景立新 姜清偉 李洋 吳利廣 李飛

摘 要：文章分析了懸架K&C特性、輪胎力學(xué)特性對(duì)車(chē)輛不足轉(zhuǎn)向特性的影響，其中懸架側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向、回正力矩轉(zhuǎn)向及輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車(chē)不足轉(zhuǎn)向特性有重要貢獻(xiàn)，而輪胎垂向載荷及復(fù)合工況下縱向滑移率則對(duì)輪胎側(cè)偏剛度有明顯影響，進(jìn)而改變整車(chē)不足轉(zhuǎn)向特性，為底盤(pán)開(kāi)發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪胎力學(xué)特性;K&C;不足轉(zhuǎn)向特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-124-05

Abstract： This paper analyzes the influence of suspension K&C characteristics and tire mechanical characteristics on the understeer characteristics of the vehicle， in which the suspension roll steer， lateral force steer， aligning moment steer and tire cornering stiffness make an important contribution to the understeer characteristics of the vehicle， while the tire vertical load and longitudinal force under compound conditions have an obvious impact on the tire cornering stiffness， thus changing the understeer characteristics of the vehicle.

Keywords： Tire mechanical characteristics; K&C; Understeer characteristics

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-124-05

前言

整車(chē)不足轉(zhuǎn)向特性是車(chē)輛操穩(wěn)性能的重要參數(shù)之一，也是底盤(pán)性能開(kāi)發(fā)的重要依據(jù)。影響不足轉(zhuǎn)向特性的主要參數(shù)包括前后軸荷分配，懸架K&C特性，輪胎剛度特性等。

懸架K&C特性作為懸架準(zhǔn)靜態(tài)特性表征，其中側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)傾外傾、側(cè)向力轉(zhuǎn)向、側(cè)向力外傾、回正力矩轉(zhuǎn)向、回正力外傾等參數(shù)主要影響車(chē)輛的不足轉(zhuǎn)向特性。

輪胎作為車(chē)輛與地面接觸的唯一部件，除空氣作用力以外，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛各種運(yùn)動(dòng)的外力均由輪胎產(chǎn)生[1][2]，車(chē)輛的響應(yīng)特性很大程度上取決于輪胎側(cè)偏剛度，同時(shí)側(cè)偏剛度對(duì)整車(chē)不足轉(zhuǎn)向特性也有顯著影響。

1 不足轉(zhuǎn)向特性

整車(chē)的不足轉(zhuǎn)向特性分為不足轉(zhuǎn)向及過(guò)度轉(zhuǎn)向，不足轉(zhuǎn)向的表現(xiàn)為當(dāng)固定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑隨車(chē)速的提高而增大，對(duì)應(yīng)的前軸側(cè)偏角大于后軸側(cè)偏角，此時(shí)車(chē)輛雖喪失部分轉(zhuǎn)向能力，但車(chē)輛可控，處于穩(wěn)定狀態(tài);而過(guò)度轉(zhuǎn)向則相反，轉(zhuǎn)彎半徑隨車(chē)速的提高而減小，車(chē)輛不可控，處于失穩(wěn)狀態(tài)。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。后軸等效側(cè)偏柔度受后懸K&C的影響不大，主要為輪胎本身側(cè)偏柔度;而后軸等效側(cè)偏柔度越小，車(chē)輛的響應(yīng)越快，穩(wěn)定性越好，因此希望輪胎的側(cè)偏柔度盡量小，即側(cè)偏剛度盡量大;前軸等效側(cè)偏柔度受前懸K&C的影響較大，整車(chē)的不足轉(zhuǎn)向度很大比例是由前懸架K&C特性提供;由于前后軸荷接近，輪胎側(cè)偏剛度相差不大，輪胎對(duì)不足轉(zhuǎn)向梯度的影響較小。

在懸架K&C特性中，側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向、回正力矩轉(zhuǎn)向?qū)φ?chē)不足轉(zhuǎn)向度影響顯著，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中需要嚴(yán)格控制。

1.4 輪胎非線性對(duì)不足轉(zhuǎn)向度的影響

1.4.1 載荷轉(zhuǎn)移對(duì)不足轉(zhuǎn)向度的影響

在車(chē)輛側(cè)傾過(guò)程中，左右車(chē)輪的垂直載荷將重新分配，外輪載荷增大，內(nèi)輪載荷減小，同時(shí)由于前后懸架側(cè)傾角基本一致，側(cè)傾剛度大的一軸左右載荷轉(zhuǎn)移也將增大。由于輪胎側(cè)偏剛隨垂直載荷非線性變化，左右載荷轉(zhuǎn)移越大，左右側(cè)輪胎共同產(chǎn)生的軸側(cè)偏剛度越小，這也是在底盤(pán)設(shè)計(jì)中通過(guò)增加前懸架側(cè)傾剛度來(lái)增大整車(chē)不足轉(zhuǎn)向度的原理基礎(chǔ)。

以該車(chē)型為例，在以0.2g轉(zhuǎn)向時(shí)，整車(chē)的側(cè)傾力矩為Wa*ay*h，按照前后懸架側(cè)傾剛度6：4的分配比例，前懸架垂向載荷變化為Wa*ay*h*0.6/T=1000N，后懸架垂向載荷變化666N，如圖5。

此時(shí)整車(chē)的不足轉(zhuǎn)向度增大了0.04deg/g，輪胎側(cè)偏剛度隨垂向載荷變化非線性趨勢(shì)越明顯，前后懸架側(cè)傾剛度分配比例偏離1：1越多，實(shí)際不足轉(zhuǎn)向度與靜態(tài)計(jì)算值偏差越大。

1.4.2 縱向滑移率對(duì)不足轉(zhuǎn)向度的影響

受輪胎附著摩擦橢圓的影響[6]，縱向滑移對(duì)輪胎側(cè)偏剛度有較大影響[7][8][9]，進(jìn)而影響整車(chē)不足轉(zhuǎn)向度。隨著電動(dòng)車(chē)越來(lái)越多，尤其是后驅(qū)電動(dòng)車(chē)，由于驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)扭矩較大，容易出現(xiàn)縱向滑移，導(dǎo)致側(cè)偏剛度較小，甚至出現(xiàn)甩尾工況。

ABS制動(dòng)防抱死系統(tǒng)在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中將車(chē)輪的滑移率控制在10%～30%的范圍內(nèi)（目前主流ABS泵生產(chǎn)廠商，比如博世ABS 8.0容許的滑移率為15%～20%），TCS驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中將車(chē)輪的滑轉(zhuǎn)率控制在10%～30%之間，在汽車(chē)起步或加速中，當(dāng)電腦監(jiān)測(cè)到驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率大于30%時(shí)，便向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出指令減小驅(qū)動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)便會(huì)減少?lài)娪土?，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，使驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)差回到10%～30% 之間，保證車(chē)輪始終擁有較大的附著力。

通過(guò)在輪胎特性試驗(yàn)臺(tái)上固定側(cè)偏角縱滑試驗(yàn)（結(jié)果見(jiàn)圖6）和固定縱向滑移率側(cè)偏試驗(yàn)（結(jié)果見(jiàn)圖7），可以獲得不同滑移率下輪胎側(cè)偏特性的變化。由試驗(yàn)可看出，當(dāng)滑移率為10%時(shí)縱向力達(dá)到最大值，之后為減小趨勢(shì)，側(cè)向力在滑移率小于4%的區(qū)域變化不大，而在滑移率為10%、20%時(shí)已分別減小50%和70%。以上文對(duì)應(yīng)車(chē)輛為例，車(chē)輛為電動(dòng)后驅(qū)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)滑移率10%時(shí)，輪胎側(cè)偏剛度減小50%，輪荷除以側(cè)偏剛度獲得的側(cè)偏柔度將為原來(lái)的2倍，輪胎對(duì)整車(chē)的不足轉(zhuǎn)向貢獻(xiàn)由0.1deg/g變化為-2.5deg/g，整車(chē)的不足轉(zhuǎn)向度也將有1.93變?yōu)?0.67deg/g，此時(shí)車(chē)輛已為過(guò)度轉(zhuǎn)向，很容易出現(xiàn)甩尾失控。

為了驗(yàn)證縱向滑移率對(duì)不足轉(zhuǎn)向特性的影響，建立某車(chē)型的整車(chē)Carsim仿真模型，仿真工況為10秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)0-108 Km/h加速，加速度為0.3g，分別以前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)行，后輪的驅(qū)動(dòng)比例為0%、100%、50%，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8-10，可以看出前后縱向滑移對(duì)整車(chē)不足轉(zhuǎn)向特性有重要影響。

而對(duì)于制動(dòng)工況，前后車(chē)輛均有滑移，且由于車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)前軸的制動(dòng)百分比要大于后軸，即使考慮制動(dòng)載荷轉(zhuǎn)移也要保證前軸滑移率大于后軸滑移率，前軸先于后軸側(cè)滑。

2 試驗(yàn)臺(tái)架

懸架K&C特性由SPMM懸架試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試獲得，該試驗(yàn)臺(tái)具有一個(gè)中央平臺(tái)和四個(gè)車(chē)輪平臺(tái)[10]，中央平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的整體Bounce、Pitch、Roll運(yùn)動(dòng)，車(chē)輪平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)車(chē)輪的側(cè)向、縱向、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，傳感器測(cè)量各工況下車(chē)輪定位參數(shù)的變化，臺(tái)架見(jiàn)圖11。輪胎特性參數(shù)由Flat Trac輪胎特性試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試獲得，該試驗(yàn)臺(tái)為平帶式，可實(shí)現(xiàn)高速（250km/ h）輪胎力學(xué)特性測(cè)試[11]，測(cè)試的典型工況有側(cè)偏工況、縱滑工況、復(fù)合工況、瞬態(tài)工況、垂向剛度、滾動(dòng)半徑、原地轉(zhuǎn)向等，試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖12。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)性的分析了影響車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的懸架特性及輪胎力學(xué)特性，通過(guò)懸架K&C特性、輪胎剛度特性分析整車(chē)不足轉(zhuǎn)向度，為底盤(pán)開(kāi)發(fā)中的各系統(tǒng)目標(biāo)制定提供了依據(jù)。

輪胎側(cè)偏剛度隨垂向載荷為非線性變化，且非線性趨勢(shì)越明顯，前后懸架側(cè)傾剛度分配比例偏離1：1越多，實(shí)際不足轉(zhuǎn)向度與靜態(tài)計(jì)算值偏差越大，為底盤(pán)調(diào)校中側(cè)傾穩(wěn)定桿的匹配提供了理論依據(jù)。

受輪胎摩擦橢圓影響，在輪胎縱向有滑移時(shí)，其側(cè)偏剛度將明顯變化，進(jìn)而引起軸等效側(cè)偏柔度及不足轉(zhuǎn)向度顯著變化，為車(chē)輛開(kāi)發(fā)尤其是后驅(qū)電動(dòng)車(chē)型開(kāi)發(fā)提供重要參考。

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