通过悬架调校改善轮毂电机车辆的平顺性及操控性研究

摘要：Protean Electric与Mahle Powertrain在大众高尔夫汽车的基础上共同打造了一款技术示范汽车。汽车悬架采用大众汽车现成的标准部件和改进型部件进行重新调校。新悬架系统达到项目的基本要求，在示范用途方面达到合格的平顺性及操作稳定性。

一、介绍

Protean Electric与Mahle Powertrain在大众高尔夫1.4TSi (Mk VI) 的基础上共同打造了一款技术示范汽车，如下图1所示。这款大众高尔夫被改装成插电式混合动力汽车：汽车后桥采用轮毂电机驱动，同时在前舱保留1.4L汽油发动机用于驱动前轮。



图1：轮毂电机示范样车

由于安装了轮毂电机，该款示范车后轴的簧下质量增大。因为额外增加电池重量，也增加了簧上质量。该汽车原先采用Bilstein售后市场专用弹簧和减震器套件进行改装，但该汽车在标准公路上的平顺性较差。

Corum公司从大众汽车系列及售后市场选择采购了适当刚度的弹簧、前减震器、缓冲块和轮胎。Bilstein售后市场专用的一对后减震器被加以改装，从而提高汽车的平顺性和操控性。

二、目标

在后桥簧上质量与簧下质量增大的情况下提高平顺性及限制操控性能。该车将向潜在客户展示，因此应表现出合格的行驶性能与操控性能。

该车混合动力系统提供的性能，类似于大众高尔夫的高性能旅行版轿车。考虑到这一点及轮毂电机安装空间要求采用18英寸轮辋，希望该车的驾乘舒适性与控制性能与大众高尔夫GTi相类似。

三、初始悬架设置

电池组、控制系统与逆变器布置在汽车的后备箱区域。额外增加的簧上质量预计接近200kg，其所在位置意味着负重主要集中在后桥。

如果采用标准悬架，额外的簧上质量将会导致后部车身高度偏低。因此，专门购买了Bilstein减震器和车身高度调节器及其配套部件，通过前后平台的可调弹簧消除这一因素。报告称平顺性不理想且不易操作。

在将该车运送至Millbrook汽车试验场之前，从车上拆下Bilstein后减震器，并且由Corum公司采用带有充气口的分隔装置加以改装。

测量结果显示：售后零件中的弹簧和车身高度调整平台明显限制了车轮行程。

因此在初步驾评之前，采用Bilstein减震器和原装弹簧重建后悬架。为了在使用标准弹簧的情况下达到目标车身高度（目标车身高度以大众高尔夫GTi Mk VI为基准），在后悬架弹簧与车身之间放置20mm隔片。
轮胎采用售后市场零件邓禄普SportMaxx。
轮胎与轮辋尺寸按照GTi的标准。
轮胎：285/40 ZR18，轮辋：7.5J×18英寸。
轮胎压力按照GTi重载荷条件下的推荐充气压力进行调整。
前轮为2.6巴，后轮为3.0巴。
为了搭载轮毂电机，后轮距比标准轮距增加16mm。

四、初步评估

该车的初步印象主要是平顺性和操控性较差。汽车前桥由于隔离不良而发出碰撞声音，并且一级平顺性控制不理想。汽车后桥平顺性控制良好，但在剧烈震荡时缺乏簧下质量减震。汽车经过路面凸起物后产生强烈震动。

行驶平衡较差；汽车前桥平顺性难以控制，产生后桥中心俯仰趋势。
整体侧倾控制较好，但车身前后不平衡。

五、开发

2016年8月24日至10月14日期间，该车在Millbrook试车场进行开发，并使用普通进出道路、转向试验场及丘陵道路进行评估。
此次开发期间大部分时间为干燥天气条件，全天温度适中：11-17℃。
开发工作主要在2名乘客的条件下进行。最终状态检验在4名乘客（后座2名乘客）的条件下进行。

5.1、前减震器
在接收该车之后，在车上安装了售后零件Bilstein前支柱减震装置。这些装置为具有大杆径、高气压的单筒装置，形成极高的气体压力荷载。对于道路汽车的前桥部分，这不是一个非常适当的解决方案。

随后决定尝试从大众高尔夫(Mk VI) 系列选择最适当的支柱减震装置，并从1.4TSi、GTi和GTD的原装零件选择中选定了前支柱。

GTi和GTD支柱均具有更大外体和外径。为了适配这些装置，前转向节、轴承组和前刹车均进行改制。最后选择采用GTi前支柱减震装置。

经过这些改制之后，汽车获得最佳平顺性与操控性，并且与后桥所需的减震效果相匹配。并安装了一对新的标准前桥缓冲块，其与基准车型及GTi/GTD系列相同。

5.2、弹簧
根据大众高尔夫(MkVI) GTi、GTD和TDi系列采购了前后桥弹簧，同时1.4TSi原装弹簧也可使用。由于可能导致车身高度过低和降低悬架行程，从售后市场购买的弹簧无法用于标准弹簧平台。

选择弹簧是为了达到最佳行驶平衡，以及在安装之后达到适当的车身高度。最终选择了原装的1.4TSi前弹簧和GTD后弹簧。车身高度接近于以GTi作为基准的目标高度。
最终与GTE车型相比，主观感觉行驶振动频率相对较低，但前后平衡性良好。

5.3、后减震
Bilstein售后市场的悬架套件包括后桥Ø36mm不可调节单筒减震器。不同于前支柱，在汽车后桥更适合使用单筒减震器，并且能够在重载簧下质量细节控制和可调整阻尼方面产生一些潜在帮助。

这些减震器被拆下并通过增加充气口进行改制，以便能够轻松重装和充气。在重新安装和测量时，注意到减震器完全扩展之后的长度大约比原来减震器短30mm，并因此减少了运转期间的回弹总量。安装完成的减震器包括20mm回弹封隔器，但这些封隔器已被拆除，因此运转时的最终回弹总量与原来情况相比只减少了大约10mm。

原来的后桥缓冲块已经过改装。由于Bilstein减震器的长度与原来装置相匹配，在保持车身高度不变的情况下，行进至缓冲块的行程将保持不变。

后减震经过反复调校，在每次重新安装之后都使用减震测功机测量Bilstein初始设置和阻尼力。图2显示了原装零件（绿色）、Bilstein原始规格零件（蓝色）与最终调整（橙色）的作用力-速度特性。中高速区域的压缩和回弹减震均显著增强。大量的调整集中在减震曲线的这一区域，其目的是为了在簧下质量控制与二级平顺性/起伏之间达到令人满意的折中方案。



图2：后减震器作用力-速度峰值：高尔夫原装、Bilstein零件、Corum改制

不断增强的低速压缩减震，提高了一级平顺性控制、前后平顺性平衡及响应特性。低速压缩显著增强意味着持续有利、或从乘坐舒适性观点而言可以接受，通常表明支撑簧上质量的弹簧刚度较低。

后桥上支撑没有其他选择，因此全部采用标准产品。

感觉仍有一些来源于汽车后桥的未衰减余震，这是由于后桥上支撑刚度相对较低。与最初情况相比，后减震力显著增大、上支撑刚度相对增大，最终结果更为有利。
虽然在汽车售后市场和赛车市场进行了调查，但均未发现适当的选择方案。

5.4、轮胎
在接收该车时，样车安装了售后市场规格的邓禄普SportMaxx RT轮胎。尺寸选择与高尔夫GTi/GTD标准18英寸轮胎及其他大众集团产品相同。并选择了另一个备用轮胎进行对比。
选定的对比轮胎为同一尺寸的奥迪原装配件Continental SportContact 5轮胎。

结果发现Continental轮胎提供出色的隔离性和更柔和的冲击感，同时也注意到Continental轮胎能够进一步减震和降低余震。

由于余震对轮胎充气压力相当敏感，因此开发期间的尝试了不同的轮胎压力。悬架完成最终调整之后，发现最佳设置为前轮压力2.4巴、后轮压力3.0巴。

5.5、最终设置



表1：最终设置

六、最终评估

由Corum公司、Protean Electric及Mahle Powertrain共同进行最终评估。
在证明难以获取大众高尔夫Mk VI GTi汽车进行评估对比之后，采用大众高尔夫GTE (Mk VII) 汽车作为对比车辆。

6.1、评价

在最终状态方面，一级平顺性得到显著提高。

侧倾控制适中、平衡良好。碰撞之后仍有一些残存余震，但簧下质量整体可控。平顺性仅在最颠簸路面略有起伏。与初步评估相比，隔离性显著提高。小的碰撞比较安静且可以忽略；大的碰撞稍微刺耳，但与调整之前相比已明显降低。

虽然大部分开发集中在提高平顺性，但开发期间也提高了Protean-Mahle高尔夫的操控性。汽车响应状态更好、更流畅。操作平衡得到提高，汽车更安全、更舒适。

GTE明显具有更强大的车身控制。

回弹行程明显低于Protean-Mahle 高尔夫，而且几乎没有起伏。一级平顺性由于车身控制略显折中，而且GTE更有路感、以及自然行驶时感觉起伏。二级平顺性和隔离性也因安装坚固悬架而受到影响。但震动情况得到良好控制。



图3：平顺性评价：Protean-Mahle Golf与GTE的初步评价与最终评价

6.2、讨论

唯一能够在本项目范围内自由调整的零件是后减震器。后减震的开发方向倾向于建议改进后弹簧刚度，最终弹簧刚度过低。选择的GTD弹簧明显比原装弹簧具有更高的刚度，但是可能仍需要更高刚度才能更好支撑额外的簧上质量。

虽然仍有一些残留余震，但增强中高速减震能够更合理有效的控制簧下质量的增大。
值得注意的是，进一步增强减震对震动的影响几乎没有改变。这一影响通常表示与减震力相比，上支撑的刚度不足。

为了控制簧下质量，已经显著增大减震力，但在一些情况下，轮毂频率的高减震力通常导致上支撑产生共振。

开发期间曾经试图寻找另一种（更坚固的）上支撑，但是没有找到。提高上支撑刚度有可能消除残留余震。遗憾的是，大众汽车后桥上支撑的特殊设计不允许简单选择增加预载或比率。

虽然汽车后桥明显受到道路状况的刺激，汽车经历的簧下质量震荡通常感觉到“沉重”（低频率），并且通过汽车整体感觉出来，而不是清楚判断为汽车后桥震荡。有可能是后桥轮毂的固有频率降低（由于簧下质量显著增大）至接近集成式动力总成反弹的固有频率。

虽然选择的后弹簧刚度明显高于原装弹簧，但增加的刚度仍不足以保持基础车型簧上质量的平顺性频率。

通常情况下，道路汽车后桥的平顺性频率比前桥高10-15%；由于前后桥频率之间的相位差，在行驶活动变化期间对俯仰产生反作用影响。

将所有额外增加重量直接集中在汽车后桥上方的后备箱空间，使得较难实现良好的平顺性平衡。如果能够使用更高刚度的后桥弹簧，提高簧上质量的平顺性频率和簧下轮毂模块的固有频率，效果可能更理想。

七、结论

开发过程提高了示范汽车的平顺性和操控性。虽然性能稍逊于用来对比评价的GTE汽车，但其性能被认为总体良好。簧下质量震荡，尤其是碰撞产生的余震依然存在，但其程度和出现频度均可接受。

所有额外的簧上质量直接布置在汽车后桥上方，而可用的调整零件范围有限，也使得调校的空间有限。

八、建议

关于簧上质量和簧下质量增加对相对频率及其他系统刚度产生的影响，上文进行了一些推测。研究这些潜在影响和相互影响的最佳方法是采用四柱测试台进行测试。

建议未来制造的所有汽车，考虑不宜将所有电池和控制系统布置在后备箱区域，避免在汽车后桥上集中了所有额外的簧上质量。

与选定的高尔夫汽车相比，有些汽车的悬架重新调整可以提供更大选择范围：零件可用性（或范围）更大、能够获得设计信息、或更轻松更换调整零件。

想要进一步显著改进，很可能需要更大刚度的后桥弹簧。更大刚度的后桥上支撑可以减少簧下质量震荡。