车身刚度对瞬态工况的重要性

简介

通过使用数值/模拟方法（见[1]和[2]）、基于测试的方法（[3]、[4]和[5]）或这些方法的组合（[6]和7]），已经进行了几项研究，强调了车身刚度对整车性能的重要性。在进行车身评估以确定可能的车身弱点或改善潜力的研究中，这主要是基于操纵工况的稳态部分的车身变形来做的。在本文中，重点研究了在瞬态工况中车身刚度对车辆性能的影响。将瞬态阶段的结果与工况中稳态部分的结果进行比较表明，与稳态相比，不同的车身刚度特性在瞬态阶段是重要的。通过识别有无修改的瞬态时域车身载荷，详细评估了车身刚度特性变化对瞬态车辆行为的影响。这些变化的客观结果能够与驾驶员的主观评价建立联系。基于专家驾驶员的主观反馈、瞬时车身载荷和车身变形，表明车身柔性是车辆动态操纵中悬架最佳使用的限制因素。增强的车身刚度特性可以更好地使用悬架设置，这一点得到了专业驾驶员的认可

1、背景和方法描述

为了改进车身设计以获得最佳整车性能，需要了解车身刚度指标与目标操控性能之间的关系。在更高的层次上，将客观的操纵性能结果与驾驶员的主观感知联系起来是一个挑战。使用已建立的测试技术，很难客观量化车身对车辆性能的影响。此外，在过去，整车多体模拟是通过车身的柔性表示来完成的。然而，使用这些模拟结果很难量化车身对车辆性能的影响。理想情况下，可以通过分析确定车身刚度目标，以获得良好的瞬态操纵性能。然而，到目前为止，还没有针对瞬态阶段的车身目标设定方法。

在本研究中，确定了车身刚度与瞬态车辆性能的关系以及与主观反馈的关系。这是使用车身柔性方法完成的，该方法允许量化和理解车身刚度对车辆在瞬态和稳态阶段性能的影响。该方法基于两个主要部分：时域载荷识别和时域车身变形估计。

车辆动力学的时域载荷识别是通过在所有悬架与车身连接点周围使用高度灵敏的应变仪进行的。在每个连接点进行负载校准测量，以确定应变-力校准矩阵。对于评估的每个车身配置，应识别应变-力校准矩阵。将该校准矩阵与在运行轨迹上采集的操作应变数据相结合，可以对车辆动态工况中的时域车身载荷进行反向识别（参见[3]和[8]）。当评估不同的车身刚度特性时，这些时域车身载荷显示出明显的变化，因此可以详细了解车辆动态性能的变化。通过将车身载荷应用于车身的模态模型来获得时域车身变形。这是在模态域中使用

其中mi、ci和ki为模态i的模态质量、阻尼和刚度，{ψi}T为变换模态矢量，{F（T）}为时域载荷矢量，qi为模态响应。在本研究中，车身的CAE模型用于创建简化的模态模型，该模型在所有悬架-车身接口点和进一步的可视化点处具有输出，从而能够在操纵工况期间动画显示整车变形。

2、本车身配置的车辆评估

评估中的车辆是一辆小型厢式车，配有麦弗逊前悬架和四连杆后悬架。前副车架和后副车架都是浮动的，即它们通过橡胶支座连接到车身。对被评估车辆进行主观评估。专家驾驶员的主要反馈之一是“后轴响应延迟”。这种主观评价将是本研究的主要焦点。

下一步是客观评估，这是通过在测试跑道上执行车辆动态工况来完成的。转向机器人用于最大化测量重复性，特别是在工况的瞬态部分。

在100kph和0.3g横向加速度下进行的阶跃转向工况用于获取时域车身载荷识别的操作数据。图1和图2显示了识别载荷的示例，在阶跃转向工况中，一组横向载荷和一组垂直载荷作用在前车身上。

通过标准化车身载荷和转向角输入信号，可获得瞬态载荷建立的清晰指示，见图3。

在施加转向角输入后，前横向负载迅速增加。由于后轮胎开始建立横向负载需要时间，因此后车身负载相对于前车身横向负载建立明显延迟。在第4节中，将讨论改变车身刚度特性对该瞬态载荷建立和转向角输入延迟的影响。

通过将识别的车身载荷应用于车身的模态模型，计算了时域车身变形。变形结果的示例如图4和图5所示，图4是在阶跃转向工况中处于变形状态的车身俯视图。当主要的侧向载荷情况施加到车身时，车身的最终变形形状显示出相关的侧向弯曲量。

图5进一步强调了这一点，其中显示了前悬架和后悬架硬点的横向变形。由于变形计算是使用模态模型进行的，因此可以将整个车身挠度分解为对变形的单个模态贡献。在此基础上，评估了各个模态（如横向弯曲、扭转或界面点的局部柔性）的重要性。

图6中的时域模态贡献——车身负载对特定车身模态的激励程度——显示了2种模态被强烈激励，这从红色和绿色贡献曲线的振幅水平可以清楚地看出。然而，更有趣的是，这两个主要模态贡献之间的巨大时间差。这表明，车身刚度特性的一部分（模态A，图7）从早期瞬态开始被激发，因此是相关的，而另一部分车身刚度属性（模态C，图8）仅在瞬态阶段结束时的一个大时间延迟后才被激发。因此，瞬态阶段的车身变形将与工况稳定状态部分的车身变形有很大不同。

我们的目标是改善车辆的瞬态性能，并识别车身刚度特性对瞬态性能的影响。这意味着，重点应放在模态A的车身刚度特性上，而不是模态C的特性上，即使这在工况的稳态部分受到更强的激励。

3

改进车身配置的车辆评估

第3节中的基本车辆评估表明，后车身横向柔性相对较高，如图4和图5所示。为了减少操纵过程中的后车身变形，采用了一个改进方案（见图9和图10），以提高后车身刚性。主观和客观评估也都是在这种改良的车身状况下进行的。

为了量化修改方案对车身刚度特性的影响，比较了基本和修改条件下的静态硬点刚度值。修改后的刚度变化（见图11）证明了修改的主要影响是后车身硬点刚度。

在改进的车身条件下执行相同的车辆动态操纵。横向加速度和横摆角速度响应的比较基本和修改后的车身状态显示了作为修改方案影响的最小差异（图12和13），只有横摆角速度显示了瞬态峰值处更高水平的指示。

众所周知，车身改装对横向加速度和横摆角速度等整车参数的影响很小。这些参数来自所有作用的车身力。当车身力的分量在幅度或时间上发生变化时，与单个力水平的变化相比，所有力对横向加速度或横摆角速度的综合影响仍然很小。因此，单独的车身载荷可以提供更多关于车辆性能变化的见解，作为全局车辆参数。

应用的改装方案对后车身（横向）载荷分布有相关影响；见图14、15和16。

最主要的后车身横向力（在后副车架后部连接处）在改装后的车身状态下建立得更快（约20ms）。由于前轴负载积累几乎相似，后轴反应更快，前轴和后轴响应之间的“差距”减小了，见图17。对具有改进车身状况的车辆进行主观评估的结果表明，“后车身反应更快”，这与瞬态车身负载积累的客观结果直接一致。

除此之外，负载比较表明，在基本条件下，牵引臂存在横向力分量，这是不需要的。在改进状态下，横向力几乎为零，而来自后副车架的横向力（横向悬挂连杆连接到后副车架上）也在增加，同样在稳定状态下。

由于车身刚度的提高，现在从轮胎向车身的载荷传递效率大大提高，从而产生更快更高的后副车架横向载荷。当安装（浮动）后车架时，负载分布的变化（主要变化在后连接处）也会影响后副车架相对于车身的旋转运动。这可能会影响横摆增益，如图13所示，横摆角速度幅度的轻微增加支持了横摆增益。

除了对车身横向载荷分布有明显影响外，对垂直载荷分布也有显著影响，见图18-20。在评估稳态部分时，尽管受道路起伏影响，但改装方案对稳态载荷水平的影响最小，见图18。然而，瞬态阶段的右后车身侧的载荷积累明显更快、更线性（图19），而左后车身侧则更缓慢、更线性的载荷积累（图20）。由于这涉及向左的阶跃转向工况，这意味着转弯外侧的悬架侧（负载侧）可以更快、更线性地积累负载。这些结果进一步强调了车身刚度对瞬态阶段车辆动态性能的重要性。

横向和垂直瞬态车身载荷分布的结果都表明，车身柔性限制了悬架性能。由于基本车身变形，后轴无法快速响应。其次，由于后轴横向负载的一部分通过牵引臂分配，因此车身的横向负载分配不是最佳的。在提高车身刚度之后——基于瞬态阶段的车身变形分析，这两个限制都得到了解决，从而提高了车辆性能的主观评级。

总结

对阶跃转向工况的车身变形的评估表明，与稳态阶段相比，不同的车身刚度特性在瞬态阶段起作用。使用车身载荷的客观评估和主观评估的结果都表明，车身的瞬态阶段变形限制了悬架性能。后轴不能快速响应，而从轮胎到车身的横向和垂直瞬态载荷分布都不是最佳的。使用应用的方法，识别车身的改善潜力（与瞬时表现相关），从而增强车身目标设定过程。通过比较基本和修改车身状态下车辆的瞬态车身载荷积累，可以客观地识别车辆瞬态性能的变化。通过增强车身刚度，后轴能够更快地响应，这一点得到了主观评估的证实。此外，车身的横向和垂直载荷分布显著改善。通过关注瞬态车身载荷积累和瞬态车身变形，与对工况的稳态部分的评估相比，可以更好地理解车身刚度变化与车辆性能之间的关系。

参考文献

[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