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重心高度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

2019-06-12 23:27:06·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  作者：李濤  
　
整車重心高度作為車輛重要基本參數(shù)之一，對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能有著重要影響，主要體現(xiàn)在動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性等方面，例如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向時(shí)車身的姿態(tài)、懸
 
整車重心高度作為車輛重要基本參數(shù)之一，對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能有著重要影響，主要體現(xiàn)在動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性等方面，例如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向時(shí)車身的姿態(tài)、懸架狀態(tài)、轉(zhuǎn)向特性都會(huì)受到車輛重心高度的影響；尤其是在高速過(guò)彎時(shí)，重心過(guò)高極有可能發(fā)生側(cè)翻事故。因此，GB/T 12538、ISO 10392等標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)重心高度測(cè)試方法做了詳細(xì)規(guī)定[1][2]，GB/T 14172采用最大側(cè)翻穩(wěn)定角來(lái)評(píng)價(jià)汽車靜態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定性；此外，美國(guó)NCAP還專門針對(duì)SSF（Static Stability Factor）制定了測(cè)試程序用于評(píng)價(jià)車輛的抗側(cè)翻性能[5]。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定均與重心高度強(qiáng)相關(guān)。鑒于重心高度對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的重要性，本文將詳細(xì)論述重心高度對(duì)動(dòng)力性—等效爬坡度、制動(dòng)性—同步附著系數(shù)、操縱穩(wěn)定性—靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)SSF及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)DSF等關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)性能的影響。
 
2 重心高度測(cè)量方法介紹
根據(jù)本院統(tǒng)計(jì)，一般轎車重心高度500mm~600mm，SUV的重心高度650mm~750mm。對(duì)重心高度的測(cè)試方法有舉升法、側(cè)傾法、固定擺法、質(zhì)量反應(yīng)法等。
2.1 舉升法
舉升法測(cè)量重心高度，在GB/T 12538[1]、ISO 10392[2]中均有介紹；測(cè)試過(guò)程主要是鎖死懸架，將前軸或后軸抬高一定角度，測(cè)量軸荷變化；然后由規(guī)定公式（1）或（2）確定重心高度。
 （1）
或
 （2）
式中：l—軸距；rstat.f—前輪靜力半徑；rstat.r—后輪靜力半徑；mv—車輛總質(zhì)量；mr—后軸載質(zhì)量；mf—前軸載質(zhì)量；θ—縱向舉升角度。
舉升法雖然設(shè)備成本低，操作簡(jiǎn)單，但是測(cè)量誤差較大；因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中，懸架襯套、輪胎等的變形無(wú)法避免。這一點(diǎn)在ISO 10392前言中就明確指出：“The axle lift method can generally provide CG height accuracy in the range of a few percent”。此外，還有側(cè)傾法與舉升法相類似，由于測(cè)試過(guò)程中，懸架襯套、輪胎等變形無(wú)法避免，造成測(cè)量誤差較大[3]。
 
2.2 其他測(cè)試方法
ISO 10392-2011在保留舉升法的基礎(chǔ)上增加了固定擺測(cè)試法，由于不受懸架、輪胎變形影響，測(cè)試精度可達(dá)0.5%以上。
對(duì)于質(zhì)心高度的測(cè)試設(shè)備，還有沒(méi)有MTS公司KC試驗(yàn)臺(tái)VIMM測(cè)量模塊、英國(guó)ABD公司KC試驗(yàn)臺(tái)VIMM測(cè)量模塊、德國(guó)CFM公司VIMM測(cè)量設(shè)備等。測(cè)試原理均基于質(zhì)量反應(yīng)法，并且測(cè)量時(shí)車身與工作平臺(tái)固定，消除懸架、輪胎等的變形，達(dá)到高精度測(cè)量的效果，但不足之處在于設(shè)備昂貴。
3 重心高度對(duì)車輛性能的影響
3.1 重心高度對(duì)動(dòng)力性的影響
汽車的動(dòng)力性主要有最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度來(lái)衡量，也可以用汽車能通過(guò)的最大等效坡度q來(lái)衡量，即在一定附著系數(shù)路面上行駛時(shí)，車輛抵抗慣性、路面坡度引起的車輛重力分力、風(fēng)阻、滾阻等的能力。前驅(qū)車最大等效坡度q可由式（3）[4]確定。
 （3）
式中：a—重心至前軸距離；φ—路面附著系數(shù)；hg—重心高度；L—軸距；
從式（6）可見(jiàn)，重心高度hg越高，最大等效坡度q越小。究其原因，主要是因?yàn)檐囕v處于斜坡上重力分量以及加速度造成軸荷轉(zhuǎn)移，前軸荷降低，作用在驅(qū)動(dòng)輪上的最大地面切向反作用力降低。反之，后驅(qū)車在爬坡、加速時(shí)，由于軸荷后移，反而可以增大最大等效爬坡度。
3.2 重心高度對(duì)制動(dòng)性的影響
制動(dòng)效能（制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度）是制動(dòng)性關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，對(duì)行車安全有著重要影響。同步附著系數(shù)是反映汽車制動(dòng)性的關(guān)鍵參數(shù)，可由式（4）[4]確定。
 （4）
式中：φ0—同步附著系數(shù)；b—重心至后軸距離；hg—重心高度；L—軸距；β—制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)。
從式（7）可見(jiàn)，重心高度hg越高，同步附著系數(shù)越小，制動(dòng)性能越差。其根本原因是重心高度越高，制動(dòng)時(shí)前后軸軸荷轉(zhuǎn)移越大，在同等附著系數(shù)道路上的制動(dòng)效能降低。
3.3 重心高度對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響
國(guó)標(biāo)GB/T 14172-2009《汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》[5]采用側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量汽車最大側(cè)翻穩(wěn)定角，以表征汽車靜態(tài)側(cè)翻穩(wěn)定性。美國(guó)NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）在US-NCAP評(píng)價(jià)中，對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)SSF(Static Stability Factor) 有相關(guān)規(guī)定，以便對(duì)車輛抗側(cè)翻性能進(jìn)行評(píng)級(jí)。SSF由式（5）[6]確定。
 （5）
式（8）表征了純剛性汽車的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻性能，重心高度越高，性能越差。NHTSA(美國(guó)國(guó)家公路交通安全局)2005年公布的SSF發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告，表明轎車、SUV、輕型貨車的SSF都有明顯增大[7]。轎車SSF均值隨年份的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1[8]。
圖1 轎車SSF均值隨年份的變化趨勢(shì)
然而，由于懸架、輪胎等的變形，在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時(shí)抗側(cè)翻性能會(huì)降低約5%[4]；考慮懸架、輪胎等變形影響的準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)由式（6）[4]確定。
 （6）
式中：T—輪距；H—重心高度；Rφ—側(cè)傾率（rad/g）；hr—側(cè)傾中心高度；
不僅如此，美國(guó)NHTSA在US-NCAP評(píng)價(jià)中，還規(guī)定有Fish-Hook、J-turn等動(dòng)態(tài)測(cè)試。國(guó)標(biāo)GB/T 6323-2014 《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》也對(duì)操縱穩(wěn)定性測(cè)試方法做了規(guī)定，如蛇形試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)等動(dòng)態(tài)測(cè)試。“汽車的瞬態(tài)側(cè)傾閾值比準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的小。對(duì)于轎車和多用途車輛，階躍轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾閾值比B/(2Hg)低約30%，而貨車則低約50%。” [4]
為了準(zhǔn)確的描述汽車動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻性能，南京航空航天大學(xué)金智林博士在其博士論文《運(yùn)動(dòng)型多功能汽車側(cè)翻穩(wěn)定性及防側(cè)翻控制》中給出了汽車側(cè)翻動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子(Dynamic Stability Factor，DSF)（式7）[9]。
 （7）
參數(shù)定義詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6]。根據(jù)作者分析，DSF可以分成靜態(tài)穩(wěn)定因子（）和動(dòng)態(tài)因素兩部分，且動(dòng)態(tài)因素部分（含負(fù)號(hào)）總是小于零，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性總是比靜態(tài)穩(wěn)定性差。從式10可見(jiàn)，重心高度是影響DSF動(dòng)、靜兩部份的關(guān)鍵參數(shù)，H越大，DSF越小，即車輛穩(wěn)定性越差。隨后，文中還對(duì)重心高度和輪距對(duì)汽車側(cè)翻穩(wěn)定區(qū)域的影響進(jìn)行了分析（如圖2、圖3）[9]；得出結(jié)論：“隨著重心高度增加，橫向加速度極限值減小，但由動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子得到汽車側(cè)翻橫向加速度極限值隨著重心高度減小的更快，即受重心高度變化的影響更大……由動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子和靜態(tài)穩(wěn)定因子得到汽車側(cè)翻橫向加速度極限值受輪距寬度的影響程度是一致的。因此，由動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子定義可知，在汽車設(shè)計(jì)中提高汽車側(cè)翻穩(wěn)定性時(shí)，適當(dāng)?shù)臏p小汽車重心高度比同比增大輪距寬度的措施更有效。而根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定因子定義同比減小重心高度或增大輪距寬度對(duì)改善汽車防側(cè)翻穩(wěn)定性效果相同。” [9]
圖2 (ay，H ) 參數(shù)平面內(nèi)汽車側(cè)翻穩(wěn)定區(qū)域比較
圖3 (ay，T ) 參數(shù)平面內(nèi)汽車側(cè)翻穩(wěn)定區(qū)域比較

3.4 重心高度對(duì)車輛其他性能的影響
 
重心高度不僅對(duì)動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性有很大影響，對(duì)駕乘舒適性、碰撞安全性、通過(guò)性等性能也有影響。
對(duì)駕乘舒適性的影響主要體現(xiàn)在制動(dòng)點(diǎn)頭、加速抬頭、轉(zhuǎn)向側(cè)傾等工況；雖然提高懸架剛度，可以減少車身姿態(tài)的變化，但會(huì)降低平順性。發(fā)生前碰時(shí)，若質(zhì)心高度太高，車輛在劇烈減速度作用下后軸可能翹起，加劇駕乘人員下潛，進(jìn)而降低碰撞安全性。對(duì)于通過(guò)性的影響，例如通過(guò)“V”形溝，車輛進(jìn)入時(shí)軸荷前移，懸架變形而降低了接近角度；駛出時(shí)軸荷后移，懸架變形而降低了離去角。重心高度越高，這些影響越明顯。

4 小結(jié)
通過(guò)以上分析，可見(jiàn)重心高度對(duì)車輛動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性等眾多關(guān)鍵性能有著重要影響，因此在車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中要盡量降低重心高度。
在豐田全新的造車?yán)砟頣NGA（Toyota New Global Architecture）中，為了提升乘坐舒適性、駕駛操控性等動(dòng)力學(xué)性能，將重心高度作為關(guān)鍵指標(biāo)之一；重心高度控制技術(shù)在第四代普銳斯、第八代凱美瑞等車型上得以應(yīng)用，取得了良好效果。 
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