摘要：車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中如果發(fā)生跑偏，希望通過(guò)合理的懸架參數(shù)設(shè)定來(lái)抑制跑偏現(xiàn)象。本文選取了兩個(gè)懸架參數(shù)，首先通過(guò)理論分析研究它們對(duì)制動(dòng)跑偏性能的影響，隨后找到與這兩個(gè)懸架參數(shù)敏感度高的懸架零部件，通過(guò)改變零件狀態(tài)調(diào)整兩個(gè)懸架參數(shù)值，再借助carsim仿真和整車(chē)試驗(yàn)的方法對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。最終得出車(chē)輛懸架參數(shù)及懸架零部件如何影響制動(dòng)跑偏性能，為前期的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1引言

汽車(chē)制動(dòng)跑偏，是指汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)自動(dòng)偏向一方，很可能造成嚴(yán)重事故。造成汽車(chē)制動(dòng)跑偏的原因很多，包括了制動(dòng)器、懸架系統(tǒng)、前輪定位和輪胎等因素。其中大部分原因都是車(chē)輛狀態(tài)與正常狀態(tài)不一致，如同軸左右制動(dòng)力不等，懸架系統(tǒng)損壞變形，轉(zhuǎn)向節(jié)松曠及前束調(diào)整不當(dāng)?shù)?，?chē)輪定位參數(shù)不對(duì)稱(chēng)也是造成車(chē)輛制動(dòng)跑偏的一個(gè)重要原因。本文以乘用車(chē)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究麥弗遜懸架系統(tǒng)特性參數(shù)對(duì)車(chē)輛制動(dòng)跑偏的影響，即當(dāng)車(chē)輛由于各種原因發(fā)生制動(dòng)跑偏時(shí)，這些懸架參數(shù)的變化如何抑制或放大制動(dòng)跑偏的現(xiàn)象。研究結(jié)論可以指導(dǎo)懸架及底盤(pán)系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)，在早期對(duì)車(chē)輛的性能有更深入的理解。

懸架系統(tǒng)總成的特性參數(shù)主要是指懸架的K&C特性參數(shù)和車(chē)輪及懸架的幾何定位參數(shù)靜態(tài)設(shè)計(jì)值。所謂K&C特性可以分為K（kinematic）特性和C（compliance）特性。K特性即懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，是指車(chē)輪在垂直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中由于懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用而導(dǎo)致車(chē)輪平面和輪心點(diǎn)產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，表示只與懸架連桿有關(guān)的彈簧變形過(guò)程；C特性即懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導(dǎo)致的車(chē)輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，施加力導(dǎo)致的變形跟懸架系統(tǒng)的彈簧、橡膠襯套以及零部件的變形有關(guān)。車(chē)輪定位參數(shù)靜態(tài)設(shè)計(jì)值是指車(chē)輪前束角和車(chē)輪外傾角的設(shè)計(jì)名義值，懸架幾何定位參數(shù)是指主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)偏置距、主銷(xiāo)后傾拖距等設(shè)計(jì)名義值。

在split μ（左右輪路面附著系數(shù)不同）路面制動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，不同的主銷(xiāo)偏置拖距（scrub radius/mm）會(huì)影響車(chē)輛制動(dòng)跑偏偏移量。圖1中的scrub radius定義為正值。在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中，懸架系統(tǒng)受力情況與K&C試驗(yàn)中縱向力加載工況類(lèi)似，因此C特性參數(shù)縱向力轉(zhuǎn)向率（brake force steer/Deg/KN）也會(huì)對(duì)制動(dòng)跑偏有直接的影響，制動(dòng)時(shí)前輪有toe-out（前束變?。┶厔?shì)時(shí)定義其為正值。本文也將主要研究這兩個(gè)參數(shù)與制動(dòng)跑偏的關(guān)系。

圖1 主銷(xiāo)偏置拖距Scrub Radius

本文首先通過(guò)理論分析得到兩個(gè)懸架系統(tǒng)參數(shù)如何影響車(chē)輛制動(dòng)跑偏穩(wěn)定性；再借助仿真分析的方法找到對(duì)兩個(gè)參數(shù)影響度較大的懸架零件，通過(guò)改變零件狀態(tài)改變車(chē)輛制動(dòng)跑偏性能。借助Carsim軟件建立實(shí)車(chē)模型，模擬制動(dòng)跑偏工況分析車(chē)輛在不同的懸架參數(shù)下制動(dòng)跑偏的差異；再通過(guò)不同的懸架零件狀態(tài)改變懸架參數(shù)，實(shí)車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而總結(jié)出兩個(gè)懸架K&C參數(shù)如何影響車(chē)輛制動(dòng)跑偏性能，為今后的底盤(pán)架構(gòu)設(shè)計(jì)的前期開(kāi)發(fā)提供參考。

2理論分析

假設(shè)車(chē)輛受到左右兩個(gè)方向的制動(dòng)力不同（FxL < FxR），會(huì)以車(chē)輛質(zhì)心為中心產(chǎn)生一個(gè)橫擺力矩Myaw（>0）使車(chē)輛向右跑偏（定義順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)為正）。當(dāng)Scrub radius值為負(fù)時(shí)，左右車(chē)輪分別產(chǎn)生一個(gè)大小不同方向相反的轉(zhuǎn)向力矩，綜合后在車(chē)輛上形成一個(gè)總的轉(zhuǎn)向力矩Msteer。

Msteer剛好可以與整車(chē)的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車(chē)輛的制動(dòng)跑偏效應(yīng)（如圖2所示）。同理，當(dāng)scrub radius值為正時(shí)，Msteer >0，轉(zhuǎn)向效應(yīng)會(huì)放大制動(dòng)跑偏趨勢(shì)。

同樣，車(chē)輛左右兩邊受到不同的制動(dòng)力（FxL< FxR），當(dāng)brake force steer為負(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)向前輪產(chǎn)生toe-in趨勢(shì)，左右車(chē)輪分別產(chǎn)生一個(gè)大小不同方向相反的車(chē)輪轉(zhuǎn)角（定義順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)為正），綜合后在車(chē)輛上形成轉(zhuǎn)向效應(yīng)。

δ產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向效應(yīng)剛好可以與整車(chē)的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車(chē)輛的制動(dòng)跑偏效應(yīng)（如圖3所示）。同理，當(dāng)brake force steer值為正時(shí)，δ > 0，轉(zhuǎn)向效應(yīng)會(huì)放大制動(dòng)跑偏趨勢(shì)。

3懸架零件對(duì)懸架參數(shù)scrub radius和brake force steer的影響

通過(guò)前文的描述，在不改變懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以直接調(diào)整前輪距來(lái)改變Scrub Radius值。輪距的調(diào)整可以通過(guò)改變車(chē)輪偏距wheel offset的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。Wheel offset定義為車(chē)輪安裝面與車(chē)輪中心的距離（圖4），wheel offset值越小，車(chē)輪越向外側(cè)移動(dòng)，scrub radius值即變大，如果scrub radius初始狀態(tài)值為負(fù)，通過(guò)不斷地調(diào)整可以使之變正。在輪轂與車(chē)輪的安裝面上添加墊片，可以來(lái)減小wheel offset，使scrub radius越來(lái)越大直至變正。

圖2 主銷(xiāo)偏置拖距Scrub Radius對(duì)制動(dòng)跑偏的影響

圖3 縱向力轉(zhuǎn)向率Brake force steer對(duì)制動(dòng)跑偏的影響

圖4 車(chē)輪偏距wheel offset

影響brake force steer的因素有很多，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析主要分為以下兩類(lèi)：硬點(diǎn)位置和襯套剛度。硬點(diǎn)位置方面，通過(guò)仿真分析可以找到對(duì)brake force steer有較大影響的幾個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)，但是改變硬點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)影響KC其它參數(shù)性能，同時(shí)還存在與周邊零件干涉的風(fēng)險(xiǎn)，故暫不考慮此方案。

襯套剛度方面，可以調(diào)整與Ride & Handling性能相關(guān)的控制臂襯套剛度（bushing stiffness）來(lái)改變brake force steer。研究控制臂前襯套和控制臂后襯套，發(fā)現(xiàn)控制臂后襯套的剛度對(duì)brake force steer的敏感性較高（表1）。可以通過(guò)改變控制臂后襯套剛度的方式來(lái)改變brake force steer的值。

表1 bushing剛度與brake force steer關(guān)系

4方案設(shè)計(jì)

選取某在售成品車(chē)型作為研究的基準(zhǔn)，原車(chē)狀態(tài)下scrub radius初始值為-10mm，為了能夠全面反映其影響，再分別調(diào)整其為0mm和+10mm，研究制動(dòng)跑偏有何變化。

brake force steer以原車(chē)狀態(tài)為基準(zhǔn)，上、下調(diào)整其值研究對(duì)制動(dòng)跑偏的影響。根據(jù)本文第2部分的研究，可以通過(guò)更換不同剛度的控制臂后襯套來(lái)實(shí)現(xiàn)brake force steer值的調(diào)整。控制臂后襯套的選取如表2所示。

表2 三組控制臂后襯套

更換幾組控制臂后襯套分別進(jìn)行K&C試驗(yàn)，隨著bushing剛度的增加，brake force steer的值也增加（偏正趨勢(shì)），如表3所示:

表3 三組控制臂后襯套對(duì)應(yīng)的brake force steer

在實(shí)驗(yàn)中，分別取三組控制臂后襯套和車(chē)輪，構(gòu)造實(shí)驗(yàn)輪次共9次如表4所示:

表4 試驗(yàn)輪次設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)和仿真分析中，設(shè)定制動(dòng)跑偏的初始車(chē)速為100km/h，分別執(zhí)行0.2g，0.4g和0.6g減速度的制動(dòng)。人為地在車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中將左前和右前車(chē)輪的制動(dòng)力調(diào)整為不同（0.9：1）使車(chē)輛發(fā)生制動(dòng)跑偏現(xiàn)象，再記錄不同的brake force steer和scrub radius組合如何影響制動(dòng)跑偏。

5Carsim仿真分析懸架參數(shù)對(duì)制動(dòng)跑偏的影響

CarSim是一種專(zhuān)業(yè)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，能準(zhǔn)確模擬車(chē)輛對(duì)駕駛員操作行為、空氣動(dòng)力學(xué)以及路面激勵(lì)的響應(yīng)，在車(chē)輛操縱穩(wěn)定性、平順性、燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。carsim建模的核心是參數(shù)化建模，主要是針對(duì)車(chē)輛基本參數(shù)、懸架K特性、懸架C特性和輪胎特性建模。本文基于某乘用車(chē)的K&C測(cè)試數(shù)據(jù)建立整車(chē)模型。圖5介紹了在carsim中建立車(chē)輛模型的主要過(guò)程。

圖5 Carsim中車(chē)輛模型的建立

車(chē)輛模型中，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里可以直接修改scrub radius；在前懸架C特性參數(shù)中，通過(guò)“Toe/Fx coefficient”修改brake force steer。按照前文的設(shè)計(jì)方案，模型中其它參數(shù)皆不變，用不同的brake force steer和scrub radius組合進(jìn)行仿真。由于carsim軟件條件限制，制動(dòng)時(shí)的方向盤(pán)力矩不準(zhǔn)確，只作為參考；制動(dòng)時(shí)設(shè)置方向盤(pán)轉(zhuǎn)角始終為0，相當(dāng)于方向盤(pán)處于鎖死狀態(tài)。用制動(dòng)后車(chē)輛的側(cè)向位移作為跑偏指標(biāo)，最終的仿真結(jié)果如表5所示。在左右制動(dòng)力相同的情況下，車(chē)輛基本不發(fā)生跑偏，在左右制動(dòng)力不同的情況下，可以發(fā)現(xiàn)不同的scrub radius和brake force steer下側(cè)向偏移量不相同，并且有一定的規(guī)律，后面會(huì)繼續(xù)分析。

6試驗(yàn)驗(yàn)證懸架參數(shù)對(duì)制動(dòng)跑偏的影響

與仿真不同，使左右制動(dòng)力按比例分配的方法需要單獨(dú)加工一個(gè)比例閥來(lái)調(diào)節(jié)一側(cè)車(chē)輪的管路壓力。該裝置可以接在ABS模塊左前輪制動(dòng)管路壓力輸出口后，按照90%的比例調(diào)節(jié)管路壓力，使得左前輪制動(dòng)力為右前輪制動(dòng)力的90%，人為地使車(chē)輛制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏。試驗(yàn)操作需采集并監(jiān)測(cè)橫、縱向車(chē)速，側(cè)向、縱向加速度，航向角，橫擺角速度和側(cè)向位移等通道數(shù)據(jù)。

表5 Carsim仿真制動(dòng)跑偏量結(jié)果

制動(dòng)跑偏試驗(yàn)中，需要通過(guò)零件的更換來(lái)調(diào)整brake force steer和scrub radius值。根據(jù)前文的分析，可以使用不同規(guī)格的車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的wheel offset，從而得到幾組不同的scrub radius值。再更換已經(jīng)加工好的控制臂后襯套（集成在控制臂中），得到幾組不同的brake force steer值。按照之前設(shè)計(jì)的方案選取不同的組合分別進(jìn)行試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)工況與仿真工況類(lèi)似，都是車(chē)輛滑行到100km/h時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，用制動(dòng)后車(chē)輛的側(cè)向位移偏移量作為最終的指標(biāo)。與仿真不同的是，試驗(yàn)中鎖死方向盤(pán)的方法不容易操作，重復(fù)性差，因此采用制動(dòng)時(shí)撒手的辦法，方向盤(pán)沒(méi)有力矩輸入的條件下測(cè)量制動(dòng)跑偏量。將試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行處理，得到不同懸架狀態(tài)的制動(dòng)跑偏量如表6所示：

表6 制動(dòng)跑偏量試驗(yàn)結(jié)果

7結(jié)論

從試驗(yàn)和仿真結(jié)果看，brake force steer和scrub radius變化對(duì)制動(dòng)跑偏的影響與理論分析結(jié)果有同樣的趨勢(shì)。在brake force steer相同的情況下，scrub radius越大制動(dòng)跑偏越嚴(yán)重，因此scrub radius偏負(fù)對(duì)制動(dòng)跑偏有一定的抑制作用。相似的，在scrub radius相同的情況下，brake force steer越大，即控制臂后襯套剛度越高，制動(dòng)跑偏越嚴(yán)重。設(shè)計(jì)懸架參數(shù)時(shí)可以使Brake force steer偏負(fù)一些，這樣有利于抑制制動(dòng)跑偏。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，仿真與試驗(yàn)可以較好地對(duì)應(yīng)，在前期的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中可以應(yīng)用仿真的手段來(lái)分析類(lèi)似的問(wèn)題。

在底盤(pán)懸架系統(tǒng)前期的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，brake force steer和scrub radius的值是受很多因素決定的，制動(dòng)跑偏只是其中的一個(gè)方面。如果在前期的開(kāi)發(fā)中，其中一個(gè)參數(shù)值由于各種限制原因不得不取在有可能發(fā)生制動(dòng)跑偏風(fēng)險(xiǎn)的范圍內(nèi)，則可以通過(guò)調(diào)整另外的參數(shù)值來(lái)彌補(bǔ)這一風(fēng)險(xiǎn)，這在前期架構(gòu)開(kāi)發(fā)中具有很重要的意義。

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