悬架特征参数试验利用复杂的液压伺服或电动控制系统为悬架系统提供特定输入,通过测量悬架和转向系统的运动及载荷,获得悬架的几何运动学及弹性运动学特性参数,即K&C参数。悬架K&C试验可以验证预生产车型的悬架特性、分析竞品车辆特性、为车辆模型提供数据,并为量化操稳主观评估的结果和分析相关操稳问题提供依据。
常见的试验系统分为两种:①车身固定,车轮随液压电机系统运动,以MTS试验台为代表,测试结果反映了车身相对车轮姿态的变化情况;②车身随液压电机系统运动,以ABD试验台为代表,测试结果反映了车身相对地面和车轮相对车身的变化情况。两种测量结果可以相互转换。在车身侧倾工况下,车轮相对于路面的外倾角变化更有意义。
以MTS试验台为例,共有6个常见的K&C试验工况。这些试验试图根据行驶中车辆悬架的实际工况,将复杂的悬架特性解耦,分别从不同方面描述悬架的几何运动和弹性运动学特性,包括轮跳试验、侧倾试验、侧向力弹性运动学试验、回正力矩弹性运动学试验、纵向力弹性运动学试验和转向几何试验。这些试验的输入、输出和由此处理出的K&C关键指标集中列在表3.2中,其中转向主销几何参数的估计可以参考《MTS的K&C试验定义和分析》 [3] 和《基于转向试验的车辆主销定位参数完整解算》 [4] 。
表3.2 典型的K&C试验的输入、输出及处理出的K&C指标
轮跳试验的目的是在不同的悬架高度,确定轮胎在特定垂向力输入下垂向位置、前束角和外倾角的变化。输入为轮胎接地处的同相垂向位移,输出为轮胎接地处的垂向力、前束角、外倾角,以及纵向/侧向/垂向的轮心位移。可以从该测试得出的指标包括悬架刚度、轮胎径向刚度、轮跳转向、轮跳外倾、侧视摆臂角、前视摆臂变化、轮距和轮跳主销后倾变化。典型的试验数据曲线如图3.52~图3.54所示。从轮心位移和轮心垂向力可以计算得出悬架刚度,并进一步计算得出缓冲块在轮心处的当量间隙、缓冲块初始刚度以及估计出缓冲块在大变形时的特性。将轮心的指标和变形量转换成弹簧元件、缓冲块本身的特性曲线,需要轮心位移 z w 和悬架元件变形 z s 之间的杠杆比。弹簧的杠杆比定义为
图3.52 轮胎接地处同相垂向位移和轮胎接地处垂向力试验数据
图3.53 轮胎接地处同相垂向位移和车轮转向角试验数据
图3.54 轮胎接地处同相垂向位移和车轮外倾角试验数据
在设计位置,杠杆比是悬架结构形式和硬点位置的函数,也是车轮垂向位置的函数。杠杆比曲线可以方便地用多体力学软件仿真出来。轮心位置的悬架刚度、缓冲块刚度、减振器特性等是弹簧、缓冲块、减振器元件特性乘以杠杆比二次方的关系,而轮心处受力是弹减受力乘以杠杆比的关系。因为杠杆比的非线性特性,这些关系也是非线性关系。提高杠杆比是提高悬架元件效率以及调校有效性的必要条件。如弹簧在轮心的刚度 K ws 和轮心的垂向力 F ws 可表达为:
悬架侧倾试验的输入是轮胎接地处的反向垂向位移,输出是轮胎垂向力、转向角、外倾角、以及轮心的纵向/侧向/垂向位移。在侧倾试验中,轮胎接地平台在垂向移动的同时侧倾,以便保持左右轮胎在同一个平面上,同时轮胎平台也垂向移动以保持车辆的轴荷不变。悬架侧倾试验目的是在预定的悬架高度,确定悬架的侧倾角刚度、侧倾转向和侧倾外倾特性。
侧向力弹性运动学试验的输入是轮胎接地处同向或反向的侧向力,输出是轮胎垂向力、前束角、外倾角变化量和轮心侧向位移。该试验的目的是在预定的悬架高度,确定轮胎的侧向力对车轮横向位移、前束角和外倾角的影响。可以从该试验得出的另一个指标是侧倾中心高度 H RC ,由来自施加同相轮胎侧向力 F y l 和 F y r 引起的垂向力的变化,根据绕侧倾中心的力矩平衡计算而来(式3.12)。相比于由轮跳试验的轮胎印记中心轨迹预测的几何侧倾中心,由侧向力弹性运动学试验中的轮胎垂向力转移Δ F z 计算出来的侧向载荷转移侧倾中心的测量一致性更好。
回正力矩弹性运动学试验的输入为轮胎接地处同向或反向的回正力矩,输出为车轮前束角和外倾角的变化量。该试验的目的是在预定悬架高度,确定轮胎的回正力矩对前束角和外倾角的影响。因为转向助力曲线的非线性,前轮回正力矩和转向角曲线有很强的非线性。因此,需要分为中心区和非中心区两部分。对随车速变化的助力转向系统,回正力矩和转向角的关系与车速有关。典型的试验数据曲线如图3.55所示。
纵向力弹性运动学试验分为轮胎接地处加载和车轮中心加载两种。轮胎接地处加载试验的输入为轮胎接地处同向的纵向力,输出为垂向力、车轮中心纵向位移、车轮转向角和主销后倾角的变化量。目的是在预定的悬架高度,确定轮胎的纵向作用力对垂向力、车轮中心纵向位移、车轮转向角和主销后倾角的影响,可处理出的指标包括制动支撑特性、制动力轮心纵向柔度、制动力转向和制动力主销后倾角变化。从式(3.5)可以推导出制动力支撑的表达式为
图3.55 轮胎接地处同向回正力矩和车轮转向角试验数据
车轮中心加载试验的输入是车轮中心处同向的纵向作用力,输出为垂向力、车轮中心纵向位移、车轮转向角和主销后倾角的变化量。目的是在预定悬架高度,确定轮心的纵向作用力对垂向力、车轮中心纵向位移、车轮转向角和主销后倾角的影响。可处理出的指标包括:加速支撑特性(取决于是否是驱动轮,假定悬架是独立悬架)、驱动力轮心纵向柔度、驱动力转向和主销后倾变化。
转向几何试验输入为转向盘转角,输出为车轮转向角、外倾角、以及轮心纵向/侧向/垂向位移。目的是在预定的悬架高度,在转向盘小转角输入时(比如±5°车轮转角),根据输入-输出曲线中心区的斜率确定转向主销几何参数,包括主销内倾角、主销后倾角、摩擦半径、主轴长度和主销后倾偏移距。这些转向主销几何参数的估算公式见表3.2。在转向盘转角达到输入极限时,通过测量内外轮的转角关系,可以计算最小转弯直径以及阿克曼修正比。