径(cm);
P ——轮胎充气压力(100kPa)。
6.地面线的确定
根据某载荷状态下的轮胎半径和轮心点相对设计质量状态轮心点变化量,计算该轴荷下轮胎接地点 Z f 、 Z r 坐标,连接 Z f 、 Z r 两点,即可得到该载荷状态下的地面线:
Z f = Z 1 -R + h cf
Z r = Z 2 -R + h cr
式中 Z f ——某载荷状态下前轮胎接地点;
Z r ——某载荷状态下后轮胎接地点;
R ——轮胎半径(cm);
Z 1 ——前轮轮心坐标;
Z 2 ——后轮轮心坐标;
h cf ——前轮胎某载荷下的压缩量;
h cr ——后轮胎某载荷下的压缩量。
7.整车姿态角的确定
测量地面线与 XY 平面之间的夹角,即为整车姿态角。地面线前高后低为正值,前低后高为负值。
整车通过性是指汽车通过粗糙(坑洼、凸起、起伏和坡道)路面的能力,是汽车总布置设计中必须考虑的重要因素之一,在前期设计中对整车通过性参数要明确定义,确定目标值,设计时要满足通过性要求。
整车通过性参数如图4-10所示,包括:
A106-1:接近角,指在静载下,地面线与前车轮轮胎和前保险杠下沿切点连线平面之间的最大夹角
A106-2:离去角,指在静载下,地面线与后车轮轮胎,后保险杠下沿切点连线平面之间的最大夹角
A147:纵向通过角,指在静载下,垂直于车辆纵向中心平面,分别与前、后车轮轮胎、车身底部最下位置相切的圆弧,过车身底部切点分别连接车轮的两个切点形成的最小锐角。这个角度决定了车辆所能通过的最陡坡道
H156:最小离地间隙,离地间隙指地面与下车体(含底盘)到地面线的高度,不同的地面线有不同的离地间隙,如用得比较多的有空载离地间隙、设计状态离地间隙和满载离地间隙。最小离地间隙是指车辆中间区域内的最低点至车辆支承平面的距离,中间区域为平行于 Y 平面且与其等距离的两平面之间所包含的部分,两平面之间的距离为同一轴上两端车轮内缘最小距离的80%。另外,不同部位的离地间隙也包括:H103-1(前保险杠离地间隙)、H111-1(门槛梁前端最小离地间隙)、H111-2(门槛梁后端最小离地间隙)和H103-2(后保险杠离地间隙)
A:横向通过角,车轮内侧80%范围内,过轮胎切点,并与下车体最低点相切位置,两条线的夹角
图4-10 整车通过性参数
整车通过性是整车性能中的一个重要指标,特别是对越野型的SUV等车型,最小离地间隙越大越好。