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車輛側(cè)傾因素及其對整車性能的影響
2020-01-20 23:33:14· 來源：旺材電動車
導(dǎo) 言車輛的側(cè)傾運動性能是車輛性能的一個重要部分，關(guān)系到操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和安全性。車輛側(cè)傾性能因素主要包括側(cè)傾中心高度、側(cè)傾角剛度、側(cè)傾阻尼等。
導(dǎo) 言
車輛的側(cè)傾運動性能是車輛性能的一個重要部分，關(guān)系到操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和安全性。車輛側(cè)傾性能因素主要包括側(cè)傾中心高度、側(cè)傾角剛度、側(cè)傾阻尼等。側(cè)傾中心高度在車輛轉(zhuǎn)向時對輪胎抓地能力、左右輪載荷轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)向性能等很多車輛性能均有重要的影響。由于側(cè)傾中心高度由懸架的幾何機構(gòu)決定，在設(shè)計初期確定之后，后起很難更改。所以對它的理論分析和優(yōu)化就顯得尤為重要。國內(nèi)外很多汽車企業(yè)的工程師們都對側(cè)傾中心高度進行過深入的研究。側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼的作用比較明朗，由于側(cè)傾角和側(cè)傾角速度是重要的車輛操控穩(wěn)定性和平順性的評價指標，并且對其它指標如橫擺角速度、側(cè)向加速度也有影響，因此，側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼的研究也不容忽視。下面利用多體動力學(xué)軟件MSC ADAMS對這些參數(shù)及其對車輛性能的影響進行詳細的計算和分析。
仿真模型
算例為一款前后均配置獨立懸架的中高級轎車。前懸架為雙叉臂式，后懸架為多連桿式。
圖1 前后懸架及整車仿真模型
側(cè)傾中心
在前后軸輪心的橫向垂直平面內(nèi)，車輛在橫向力作用下車身側(cè)傾的瞬時回轉(zhuǎn)中心稱為側(cè)傾中心。前后側(cè)傾中心的連線稱為側(cè)傾軸線，是車身相對于地面轉(zhuǎn)動的瞬時軸線。側(cè)傾中心距地面的高度稱為側(cè)傾中心高度。車輛轉(zhuǎn)向時，車身繞側(cè)傾軸線進行回轉(zhuǎn)。嚴格說來側(cè)傾中心的概念只在側(cè)傾起始狀態(tài)有意義。
側(cè)傾中心高度對前后軸側(cè)偏角、外傾角都有影響，進而影響車輛的轉(zhuǎn)向性能和輪胎抓地能力。
側(cè)傾中心的位置由懸架的導(dǎo)向機構(gòu)決定，可以通過幾何圖解法得到。以算例中的前懸架——雙叉臂獨立懸架為例。上控制臂和下控制臂兩個平面的交線形成一條瞬時旋轉(zhuǎn)軸線，該軸線與輪胎接地點可以形成一個平面。左右兩平面的交線與輪心處橫向垂直面的交點就是懸架的幾何側(cè)傾中心。
圖2 雙叉臂懸架瞬時旋轉(zhuǎn)軸線
3.1 側(cè)傾中心高度與外傾補償
在轉(zhuǎn)向運動中，側(cè)傾中心高度(RCH)對輪胎的外傾補償會產(chǎn)生影響，如圖3所示。一般來說，外傾補償越大越好。如果外傾補償?shù)扔?00%，說明在輪胎發(fā)生側(cè)傾時，輪胎始終垂直于地面，這樣可以保持很好的抓地力。側(cè)傾中心高度對外傾補償?shù)挠绊戁厔萦删唧w懸架導(dǎo)向桿系的位置決定。
圖3 側(cè)傾中心與外傾補償
3.2 側(cè)傾時的輪荷轉(zhuǎn)移
車輛轉(zhuǎn)向時，由于離心力的作用，會產(chǎn)生側(cè)傾力矩，此時載荷在左右車輪上發(fā)生轉(zhuǎn)移。輪荷的轉(zhuǎn)移會影響車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化。
在計算各個車輪的垂直載荷時，首先把作用在車身質(zhì)心位置處的離心力分配到前后懸架的側(cè)傾中心Ofront和Orear上，
式中，L為軸距，a、b為前后側(cè)傾中心據(jù)質(zhì)心的距離。
前后懸架作用于車身的恢復(fù)力矩為，
式中，Krf，Krr為前后懸架側(cè)傾角剛度；φr為車身側(cè)傾角。
可以得到前懸架左右車輪地面垂直反力的變化量，
式中，F(xiàn)zf1、Fzfr為左右車輪地面垂直反力變化量，hf為前懸架側(cè)傾中心高度，Bf為前輪距，F(xiàn)ufy為前懸架非簧載質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，huf為前懸架非簧載質(zhì)量質(zhì)心離地面的高度。
由此可以看出，側(cè)向力一定時，側(cè)傾中心高度越大，左右車輪載荷轉(zhuǎn)移越大。
圖4 側(cè)傾中心高度不同時的垂直力變化
3.3 側(cè)傾中心高度與車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)
在車輛做轉(zhuǎn)向運動時，大的輪荷轉(zhuǎn)移將使輪胎側(cè)偏角增大。因此，若增大前懸架側(cè)傾中心高度，將增大車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢；若增大后懸架的側(cè)傾中心高度，將增大車輛的過度轉(zhuǎn)向趨勢。
圖5所示為穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗得到的前后輪胎側(cè)偏角之差與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線。曲線的斜率可以表示車輛的不足轉(zhuǎn)向度。由圖上可以看出，后軸側(cè)傾中心高度越高，不足轉(zhuǎn)向度越小。
在做計算時，采用調(diào)整后懸架上控制臂內(nèi)點的高度來調(diào)整側(cè)傾中心高度。這種懸架幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)整會影響懸架垂直線剛度和側(cè)傾角剛度。由于在這一節(jié)中只考察側(cè)傾中心高度的影響，通過調(diào)整彈簧剛度和橫向穩(wěn)定桿直徑對懸架剛度進行了補償，保證仿真計算結(jié)果不受其他因素影響。
另外，研究表明側(cè)傾中心高度只是懸架的幾何特性，由幾何結(jié)構(gòu)決定，是懸架的固有特性，所以在懸架設(shè)計初期就可以對它進行優(yōu)化并凍結(jié)。
側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼
懸架的側(cè)傾角剛度是指側(cè)傾時，單位車身轉(zhuǎn)角下懸架系統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力矩?？梢杂霉?/div>
表示。
懸架側(cè)傾角剛度可以用線剛度近似計算得到，
K為懸架線剛度，B為輪距。
懸架線剛度主要由彈簧剛度和橫向穩(wěn)定桿和桿端橡膠襯套對垂向剛度的貢獻組成。
側(cè)傾阻尼指側(cè)傾時單位側(cè)傾角速度下懸架給車身系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力矩，可以由類似定義得到。側(cè)傾阻尼主要由減振器、襯套和系統(tǒng)摩擦組成。
車身側(cè)傾角及側(cè)傾角速度是評價車輛操縱穩(wěn)定性和平順性的重要參數(shù)。過大的側(cè)傾角會使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全，也會使乘客感到不舒適。而如果側(cè)傾角過小，即側(cè)傾角剛度過大，在單側(cè)車輪遇到凸起或者凹坑時，會影響輪胎的隨地性能，車身感受到的沖擊也會比較劇烈。而且側(cè)傾角數(shù)值本身也會影響車輛的橫擺角速度響應(yīng)性能。
根據(jù)定義可知，一定側(cè)向加速度，即側(cè)傾力矩一定時，側(cè)傾剛度變大，側(cè)傾角會變小，側(cè)傾剛度變小，側(cè)傾角會變大；側(cè)傾阻尼變大，側(cè)傾角速度變小，側(cè)傾阻尼變小，側(cè)傾角速度會增大。以此規(guī)律，可以調(diào)整橫向穩(wěn)定桿、減振器等相關(guān)部件來得到合適的側(cè)傾角和側(cè)傾角速度。
圖6 前懸架不同側(cè)傾剛度時車身側(cè)傾角
圖6所示為調(diào)整前懸架橫向穩(wěn)定桿直徑，使側(cè)傾剛度為1.42e+006Nmm/deg、1.06e+006Nmm/deg、7.19e+005Nmm/deg，以同一車速做ISO雙移線仿真試驗，得到的車身側(cè)傾角曲線。曲線顯示，側(cè)傾剛度越大，側(cè)傾角峰值越小。
圖7 前懸架不同減振器阻尼時車身側(cè)傾角速度
圖7所示為調(diào)整前懸架減振器阻尼，使阻尼分別增大為原來的2倍、4倍，以相同的車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、起躍速度做轉(zhuǎn)向盤角階躍仿真試驗，得到的車身側(cè)傾角速度曲線。曲線顯示，阻尼越大，側(cè)傾角速度峰值越小。
結(jié) 論
討論了車輛幾個主要側(cè)傾因素：側(cè)傾中心、側(cè)傾剛度、側(cè)傾阻尼，及其對懸架和整車性能的影響。對它們的影響做了理論上的分析，并在多體動力學(xué)仿真分析軟件MSC ADAMS中做了仿真試驗驗證。通過分析得到：側(cè)傾中心高度影響懸架的外傾補償；側(cè)傾中心高度提高，在側(cè)傾運動時左右輪荷轉(zhuǎn)移增大，會影響整車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼決定側(cè)傾運動時的車身側(cè)傾角和側(cè)傾角速度。 
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