罗文水;凌红芳;王师;马传帅
【摘 要】整车姿态不仅影响到整车造型的美观协调性，而且对整车性能也有直接的联系。总结归纳了一套系统全面的整车姿态设定流程和控制方法，可在数据开发阶段对整车姿态进行合理的设计，在样车验证阶段及量产阶段对整车姿态进行快速准确地检测和控制。%Vehicle attitude is not only having great effect on the harmonious of style, but also having a direct effect on vehicle performance. A systematic and comprehensive vehicle attitude design process and control method is built in this paper,according to this process, the vehicle attitude can be designed reasonable in initial vehicle design phase, and the vehicle attitude also can be measured quickly and accurately,then the vehicle attitude can meet the design requirements very well.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2014(000)008
【总页数】7页(P116-122)
【关键词】整车姿态;地面线;轮眉离地高度;整车姿态角;轮眉间隙
【作 者】罗文水;凌红芳;王师;马传帅
【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434
【正文语种】广州汽车集团乘用车有限公司中 文
【中图分类】U462
顾客在购买乘用车时，首先关注的是汽车的外形是否好看时尚或沉稳庄重，然后才是汽车的其他性能。而整车姿态设定合适与否直接影响到整体造型的协调美观性，是造型设计中非常重要的元素；同时整车姿态与汽车通过性、操纵稳定性、上下车方便性等都有直接的关系。因此，合理的整车姿态不仅使汽车具有耐看的外型，同时让汽车具有良好的性能。
整车姿态具体指汽车基于地面在各种状态下的前后倾角、车身与轮系及地面各方间隙、腰线、窗台线与整车的比例关系等[1]。整车姿态的设定主要体现在地面线和轮眉间隙设定上。地面线指在不同质量状态时，与前后轮胎下表面相切的平面，乘用车设计时常设定整备、半载、满载三种地面线，也可根据设计需求添加仅驾驶员状态地面线和最大装载质量状态地面线。地面线是乘用车设计非常重要的参数，是整车初期设计阶段时造型设计、整车总布置方案策划、人机设计等工作的必须输入。轮眉间隙是指在过轮心的垂直方向上轮胎和轮眉的间隙，不合适的前后轮轮眉间隙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，在祼车验证阶段通常检测某底盘件的离地高度，而后期样车验证阶段和量产阶段，为节省测量时间，进行批量的检测，通常对轮眉离地高度进行监控。本文在结合大量对标数据和实际汽车设计经验的基础上，归纳总结出一套系统全面的整车姿态设计和监控方法，确保乘用车具有合适的整车姿态。
地面线指在不同质量状态时，与前后轮胎下表面相切的平面，含整备、半载和满载三条地面线，如图1所示，也可根据设计需求添加仅驾驶员状态地面线和最大装载质量状态地面线。
地面线设计时需要确定不同质量状态下的轮心位置、轮胎半径和整车姿态角，下面分别进行阐述。
1.1 轮心位置确定
地面线设计工作主要体现在轮心位置的确定上，该部分工作包含整车坐标系建立、半载状态前后轮心坐标的确定、整备和满载前后轴荷的计算、悬架刚度的确定及不同质量状态下轮心坐标变化量的计算等内容。
1.1.1 整车坐标系的建立
对全新开发的车型来说，一般非承载式车身汽车取车架某一段上端面作为XY平面，承载式车身汽车取前下地板某段平面作为XY平面；过前轮轮心连线且与XY平面垂直的面作为YZ平面；整车左右对称面作为ZX平面[2]，如图2所示。
X坐标轴：XY平面与ZX平面交线为X轴线，指向车尾方向为正向。
Y坐标轴：XY平面与YZ平面交线为Y轴线，指向车辆右侧为正向。
Z坐标轴：YZ平面与ZX平面交线为Z轴线，指向垂直方向上方为正向。
对基于某平台开发的车型来说，整车坐标系可沿用原车型的坐标系，便于两个车型之间零部件数据的共用、对比分析。
1.1.2 半载状态前后轮心坐标的确定
乘用车设计3D数据常采用半载状态，故需首先确定半载状态的轮心坐标值，然后根据悬架的刚度、轮荷变化量推算出整备、满载等其他状态下的轮心坐标值。
X坐标值设定：对全新设计平台车型，半载状态前轮心X坐标值可取0值，后轮心X坐标值根据轴距设定；而基于某平台设计的车型，前轮心X坐标值可沿用原车型或根据需求进行微调即可，后轮心X坐标值根据轴距设定。
Y坐标值设定：半载状态前后轮心Y坐标值根据前后轮距反求，并结合车轮倾角对轮距的影响量进行设定，如公式（1）所示
其中：B为轮距，单位mm；R为轮胎静力半径，单位mm；θ为车轮外倾角，单位°。
Z坐标值设定：对全新设计平台车型，半载状态轮心Z坐标值设定需要综合考虑最小离地间隙要求、纵向通过角、整车姿态角、轮胎包络间隙、整车质心高度、悬架性能等要求，并结合轮胎型号、下车体零部件布置方案等进行设定[3]。
1.1.3 前后轴荷的计算
该部分工作内容主要是推算半载和满载的重量及前后轴荷，也可根据需要计算仅驾驶员等其他质量状态的质量和轴荷。在汽车设计时，根据车型修改量及对标车型重量等参数，首先确定整备状态质量，然后根据乘员及货物加载重量推算其他状态的质量和轴荷，某状态下的前轴轴荷计算公式如下所示：
其中：Mf为某质量状态前轴荷，单位kg；Mr为某质量状态后轴荷，单位kg；Mf0为整备状态前轴荷；Mr0为整备状态后轴荷，单位kg；ΔMf为前轴荷的加载变化量；ΔMr为后轴荷的加载变化量，单位kg；m1为前排座椅人员加载重量，单位kg；m2为后排座椅人员加载重量，单位kg；m3为货物加载重量，单位kg；L为轴距，单位mm；L1为前排H点到前轮心的距离，单位mm；L2为后排H点到前轮心的距离，单位mm；L3为行李箱中心到前轮心的距离，单位mm；如图3所示。
根据GB/T5910-1989轿车质量分布，可调整座椅质量加载点在H点基础上前移100 mm，不可调整座椅加载点在H点基础上前移50 mm。
1.1.4 悬架刚度的确定
在汽车设计初期阶段，一般会根据车型定位及对标车参数设定一组理论上合适的悬架偏频，通过公式（6）计算悬架刚度。悬架偏频是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一，乘用车对平顺性要求较高，原则上发动机排量越高的车型悬架偏频越小[4]。对发动机排量在1.6 L以下低端车型，前悬架满载偏频一般在1.0～1.45 Hz，后悬架一般在1.17～1.58 Hz，对发动机排量在1.6 L以上的中高端车型，前悬架满载偏频一般在1.0～1.35 Hz，后悬架则要求在1.1～1.5Hz。
其中： f为悬架偏频，单位Hz；K为悬架刚度，单位N/m； ms为悬架簧载质量，单位kg。
在后续样车验证阶段，根据底盘性能调教试验，选取主观评价最佳状态的前后悬架刚度。
1.1.5 不同质量状态下轮心坐标变化量的推算
在半载状态轮心坐标值、悬架刚度、不同质量状态轮荷等参数已确定的情况下，可推算出其他质量状态的轮心坐标值。
在半载状态时的轮心坐标值的基础上，通过公式（7）推算出整备、满载等其他状态的轮心Z坐标值：
其中：Z1为某状态下的轮心Z坐标值；Z0为半载状态下的轮心Z坐标值；M1为某状态下的轮荷，单位kg；M0为半载状态下的轮荷，单位kg；K为悬架刚度，单位N/mm。
然后采用ADAMS或CATIA等软件制作悬架运动学模型，根据确定的各质量状态轮心Z坐标值，运行悬架运动学模型，使得轮心跳动到与某质量状态轮心Z坐标值相同，此时的X、Y值即是该质量状态轮心X、Y坐标值，如图4所示。
1.2 轮胎半径确定
轮胎半径在不同轮荷状态下会产生变化，对一般乘用车来说，整备质量状态时前后轮胎半径差异在5 mm左右，而在不同整车质量状态下，后轮半径的变化可达5 mm以上，因此，不能简单地将轮胎半径视为某一固定值，在地面线制作时需要将该变化量考虑在内。如图5所示，
根据某轮胎气压状态下的“轮胎负荷—轮胎半径关系图”，采用轮荷即可插值求得准确的轮胎半径。
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