新型車輛懸架系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)大都基于對(duì)現(xiàn)有懸架形式的改進(jìn)，其中一些開(kāi)發(fā)成果對(duì)車輛的操縱性能產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的影響?，F(xiàn)代化的測(cè)量技術(shù)和轉(zhuǎn)向機(jī)器人等模擬工具給操縱性的研發(fā)工程師帶來(lái)了極大便利。
操縱性和平穩(wěn)性的矛盾
車輛的操縱性和平穩(wěn)性總是相互影響。歐洲轎車操縱性的改進(jìn)大多是以犧牲平穩(wěn)性為代價(jià)的，但是在一些國(guó)家，因?yàn)榈缆窢顩r得到了很大的改善，平穩(wěn)性的下降并沒(méi)有受到廣泛關(guān)注。歐洲的顧客受媒體引導(dǎo)及工業(yè)趨勢(shì)的影響，期望靈敏的操縱性，就像運(yùn)動(dòng)型跑車一樣。有跡象表明，汽車制造商目前正在改進(jìn)平穩(wěn)性和操縱性之間的平衡，以便對(duì)操縱性最小的損失取得平穩(wěn)性的改進(jìn)。
科技的發(fā)展及新技術(shù)的應(yīng)用加快了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)程，幫助汽車制造商縮短了產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。多年來(lái)，平穩(wěn)性和操縱性工程師一直使用“seat of the pants”經(jīng)驗(yàn)方法，但最新的試驗(yàn)及測(cè)量技術(shù)使得懸架開(kāi)發(fā)更加科學(xué)。此技術(shù)可以分為兩類：一種是通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析預(yù)測(cè)操縱性，另一種是檢測(cè)影響車輛操縱性的特性。
精確預(yù)測(cè)操縱性的能力依賴于預(yù)測(cè)程序使用的關(guān)于汽車特性的精確信息。利用目前的技術(shù)，預(yù)測(cè)所需要的大多數(shù)信息都必須經(jīng)過(guò)檢測(cè)。為了使預(yù)測(cè)方法更有效，車輛響應(yīng)的精確檢測(cè)是非常必要的。
操縱性預(yù)測(cè)所需的信息主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：輪胎制造商提供的輪胎特性，如側(cè)向力偏離角曲線等；減振器制造商提供的減振器特性；懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和柔性（K&C）測(cè)試提供的懸架相對(duì)于車身的運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)性）數(shù)據(jù)以及在車輛轉(zhuǎn)彎、剎車、加速時(shí)所施加到輪胎和道路之間的載荷如何使懸架彈性扭曲（平穩(wěn)性）的數(shù)據(jù)等。理論上的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可以在設(shè)計(jì)階段計(jì)算，但是運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和柔性的結(jié)合在設(shè)計(jì)階段并不能可靠地預(yù)測(cè)，因此有必要使用K&C設(shè)備進(jìn)行精確的檢測(cè)。
控制車輛操縱性是運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和柔性的綜合效果。柔性效果不僅僅局限于懸架橫梁和墊套，車身的平穩(wěn)性同樣會(huì)對(duì)柔性效果產(chǎn)生影響。最新的具有優(yōu)良操縱性能的汽車都特別注重車身強(qiáng)度的最大化，這對(duì)于平穩(wěn)性和噪聲改善同樣大有益處。
K&C試驗(yàn)
基本的K&C試驗(yàn)是將車身用夾具固定在一個(gè)參考平面上，通過(guò)輪胎接觸區(qū)與車身的相對(duì)偏轉(zhuǎn)量來(lái)模擬車輛懸架系統(tǒng)在真實(shí)工況下的變形和扭曲。目前的K&C試驗(yàn)臺(tái)可做靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)的試驗(yàn)，一些動(dòng)態(tài)K&C試驗(yàn)臺(tái)也已經(jīng)被研制出來(lái)了，但是在汽車研發(fā)過(guò)程中的作用還有待評(píng)估。
K&C試驗(yàn)臺(tái)的電源供應(yīng)可以使用電力或液力。電力操縱具有更清潔、易安裝、易維護(hù)和低費(fèi)用、不犧牲性能等優(yōu)點(diǎn)。想要獲得最佳的數(shù)據(jù)，在模擬車輛回轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備必須能夠維持支撐輪胎的平面和車身平面之間正確的角度關(guān)系。一種方法是將輪胎胎墊放置在水平面上，車身翻轉(zhuǎn)或者水平垂直移動(dòng)；另一種方法是車身水平固定，輪胎胎墊水平或垂直移動(dòng)，但是輪胎胎墊必須可以傾斜，以表示車輛翻轉(zhuǎn)角。無(wú)論使用哪種方法，輪胎胎墊必須能夠以一種可控制的方式進(jìn)行水平或垂直移動(dòng)。
K&C試驗(yàn)臺(tái)所配置的儀器必須可檢測(cè)輪胎接觸面所有的力和力矩以及車輪和車身之間的相對(duì)位移，同時(shí)，必須保持高精度的檢測(cè)，因?yàn)槲⑿〉淖兓紩?huì)影響操縱性。在大的靜載荷下，檢測(cè)微小變化是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@大約需要200個(gè)數(shù)據(jù)通道來(lái)采集車輛特性。
圖1 兩輪SPMM K&C試驗(yàn)臺(tái)（四輪試驗(yàn)臺(tái)的車輪平臺(tái)和后輪的參考平面與此類似）
為了降低成本，電力操縱的兩輪SPMM K&C試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖1）只檢測(cè)兩個(gè)車輪，因此，如果要完成整個(gè)測(cè)試，車輛需要檢測(cè)兩次。使用兩個(gè)車輪的試驗(yàn)臺(tái)不會(huì)損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，只是增加了試驗(yàn)時(shí)間。
使用這臺(tái)設(shè)備時(shí)，車身通過(guò)支架的水平部件被夾裝在可以傾斜俯仰和跳動(dòng)的剛性非常大的平臺(tái)上。車身的中間部分被假定為具有足夠剛性，不影響操縱性，但是車身的某些部件，如前懸架座，可能在實(shí)際工況引入的載荷下發(fā)生局部扭曲，這些扭曲可以通過(guò)檢測(cè)得到。這種試驗(yàn)臺(tái)不適用于柔性底盤(pán)的車輛，因?yàn)榈妆P(pán)的柔性對(duì)于車輛動(dòng)力學(xué)特性有很大影響。這類車輛通常比乘用車大很多，必須使用另一種不同設(shè)計(jì)的K&C試驗(yàn)臺(tái)來(lái)檢測(cè)。
SPMM的中央平臺(tái)具有6個(gè)自由度，它的位置由6個(gè)球形螺栓定位裝置在計(jì)算機(jī)的控制下精確定位。輪胎胎墊置于車輪檢測(cè)平臺(tái)上（X-Y平臺(tái)），它可以檢測(cè)垂直、橫向、縱向的力和扭矩。車輪平臺(tái)可以在計(jì)算機(jī)的控制下橫向或縱向移動(dòng)，并可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。車輪平臺(tái)的表面摩擦系數(shù)很大，可防止車輪側(cè)滑。
車輪的變形可相對(duì)于每個(gè)車輪旁邊的參考平面檢測(cè)到，它使用的是非常精確的線性編碼器。為了再現(xiàn)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中車輪的轉(zhuǎn)向，一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)向電機(jī)可以和SPMM連接起來(lái)。通過(guò)用計(jì)算機(jī)控制移動(dòng)車身平臺(tái)以及車輪平臺(tái)，真實(shí)載荷工況下任何方向的懸架幾何變形及懸架剛度都可檢測(cè)得到。
檢測(cè)所有懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和柔性特性的自動(dòng)過(guò)程一般需要3～4h，而如果沒(méi)有K&C試驗(yàn)臺(tái)則需幾周時(shí)間，且測(cè)試精度較差。
SPMM可以檢測(cè)的參數(shù)主要有：懸架剛度和遲滯、俯仰操縱、側(cè)傾操縱、側(cè)傾剛度、縱向柔性操縱、橫向柔性操縱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)等。
K&C試驗(yàn)臺(tái)的輸出結(jié)果可以以圖表的形式查看，也可以導(dǎo)入操縱預(yù)測(cè)程序中。
重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
圖2 SPMM用于測(cè)量重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積
K&C試驗(yàn)臺(tái)的另一個(gè)附帶功能是檢測(cè)車輛（或其他零部件，如動(dòng)力總成等）重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及慣性積（見(jiàn)圖2）。這是通過(guò)在車身和中央平臺(tái)之間裝配非常精確的力傳感器以及緩慢振蕩試驗(yàn)臺(tái)而得到的。操縱性試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真模型需要此類數(shù)據(jù)。
對(duì)于什么是良好參數(shù)，沒(méi)有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)，它依賴于車輛的型號(hào)。操縱性預(yù)測(cè)程序可用來(lái)預(yù)測(cè)受測(cè)車輛的參數(shù)改變時(shí)將會(huì)發(fā)生的情況。經(jīng)驗(yàn)豐富的操縱性工程師能夠使用SPMM數(shù)據(jù)集來(lái)理解車輛狀態(tài)變化的原因。SPMM的常用者可以建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以將道路上車輛特性的主觀評(píng)價(jià)與客觀檢測(cè)聯(lián)系起來(lái)，有助于確定各種類型汽車的最佳期望特性。
操縱性道路試驗(yàn)
一輛車的操縱性能是否可以被接受，最終由駕駛員來(lái)決定。數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)方法是其中的一種工具，但其要求驗(yàn)證模型和理解主觀印象，所以在試驗(yàn)道路上測(cè)試車輛的操縱性是很必要的。
許多操縱工作都與車輛的轉(zhuǎn)彎方式和對(duì)動(dòng)態(tài)輸入的響應(yīng)方式有關(guān)（如變道操作等）。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)可成功地由經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員完成，但要得到好的結(jié)果重復(fù)性則需要花很長(zhǎng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果可以由車速、橫擺角度、方向盤(pán)角度、輪胎側(cè)偏角度等決定。使用試驗(yàn)儀器能夠檢測(cè)到這些參數(shù)，通過(guò)使用車輪六分力傳感器可以得到車輪上的載荷。
汽車的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)很多動(dòng)態(tài)操縱性試驗(yàn)來(lái)確定，要保證試驗(yàn)的成功，就要維持良好的試驗(yàn)輸入重復(fù)性，否則，在懸架部件改變后響應(yīng)的變化不能精確量化。
通常，人類司機(jī)準(zhǔn)確地、可重復(fù)地完成操縱性試驗(yàn)是比較困難的，而使用計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)向機(jī)器人對(duì)完成可重復(fù)性試驗(yàn)大有幫助。
轉(zhuǎn)向機(jī)器人
圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)器人及動(dòng)力方向盤(pán)、反作用力連桿、觸摸屏電腦和用于安全控制和司機(jī)輸入的操縱桿
轉(zhuǎn)向機(jī)器人（見(jiàn)圖3）就是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制下的動(dòng)力方向盤(pán)。機(jī)器人的電機(jī)最好是能夠安裝在轉(zhuǎn)向柱上，但也可以安裝在方向盤(pán)上，這時(shí)要求安全氣囊必須停止作用，其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是增大了方向盤(pán)的慣性。
機(jī)器人設(shè)備包含非常精確的方向盤(pán)角度和轉(zhuǎn)向扭矩等檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)筆記本或者觸摸屏電腦，電機(jī)就可以控制完成方向盤(pán)的完全可重復(fù)性運(yùn)動(dòng)。方向盤(pán)的運(yùn)動(dòng)可以由數(shù)學(xué)函數(shù)生成或者記憶司機(jī)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。典型的輸入包括突然轉(zhuǎn)向、階躍輸入、變道、可變頻率的正弦、梯形波等。利用這些試驗(yàn)可以檢測(cè)得到很多車輛的操縱性參數(shù)。下面將詳細(xì)介紹一系列使用機(jī)器人可以高效率完成的突然轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。
正弦掃描試驗(yàn)
圖4 正弦掃描試驗(yàn)中方向盤(pán)轉(zhuǎn)角對(duì)時(shí)間的曲線，疊加的低頻曲線是司機(jī)對(duì)風(fēng)力造成的偏離車輛前進(jìn)路線的修正
在正弦掃描試驗(yàn)中，隨頻率增加的正弦位移波形被應(yīng)用到方向盤(pán)上。理論上，車輛將沿著基本為直道的正弦路徑左右擺動(dòng)前進(jìn)，實(shí)際上，如果路徑不夠平坦或者有風(fēng)在吹，車輛將會(huì)有偏移。司機(jī)可以通過(guò)操縱桿來(lái)糾正這種偏移，通過(guò)控制油門(mén)保持恒定的前進(jìn)速度。圖4所示為正弦掃描試驗(yàn)中方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的曲線。
轉(zhuǎn)向作用力試驗(yàn)
轉(zhuǎn)向作用力試驗(yàn)要求車輛固定、剎車關(guān)閉、方向盤(pán)連續(xù)向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)幾個(gè)周期。
圖5 轉(zhuǎn)向作用力試驗(yàn)結(jié)果
圖5所示為轉(zhuǎn)向作用力試驗(yàn)結(jié)果，由圖可見(jiàn)，扭矩相對(duì)于方向盤(pán)轉(zhuǎn)速曲線的可重復(fù)性不是很好，而且車輛對(duì)于左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的響應(yīng)是不對(duì)稱的。在這個(gè)項(xiàng)目中的試驗(yàn)環(huán)境并不完美，因?yàn)樵谠囼?yàn)道路上存在泥土或石頭。當(dāng)方向盤(pán)重復(fù)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作時(shí)，路面上會(huì)留有粘附輪胎的橡膠，因此，進(jìn)行這項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)必須小心。隨著轉(zhuǎn)向周期數(shù)目的不斷增加，路面的摩擦系數(shù)可能改變。試驗(yàn)同樣可以在車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中完成。
轉(zhuǎn)向俘獲試驗(yàn)
所有動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受限于能提供的轉(zhuǎn)向扭矩量，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也受限于轉(zhuǎn)向泵的最大輸出流量，因此，如果駕駛員試圖在緊急狀態(tài)下突然轉(zhuǎn)向，或者無(wú)足夠的可用流體，駕駛員將會(huì)需要很大的力量才能完成轉(zhuǎn)向。在一些情形下，轉(zhuǎn)向軟管中的降噪設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生液壓流動(dòng)的限制。該試驗(yàn)是用于探測(cè)轉(zhuǎn)向輸出不再跟隨輸入的臨界點(diǎn)。將梯形位移波形以不斷增加的頻率加載到方向盤(pán)上，這樣就會(huì)得到一個(gè)速度隨頻率增加而遞進(jìn)的步進(jìn)波形，直到液壓系統(tǒng)不能再提供足夠的液流。
圖6 轉(zhuǎn)向俘獲試驗(yàn)結(jié)果
圖6所示為轉(zhuǎn)向俘獲試驗(yàn)結(jié)果，由圖可見(jiàn)，15s之前轉(zhuǎn)向柱扭矩的圖像基本上是一個(gè)方波，振幅在每次轉(zhuǎn)向中也是相同的；從15～17s，扭矩隨速度變化，但在17s的時(shí)候，轉(zhuǎn)向柱速度不再隨位移和扭矩變化而變化，且速度不再與之相關(guān)，這表示轉(zhuǎn)向泵中缺乏足夠的液體流動(dòng)。試驗(yàn)證明，俘獲極限大約在轉(zhuǎn)向柱旋轉(zhuǎn)速度為800°/s。
（轉(zhuǎn)載）
