李占東，唐嵐，羅位

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

前言

汽車前輪定位參數(shù)是汽車底盤幾何參數(shù)中最為重要的參數(shù)，它直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性，以及操縱穩(wěn)定性。前輪定位參數(shù)中，前輪外傾角與前束角的變化特性對輪胎磨損以及整車操縱穩(wěn)定性有很大的影響。汽車在平直公路上行駛時，正外傾會使輪胎向外側(cè)偏移，正前束會使輪胎向內(nèi)側(cè)偏移。前束與外傾的運動特性匹配要求既能滿足整車操穩(wěn)性能，又要減少前束和外傾帶來輪胎磨損的不利影響。文獻(xiàn)[1]分析了前輪在外傾和前束共同作用下的運動軌跡幾何關(guān)系，推導(dǎo)出了外傾角和前束值的匹配公式。車輪跳動對前輪定位參數(shù)的影響的研究有很多，為本文的研究提供了一定的思路和方法。

本文以某前懸架系統(tǒng)為研究對象，利用Adams/car建立前懸架虛擬樣機，分析前輪定位參數(shù)隨車輪跳動的變化，通過多體動力學(xué)仿真分析及前束角與外傾角的理論匹配關(guān)系得出該車型最合理的前束角和與外傾角梯度，并對整車操穩(wěn)進(jìn)行分析以驗證前束與外傾匹配的合理性。

1 前束角與外傾角的匹配關(guān)系

1.1 前束角

前束角是指在汽車行駛的俯視圖上，車輪中心面和水平面交線與汽車縱向?qū)ΨQ面的夾角。在行駛過程中車輪外傾會使得前輪的滾動類似于圓錐滾，由于轉(zhuǎn)向橫拉桿的約束使得前輪在滾動過程中出現(xiàn)邊滾邊側(cè)滑的現(xiàn)象，為了消除和減輕這一現(xiàn)象，會在前輪設(shè)置與之匹配的前束值。根據(jù)側(cè)偏角的定義[2]，前輪前束角可以理解為輪胎的側(cè)偏角。

1.2 外傾角

對于整體橋懸架來說，當(dāng)滿載時車橋變形會使得車輪外傾有變小的趨勢，對于獨立懸架來說，由于受導(dǎo)向機構(gòu)約束車輪跳動時車輪外傾會有一定的變化。整備狀態(tài)下汽車前輪一般都會給出一定的外傾角初始值，以補償懸架壓縮車輪外傾的變化。外傾角對于輪胎磨損和汽車操作穩(wěn)定性都有一定影響。對于車輪外傾角，能夠保證車輪在滿載情況下不會出現(xiàn)內(nèi)傾的情況，減少車輪的偏磨損。同時也會減少輪轂外軸承的負(fù)荷。當(dāng)車輪在一定的外傾角下滾動時，將會產(chǎn)生一定外傾側(cè)向力[2]。

對于車輪在一定的外傾角作用下產(chǎn)生的側(cè)傾力，可以等效為產(chǎn)生了一定的側(cè)偏角Δα，則車輪的外傾角γ與側(cè)偏角Δα的關(guān)系可以用以下公式表達(dá)：

1.3 外傾角與前束角匹配關(guān)系計算

對于轉(zhuǎn)向輪而言，合理的匹配外傾角與前束角的關(guān)系，可以使跳動時車輪的前束角和外傾角引起的側(cè)偏角相互抵消[5]（在輪胎側(cè)偏特性的線性范圍內(nèi)）。從而減少汽車在直線行駛過程中輪胎的側(cè)滑量，一方面降低了輪胎的磨損，另一方面也可以減少車輪的行駛阻力。基于輪胎的運動幾何軌跡，建立了外傾角與前束角的理論匹配關(guān)系式[3]：

式中：L為軸距（mm）；a為輪胎接地半印跡長度（mm）；R為輪胎滾動半徑（mm）；γ為車輪外傾角（°）。

2 匹配設(shè)計方法

在確定前懸架系統(tǒng)模型后，通過仿真和計算得出前束角隨輪跳的變化曲線及外傾角等效的側(cè)偏角隨輪跳的變化曲線。因此優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為二者曲線之間的誤差盡量小，從而實現(xiàn)減少輪胎磨損的目的[4]。優(yōu)化模型以前束角βa和外傾角γ為設(shè)計變量，βa一般為0～15′，γ一般為0～1o。

優(yōu)化目標(biāo)是車輪跳動過程中前束角的實際值與理論值的差值的平方和最小，具體目標(biāo)函數(shù)式為：

式中：F(X)，為輪跳時得目標(biāo)函數(shù)；hi為車輪的輪跳值；ε(h)為權(quán)重系數(shù)，在區(qū)間[-50，-30)取 0.5，在區(qū)間[-30，-30]取 1.5，在區(qū)間[30，50]取 1；βa，βt分別為實際仿真前束角和外傾角等效的前輪側(cè)偏角。

3 實例分析

根據(jù)上述匹配設(shè)計方法對設(shè)計車前懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。該設(shè)計車基本參數(shù)如下表1：

表1 設(shè)計車基本參數(shù)

3.1 平行輪跳工況分析

根據(jù)基本輸入?yún)?shù)在Adams/Car模塊中建立了本文所選用車型的前懸架系統(tǒng)虛擬樣機模型，如圖1所示。本模型是在其確定的輪跳區(qū)間，半載工況下進(jìn)行仿真。選取前束角 β和外傾角γ為設(shè)計變量，利用上文提出的外傾角和前束角的理論匹配關(guān)系式，對其輪跳過程中前輪外傾角等效的側(cè)偏角和前束角的誤差進(jìn)行分析，使其動態(tài)的前束角與外傾角得到更合理的匹配。

在動力學(xué)模型中輸入相關(guān)參數(shù)，通過仿真分析并對懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，前束角初始值調(diào)整為 0.17mm，外傾角初始值調(diào)整為0.5°。仿真結(jié)果如表2所示，優(yōu)化后跳動轉(zhuǎn)向角及跳動外傾角等效的前輪側(cè)偏角的變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出隨輪跳變化的前束角更接近于與外傾角等效的側(cè)偏角，平均跳動轉(zhuǎn)向率也更接近于跳動外傾角等效的側(cè)偏角的平均斜率，說明隨輪跳變化的動態(tài)前束角與外傾角實現(xiàn)了合理的匹配。由此以來，在車輪跳動時外傾角和前束角產(chǎn)生的輪胎側(cè)滑量能夠更大程度的抵消，從而實現(xiàn)減少輪胎的磨損。

表2 相關(guān)參數(shù)分析結(jié)果

圖2 前輪跳動前束角及跳動外傾角等效的側(cè)偏角變化曲線

3.2 整車操穩(wěn)驗證

在上述對前輪前束角與外傾角匹配設(shè)計之后，需對整車操穩(wěn)進(jìn)行分析以驗證匹配設(shè)計的合理性。輸入整車基本參數(shù)建立整車模型，對于前輪前束與外傾對整車操穩(wěn)的影響主要從穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和掃頻轉(zhuǎn)向兩個工況進(jìn)行分析。本文將參照國標(biāo)GBT 6263-2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》，采用開環(huán)評價方法，即在相同的行駛工況條件下，通過整車模型在各種典型工況下的響應(yīng)來分析樣車的操縱穩(wěn)定性。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗主要用于評價車輛前、后軸的側(cè)偏柔性以及整車的不足轉(zhuǎn)向特性，側(cè)傾梯度等。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真結(jié)果如表3所示顯示，前軸側(cè)偏柔性梯度及整車不足轉(zhuǎn)向度均滿足整車設(shè)計性能要求。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能指標(biāo)

圖3 前軸轉(zhuǎn)向柔性

圖4 整車不足轉(zhuǎn)向度

掃頻轉(zhuǎn)向仿真主要考察在不同的方向盤輸入頻率下，車輛的響應(yīng)特性。0.2Hz及1Hz下車輛橫擺角速度及側(cè)向加速度響應(yīng)時間，反映駕駛員在緩慢轉(zhuǎn)動方向盤及快速轉(zhuǎn)動方向盤輸入下車輛的頻率響應(yīng)特性。掃頻轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果如表4所示顯示，掃頻轉(zhuǎn)向各項指標(biāo)均滿足整車設(shè)計性能要求。

表4 掃頻轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)

圖5 橫擺角速度增益

4 總結(jié)

概述了轉(zhuǎn)向輪前束和外傾對客車輪胎磨損的影響關(guān)系，并基于Adams/Car仿真分析了前束和外傾隨車輪跳動的變化情況，提出了將前束值和外傾角作為設(shè)計變量的設(shè)計方法，使得動態(tài)的前束角和外傾角實現(xiàn)更進(jìn)一步的匹配。分析結(jié)果表明該前懸車輪跳動過程中前束角更接近于外傾角等效的側(cè)偏角，兩者可相互抵消，減小兩指標(biāo)帶來的負(fù)面影響。所采用的方法能進(jìn)一步的實現(xiàn)前束與外傾的匹配，為車輛的開發(fā)與設(shè)計提供了一定的參考，具有工程實用價值。

[1] 馬駿,錢立軍.汽車外傾角與前束值的合理匹配研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,01:25-28.

[2] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:135-144.

[3] 管迪華,吳衛(wèi)東,張艾謙.利用試驗?zāi)B(tài)參數(shù)對輪胎垂直特性建模[J].汽車工程,1997,06:325-329.

[4] 莊繼德.汽車輪胎學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995.

[5] Komandi G. The determination of the deflection contact area dimensi-ons and load carrying capacity for driven pneumatic tyres operating on concrete pavement[J]. Journal of Terramechanics, 1976, 13(1):15～20.