【K&C-第0篇】K&C简介

编辑:CrazyRabbit
日期:2022年6月23日

本文是底盘K&C的入门简介。

1. 什么是K&C

K和C是两个英文单词的缩写,分别是Kinematic(运动学)和Compliance(柔性)的首字母。所谓的K&C,描述的是底盘(主要是悬架+转向系统)在受到外界输入后产生的变化。而这个变化,主要关心的是车轮(轮胎)的姿态变化,因为车辆能在地面上跑,全靠与地面接触的轮胎,而轮胎的姿态对底盘的性能影响很大。

那K和C的区别是什么?为什么要分成K和C?

对任何事物的研究,科学的方法是将其解耦、分解。同样道理,车辆动力学研究的时候,将输入分为两大类,一种是位移(旋转)输入,一种是力(力矩)输入。(当然,位移和力一般是同时存在的,说其能分解,指的是其带来的影响可以单独描述)。
所以说,K&C的定义:

  • K=Kinematic,指的是几何运动学特性。由路面及转向位移输入而产生的轮胎空间位置变化
  • C=Compliance,指的是弹性运动学特性。由外界力的输入导致悬架产生变形而引起的轮胎空间位置的变化。

误区

说到K&C,有些工程师受Adams-Car软件影响(如下图),有一个误区,认为在Kinematic仿真模式下输出的结果是K特性,在Compliant仿真模式下输出的结果是C特性。
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其实,是K特性还是C特性,主要是看待悬架的影响是由几何位移导致的,还是受力变形导致的。与仿真模式没有关系。

典型例子

K特性的例子:平行轮跳工况中的外倾梯度
如下图,是某车型的K&C报告截图,横坐标是左前车轮中心的Z向位移,纵坐标是该轮外倾角(Camber)。红色的是实测曲线,蓝色的是±25mm区间内的拟合直线。那么,该直线的梯度(斜率)就是所谓的外倾梯度(平行轮跳工况下)。这就是一个K特性指标,因为描述的是车轮外倾角随车轮垂向位移的变化,是由位移带来的影响,所以是K特性。
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C特性的例子:侧向力前束梯度
如下图,是某车型的K&C报告截图,横坐标是左前轮胎受到的侧向力Fy,纵坐标是该轮的前束角(Toe)。红色的是实测曲线(可以看出是滞回曲线),蓝色的是±1000N区间内的拟合直线。那么该直线的梯度(斜率)就是所谓的前束梯度(侧向力工况下)。这就是一个C特性指标,因为描述的是车轮前束角随轮胎侧向力的变化,是由力带来悬架变形引起的影响,所以是C特性。
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提示

其实,工作中也不用太死板教条,过于较真某些特性是K特性还是C特性(比如悬架刚度这个指标就很难界定)。关键是理解各个K&C指标对底盘性能的影响。

2. 为什么K&C重要

K&C的重要性对于主机厂的底盘研发而言是毋庸置疑的,几乎每个主机厂都会采购ABD或者MTS公司近两千万的K&C测试设备,其重要性可见一斑。对于工程服务公司而言,K&C特性方面的服务(仿真、测试和设计分解)是必须要具备的能力。
那么,为什么K&C如此重要?

从性能分解的角度

之前的文章《车辆动力学从入门到进阶之路(传统篇)》里提到了K&C是底盘性能分解到零部件的桥梁,即我们无法直接从整车的性能一下子分解到具体零部件,需要将整个悬架系统、转向系统作为中间模块进行分解。

从发挥作用的角度

从K&C特性实际在底盘性能上发挥的作用而言,如下有一幅图描述的比较恰当:
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把车当做人的话,K&C就是脊柱。

从底盘平台的角度

另一个更重要的原因是,K&C特性牵扯到整个底盘的硬点(悬架零部件关键连接点,如下控制臂与副车架连接点)设定、弹性元件的选型。特别是硬点的定义,硬点定义就意味着底盘平台的架构定义了下来,而一个平台会衍生很多车型,所有的车型都要在这个平台架构下开发。所以,一旦初期K&C设计不好,带来的损失是无法挽回的。

3. 主机厂如何研发K&C

K&C特性的研发,伴随着整个底盘的开发,通常由主机厂进行,或者具备整车工程服务的公司(国外知名的有保时捷工程、莲花工程、伊迪亚达、米拉,国内有孔辉科技)。研发手段主要是仿真和测试。

3.1 仿真

主要是多体动力学软件进行CAE仿真。主要是用在V字型开发流程的左边,在车型开发初期通过虚拟仿真的方式,对悬架进行建模、对仿真结果进行校核,对设计方案进行验证和优化。大体流程(全新平台开发)如下:

  • 前期概念设计,布置初版硬点方案
  • 根据平台的开发需求,对硬点方案进行迭代优化,优化迭代原因可能有:
    • 平台/车型定义发生更改,比如轴距轮距变更
    • 结构件空间布置受限
    • 性能指标(悬架/整车)不满足
  • 锁定平台硬点并评审、发布
  • 各车型性能开发,设计/优化/确定关键性能元件关键参数
  • 各车型性能元件参数评审、发布
  • 开发后期根据实际情况进行模型的调整、优化

常用的仿真工具就是大名鼎鼎的MSC Adams,对于VD工程师,用的是其中的Adams-Car模块:
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其他的一些不常用软件工具,介绍如下:

  • SimPack,与Adams一样,同是多体动力学软件。欧洲用的较多,现在已经被达索公司收购。

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  • Lotus Suspension Analysis,专业做悬架K&C的,由莲花工程服务公司开发。虽然界面丑一点,但有一个特别好的特点是支持对硬点鼠标拖拽,并实时显示K&C曲线的变化。

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  • SuspensionSim,是CarSim所在公司的软件,最好的优势是可以将悬架K&C直接导入CarSim中。个人觉得SuspensionSim+CarSim可以替换Adams-Car对于底盘性能的开发。并且方便和Simulink集成进行电控算法策略的开发。

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3.2 测试

以上都是虚拟仿真的手段,当设计完成后,主机厂会进行各个阶段的试制样车的生产。通常分几个批次,越往后的试制车越接近量产阶段。通常第一批用于底盘开发的试制车行话称其为“骡子车”,骡子的意思就是“杂交”。因为这个阶段的车辆一般是用上一代车型或相近车型进行改制而成的。
对于各个阶段的车辆,工程师要进行实际的K&C测试,目的是为了验证设计方案在实车上的表现,进行设计验证。
测试就离不开试验台,国际主流的K&C试验台由两家公司提供,一个是英国ABD公司,另一个是美国MTS公司,分别如下图所示。
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两家试验台代表了两种主流的测试方式:

  • ABD试验台试验时车身运动
  • MTS试验台试验时车轮运动,即固定车身

4. 工程师如何学习

请参见《车辆动力学从入门到进阶之路(传统篇)》。

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