簡(jiǎn)介

通過(guò)使用數(shù)值/模擬方法（見(jiàn)[1]和[2]）、基于測(cè)試的方法（[3]、[4]和[5]）或這些方法的組合（[6]和7]），已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)研究，強(qiáng)調(diào)了車身剛度對(duì)整車性能的重要性。在進(jìn)行車身評(píng)估以確定可能的車身弱點(diǎn)或改善潛力的研究中，這主要是基于操縱工況的穩(wěn)態(tài)部分的車身變形來(lái)做的。在本文中，重點(diǎn)研究了在瞬態(tài)工況中車身剛度對(duì)車輛性能的影響。將瞬態(tài)階段的結(jié)果與工況中穩(wěn)態(tài)部分的結(jié)果進(jìn)行比較表明，與穩(wěn)態(tài)相比，不同的車身剛度特性在瞬態(tài)階段是重要的。通過(guò)識(shí)別有無(wú)修改的瞬態(tài)時(shí)域車身載荷，詳細(xì)評(píng)估了車身剛度特性變化對(duì)瞬態(tài)車輛行為的影響。這些變化的客觀結(jié)果能夠與駕駛員的主觀評(píng)價(jià)建立聯(lián)系?；趯＜荫{駛員的主觀反饋、瞬時(shí)車身載荷和車身變形，表明車身柔性是車輛動(dòng)態(tài)操縱中懸架最佳使用的限制因素。增強(qiáng)的車身剛度特性可以更好地使用懸架設(shè)置，這一點(diǎn)得到了專業(yè)駕駛員的認(rèn)可

1、背景和方法描述

為了改進(jìn)車身設(shè)計(jì)以獲得最佳整車性能，需要了解車身剛度指標(biāo)與目標(biāo)操控性能之間的關(guān)系。在更高的層次上，將客觀的操縱性能結(jié)果與駕駛員的主觀感知聯(lián)系起來(lái)是一個(gè)挑戰(zhàn)。使用已建立的測(cè)試技術(shù)，很難客觀量化車身對(duì)車輛性能的影響。此外，在過(guò)去，整車多體模擬是通過(guò)車身的柔性表示來(lái)完成的。然而，使用這些模擬結(jié)果很難量化車身對(duì)車輛性能的影響。理想情況下，可以通過(guò)分析確定車身剛度目標(biāo)，以獲得良好的瞬態(tài)操縱性能。然而，到目前為止，還沒(méi)有針對(duì)瞬態(tài)階段的車身目標(biāo)設(shè)定方法。

在本研究中，確定了車身剛度與瞬態(tài)車輛性能的關(guān)系以及與主觀反饋的關(guān)系。這是使用車身柔性方法完成的，該方法允許量化和理解車身剛度對(duì)車輛在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)階段性能的影響。該方法基于兩個(gè)主要部分：時(shí)域載荷識(shí)別和時(shí)域車身變形估計(jì)。

車輛動(dòng)力學(xué)的時(shí)域載荷識(shí)別是通過(guò)在所有懸架與車身連接點(diǎn)周圍使用高度靈敏的應(yīng)變儀進(jìn)行的。在每個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行負(fù)載校準(zhǔn)測(cè)量，以確定應(yīng)變-力校準(zhǔn)矩陣。對(duì)于評(píng)估的每個(gè)車身配置，應(yīng)識(shí)別應(yīng)變-力校準(zhǔn)矩陣。將該校準(zhǔn)矩陣與在運(yùn)行軌跡上采集的操作應(yīng)變數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以對(duì)車輛動(dòng)態(tài)工況中的時(shí)域車身載荷進(jìn)行反向識(shí)別（參見(jiàn)[3]和[8]）。當(dāng)評(píng)估不同的車身剛度特性時(shí)，這些時(shí)域車身載荷顯示出明顯的變化，因此可以詳細(xì)了解車輛動(dòng)態(tài)性能的變化。通過(guò)將車身載荷應(yīng)用于車身的模態(tài)模型來(lái)獲得時(shí)域車身變形。這是在模態(tài)域中使用

其中mi、ci和ki為模態(tài)i的模態(tài)質(zhì)量、阻尼和剛度，{ψi}T為變換模態(tài)矢量，{F（T）}為時(shí)域載荷矢量，qi為模態(tài)響應(yīng)。在本研究中，車身的CAE模型用于創(chuàng)建簡(jiǎn)化的模態(tài)模型，該模型在所有懸架-車身接口點(diǎn)和進(jìn)一步的可視化點(diǎn)處具有輸出，從而能夠在操縱工況期間動(dòng)畫(huà)顯示整車變形。

2、本車身配置的車輛評(píng)估

評(píng)估中的車輛是一輛小型廂式車，配有麥弗遜前懸架和四連桿后懸架。前副車架和后副車架都是浮動(dòng)的，即它們通過(guò)橡膠支座連接到車身。對(duì)被評(píng)估車輛進(jìn)行主觀評(píng)估。專家駕駛員的主要反饋之一是“后軸響應(yīng)延遲”。這種主觀評(píng)價(jià)將是本研究的主要焦點(diǎn)。

下一步是客觀評(píng)估，這是通過(guò)在測(cè)試跑道上執(zhí)行車輛動(dòng)態(tài)工況來(lái)完成的。轉(zhuǎn)向機(jī)器人用于最大化測(cè)量重復(fù)性，特別是在工況的瞬態(tài)部分。

在100kph和0.3g橫向加速度下進(jìn)行的階躍轉(zhuǎn)向工況用于獲取時(shí)域車身載荷識(shí)別的操作數(shù)據(jù)。圖1和圖2顯示了識(shí)別載荷的示例，在階躍轉(zhuǎn)向工況中，一組橫向載荷和一組垂直載荷作用在前車身上。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化車身載荷和轉(zhuǎn)向角輸入信號(hào)，可獲得瞬態(tài)載荷建立的清晰指示，見(jiàn)圖3。

在施加轉(zhuǎn)向角輸入后，前橫向負(fù)載迅速增加。由于后輪胎開(kāi)始建立橫向負(fù)載需要時(shí)間，因此后車身負(fù)載相對(duì)于前車身橫向負(fù)載建立明顯延遲。在第4節(jié)中，將討論改變車身剛度特性對(duì)該瞬態(tài)載荷建立和轉(zhuǎn)向角輸入延遲的影響。

通過(guò)將識(shí)別的車身載荷應(yīng)用于車身的模態(tài)模型，計(jì)算了時(shí)域車身變形。變形結(jié)果的示例如圖4和圖5所示，圖4是在階躍轉(zhuǎn)向工況中處于變形狀態(tài)的車身俯視圖。當(dāng)主要的側(cè)向載荷情況施加到車身時(shí)，車身的最終變形形狀顯示出相關(guān)的側(cè)向彎曲量。

圖5進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)，其中顯示了前懸架和后懸架硬點(diǎn)的橫向變形。由于變形計(jì)算是使用模態(tài)模型進(jìn)行的，因此可以將整個(gè)車身?yè)隙确纸鉃閷?duì)變形的單個(gè)模態(tài)貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，評(píng)估了各個(gè)模態(tài)（如橫向彎曲、扭轉(zhuǎn)或界面點(diǎn)的局部柔性）的重要性。

圖6中的時(shí)域模態(tài)貢獻(xiàn)——車身負(fù)載對(duì)特定車身模態(tài)的激勵(lì)程度——顯示了2種模態(tài)被強(qiáng)烈激勵(lì)，這從紅色和綠色貢獻(xiàn)曲線的振幅水平可以清楚地看出。然而，更有趣的是，這兩個(gè)主要模態(tài)貢獻(xiàn)之間的巨大時(shí)間差。這表明，車身剛度特性的一部分（模態(tài)A，圖7）從早期瞬態(tài)開(kāi)始被激發(fā)，因此是相關(guān)的，而另一部分車身剛度屬性（模態(tài)C，圖8）僅在瞬態(tài)階段結(jié)束時(shí)的一個(gè)大時(shí)間延遲后才被激發(fā)。因此，瞬態(tài)階段的車身變形將與工況穩(wěn)定狀態(tài)部分的車身變形有很大不同。

我們的目標(biāo)是改善車輛的瞬態(tài)性能，并識(shí)別車身剛度特性對(duì)瞬態(tài)性能的影響。這意味著，重點(diǎn)應(yīng)放在模態(tài)A的車身剛度特性上，而不是模態(tài)C的特性上，即使這在工況的穩(wěn)態(tài)部分受到更強(qiáng)的激勵(lì)。

3

改進(jìn)車身配置的車輛評(píng)估

第3節(jié)中的基本車輛評(píng)估表明，后車身橫向柔性相對(duì)較高，如圖4和圖5所示。為了減少操縱過(guò)程中的后車身變形，采用了一個(gè)改進(jìn)方案（見(jiàn)圖9和圖10），以提高后車身剛性。主觀和客觀評(píng)估也都是在這種改良的車身狀況下進(jìn)行的。

為了量化修改方案對(duì)車身剛度特性的影響，比較了基本和修改條件下的靜態(tài)硬點(diǎn)剛度值。修改后的剛度變化（見(jiàn)圖11）證明了修改的主要影響是后車身硬點(diǎn)剛度。

在改進(jìn)的車身?xiàng)l件下執(zhí)行相同的車輛動(dòng)態(tài)操縱。橫向加速度和橫擺角速度響應(yīng)的比較基本和修改后的車身狀態(tài)顯示了作為修改方案影響的最小差異（圖12和13），只有橫擺角速度顯示了瞬態(tài)峰值處更高水平的指示。

眾所周知，車身改裝對(duì)橫向加速度和橫擺角速度等整車參數(shù)的影響很小。這些參數(shù)來(lái)自所有作用的車身力。當(dāng)車身力的分量在幅度或時(shí)間上發(fā)生變化時(shí)，與單個(gè)力水平的變化相比，所有力對(duì)橫向加速度或橫擺角速度的綜合影響仍然很小。因此，單獨(dú)的車身載荷可以提供更多關(guān)于車輛性能變化的見(jiàn)解，作為全局車輛參數(shù)。

應(yīng)用的改裝方案對(duì)后車身（橫向）載荷分布有相關(guān)影響；見(jiàn)圖14、15和16。

最主要的后車身橫向力（在后副車架后部連接處）在改裝后的車身狀態(tài)下建立得更快（約20ms）。由于前軸負(fù)載積累幾乎相似，后軸反應(yīng)更快，前軸和后軸響應(yīng)之間的“差距”減小了，見(jiàn)圖17。對(duì)具有改進(jìn)車身狀況的車輛進(jìn)行主觀評(píng)估的結(jié)果表明，“后車身反應(yīng)更快”，這與瞬態(tài)車身負(fù)載積累的客觀結(jié)果直接一致。

除此之外，負(fù)載比較表明，在基本條件下，牽引臂存在橫向力分量，這是不需要的。在改進(jìn)狀態(tài)下，橫向力幾乎為零，而來(lái)自后副車架的橫向力（橫向懸掛連桿連接到后副車架上）也在增加，同樣在穩(wěn)定狀態(tài)下。

由于車身剛度的提高，現(xiàn)在從輪胎向車身的載荷傳遞效率大大提高，從而產(chǎn)生更快更高的后副車架橫向載荷。當(dāng)安裝（浮動(dòng)）后車架時(shí)，負(fù)載分布的變化（主要變化在后連接處）也會(huì)影響后副車架相對(duì)于車身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這可能會(huì)影響橫擺增益，如圖13所示，橫擺角速度幅度的輕微增加支持了橫擺增益。

除了對(duì)車身橫向載荷分布有明顯影響外，對(duì)垂直載荷分布也有顯著影響，見(jiàn)圖18-20。在評(píng)估穩(wěn)態(tài)部分時(shí)，盡管受道路起伏影響，但改裝方案對(duì)穩(wěn)態(tài)載荷水平的影響最小，見(jiàn)圖18。然而，瞬態(tài)階段的右后車身側(cè)的載荷積累明顯更快、更線性（圖19），而左后車身側(cè)則更緩慢、更線性的載荷積累（圖20）。由于這涉及向左的階躍轉(zhuǎn)向工況，這意味著轉(zhuǎn)彎外側(cè)的懸架側(cè)（負(fù)載側(cè)）可以更快、更線性地積累負(fù)載。這些結(jié)果進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了車身剛度對(duì)瞬態(tài)階段車輛動(dòng)態(tài)性能的重要性。

橫向和垂直瞬態(tài)車身載荷分布的結(jié)果都表明，車身柔性限制了懸架性能。由于基本車身變形，后軸無(wú)法快速響應(yīng)。其次，由于后軸橫向負(fù)載的一部分通過(guò)牽引臂分配，因此車身的橫向負(fù)載分配不是最佳的。在提高車身剛度之后——基于瞬態(tài)階段的車身變形分析，這兩個(gè)限制都得到了解決，從而提高了車輛性能的主觀評(píng)級(jí)。

總結(jié)

對(duì)階躍轉(zhuǎn)向工況的車身變形的評(píng)估表明，與穩(wěn)態(tài)階段相比，不同的車身剛度特性在瞬態(tài)階段起作用。使用車身載荷的客觀評(píng)估和主觀評(píng)估的結(jié)果都表明，車身的瞬態(tài)階段變形限制了懸架性能。后軸不能快速響應(yīng)，而從輪胎到車身的橫向和垂直瞬態(tài)載荷分布都不是最佳的。使用應(yīng)用的方法，識(shí)別車身的改善潛力（與瞬時(shí)表現(xiàn)相關(guān)），從而增強(qiáng)車身目標(biāo)設(shè)定過(guò)程。通過(guò)比較基本和修改車身狀態(tài)下車輛的瞬態(tài)車身載荷積累，可以客觀地識(shí)別車輛瞬態(tài)性能的變化。通過(guò)增強(qiáng)車身剛度，后軸能夠更快地響應(yīng)，這一點(diǎn)得到了主觀評(píng)估的證實(shí)。此外，車身的橫向和垂直載荷分布顯著改善。通過(guò)關(guān)注瞬態(tài)車身載荷積累和瞬態(tài)車身變形，與對(duì)工況的穩(wěn)態(tài)部分的評(píng)估相比，可以更好地理解車身剛度變化與車輛性能之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] E. Sampo, A. Sorniotti, A. Crocombe, ‘Chassis torsional stiffness: analysis of the influence on vehicle dynamics", SAE Technical Papers, 2010

[2] E. Sampo, Modelling chassis flexibility in vehicle dynamics simulation", Phd thesis, University of Surrey, UK, 2011

[3] E. Plank, A. Guellec, T. Geluk, P. Mas, ‘Body load identification and weak spot analysis to evaluate different body concepts for better balancing of vehicle dynamics and NVH’, Chassis.Tech 2009

[4] J.H. Park, J.S. Jo, T. Geluk, G. Conti, J. Van Herbruggen, ‘Improving the vehicle dynamic performance by optimizing the body characteristics using body deformation analysis’, Chassis.Tech 2010

[5] H. Kyogoku, J. Nakajima, M. Okabe, T. Geluk, F. Daenen, ‘How subjective evaluation by drivers is affected by car body stiffening – proposal of the hypothetical mechanism’, Chassis.Tech 2014

[6] M. Nagahisa, K. Kusaka, M. Minakawa, T. Nirei, The influence of body flexibility on the handling characteristics", Honda R&D Co., Ltd. Japan, 1999

[7] K. Kusaka, M. Nagahisa, T. Nishimura, An influence of body lateral bending on handling characteristics", Honda R&D Co., Ltd. Japan, 2001

[8] S. Dom, T. Geluk, K. Janssens, H. Van der Auweraer ‘’Transfer Path Analysis: accurate load prediction beyond the tradi-tional mount stiffness and matrix inversion methods”, SAE Paper 2014-36-0799, SAE Brazil International Noise and Vibration Colloquium 2014, November 4-5, Brazil