黃迪青,徐霖,景晶
上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司,上海 201800
K&C特性即K(kinematic)特性和C(compliance) 特性。K特性即懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性[1],是指車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)致車輪平面和輪心點(diǎn)產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性。C特性即懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性[2],是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導(dǎo)致的車輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性。
車輛不足轉(zhuǎn)向特性受懸架K&C特性、輪胎力學(xué)特性等影響[3-5]。本文通過(guò)對(duì)比分析的方法,針對(duì)相同輪胎的同一車型不同懸架類型的兩款車(麥弗遜-扭力梁和麥弗遜-多連桿)進(jìn)行試驗(yàn),分析K&C特性對(duì)不足轉(zhuǎn)向的影響,并將K&C試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入Carsim軟件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
K&C試驗(yàn)的主要目的是研究車輛的操縱穩(wěn)定性。操縱穩(wěn)定性指汽車能按照駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向(直線或轉(zhuǎn)彎)行駛,且當(dāng)受到外界干擾(路不平、側(cè)風(fēng)、貨物或乘客偏載)時(shí),汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的性能。車輛的操縱穩(wěn)定性需要考慮到車輛的垂向、側(cè)向、縱向、橫擺、俯仰、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)學(xué)。
不足轉(zhuǎn)向示意如圖1所示。
圖1 不足轉(zhuǎn)向示意
由圖1可知,不足轉(zhuǎn)向有利于操縱穩(wěn)定性,轉(zhuǎn)向盤(pán)保持一個(gè)固定轉(zhuǎn)角不變,緩慢加速或以不同車速等速行駛時(shí),不足轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向半徑逐漸增大,中性轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向半徑不變,而過(guò)度轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向半徑逐漸減小。極限狀態(tài)下,不足轉(zhuǎn)向的車輛前軸相對(duì)于后軸先發(fā)生側(cè)滑(失去附著力),即車輛在極限狀態(tài)下先發(fā)生“推頭”而不是“甩尾”。
不考慮側(cè)向力,汽車在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中,由于質(zhì)心受到離心作用,車身發(fā)生側(cè)傾,左右輪載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。外側(cè)車輪載荷增加,車輪懸架壓縮,外側(cè)車輪上跳。內(nèi)側(cè)車輪載荷減少,車輪懸架拉升,內(nèi)側(cè)車輪下跳。K&C試驗(yàn)中側(cè)傾工況下的載荷變化曲線如圖2所示。
圖2 K&C試驗(yàn)中側(cè)傾工況下的載荷變化曲線
輪跳工況時(shí)前懸外側(cè)車輪上跳,前束角產(chǎn)生負(fù)變化;內(nèi)側(cè)車輪下跳,前束角正變化。內(nèi)外側(cè)兩輪的前束角變化皆導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪回轉(zhuǎn),即可發(fā)生不足轉(zhuǎn)向,有利于操縱穩(wěn)定性。后懸同理,后懸外側(cè)車輪上跳,前束角產(chǎn)生正變化;內(nèi)側(cè)輪下跳,前束角負(fù)變化,同樣發(fā)生不足轉(zhuǎn)向。如圖3所示,實(shí)線為不發(fā)生前束角變化,虛線為發(fā)生前束角變化的情況。由圖可知,前外輪上跳前束角呈負(fù)變化,前內(nèi)輪下跳前束角呈正變化,后外輪上跳前束角呈正變化,后內(nèi)輪下跳前束角呈負(fù)變化,四輪皆有利于不足轉(zhuǎn)向。輪跳工況下的兩試驗(yàn)車前束角度的變化曲線如圖4所示,可以看到曲線1車型后軸前束梯度更大更有利于不足轉(zhuǎn)向。
圖3 前束角變化示意
圖4 輪跳工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線
為了保證操縱穩(wěn)定性,有利于不足轉(zhuǎn)向,需要前后軸的外傾角變化上跳趨近于負(fù)外傾變化,且后軸相對(duì)于前軸外傾變化趨勢(shì)更大。在前后軸側(cè)傾角相同的前提下,后軸更大的負(fù)外傾變化會(huì)使車輪與地面的接觸面積更大,從而后軸的等效側(cè)偏剛度也就越大,側(cè)偏角越小,對(duì)不足轉(zhuǎn)向越有利。輪跳工況下的兩試驗(yàn)車外傾角的變化曲線如圖5所示,可以看到曲線1車型后軸外傾角梯度更大更有利于不足轉(zhuǎn)向。
圖5 輪跳工況下的兩試驗(yàn)車外傾角的變化曲線
K&C試驗(yàn)的側(cè)向力主要是車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中由于車身橫擺,車身的離心力對(duì)應(yīng)的4個(gè)輪胎受到的側(cè)向力。為了有利于不足轉(zhuǎn)向增加操縱穩(wěn)定性,需要受側(cè)向力時(shí)外側(cè)前車輪前束角負(fù)變化,內(nèi)側(cè)前車輪前束角正變化,外側(cè)后車輪前束角正變化,內(nèi)側(cè)后車輪前束角負(fù)變化。側(cè)向力工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線如圖6所示,可以看到曲線1車型不足轉(zhuǎn)向性顯著優(yōu)于曲線2車型。
圖6 側(cè)向力工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線
外傾變化影響比較大的還是側(cè)向力工況。轉(zhuǎn)彎時(shí),側(cè)向力隨著轉(zhuǎn)向強(qiáng)度的增大而增大。為增加不足轉(zhuǎn)向,外側(cè)車輪的外傾角變化趨近于正外傾變化,內(nèi)側(cè)車輪外傾角變化趨近于負(fù)外傾變化,且后軸相對(duì)于前軸外傾變化趨勢(shì)更大。后軸變化趨勢(shì)大于前軸,保證后輪的側(cè)向力受外傾影響而減小的量大于前輪,提高不足轉(zhuǎn)向性。側(cè)向力工況下的兩試驗(yàn)車外傾角的變化曲線如圖7所示,兩車皆符合不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì),曲線1車型梯度稍大更有利于不足轉(zhuǎn)向。
圖7 側(cè)向力工況下的兩試驗(yàn)車外傾角的變化曲線
K&C試驗(yàn)的回正力矩為車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程時(shí)由于側(cè)向力不是作用于主銷接地點(diǎn),側(cè)向力對(duì)車輪產(chǎn)生的回正力矩,如圖8所示。圖中主銷接地點(diǎn)與車輪接地點(diǎn)之間的偏移即為報(bào)告中的主銷拖距,皆為正值即主銷接地點(diǎn)在車輪接地點(diǎn)前。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí),由于離心力的作用,地面對(duì)車輪的側(cè)向反力作用于車輪接地點(diǎn),由于主銷拖距導(dǎo)致側(cè)向力作用點(diǎn)在主銷接地點(diǎn)的后面,使車輪有一個(gè)回正力矩,車輪有自動(dòng)回正的趨勢(shì),如圖9所示。
圖8 主銷示意
圖9 回正力矩示意
為了有利于不足轉(zhuǎn)向增加操縱穩(wěn)定性,需要受回正力矩時(shí)外側(cè)前車輪前束角負(fù)變化,內(nèi)側(cè)前車輪前束角正變化?;卣毓r下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線如圖10所示,兩車皆符合不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì),曲線1車型梯度稍大更有利于不足轉(zhuǎn)向。
圖10 回正力矩工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線
K&C試驗(yàn)中的縱向力為制動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)力。為了增加操縱穩(wěn)定性,需要牽引力(縱向力向前)時(shí)前輪前束角正變化,后輪前束角負(fù)變化。制動(dòng)不平衡前束角中和趨勢(shì)示意如圖11所示。在行駛過(guò)程中,兩個(gè)前輪受到的制動(dòng)力分別為FbL及FbR,當(dāng)左前輪受到的制動(dòng)力大于右前輪,車輛由于左右制動(dòng)力不平衡產(chǎn)生橫擺力矩,發(fā)生左偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。而制動(dòng)力引起的前束角正變化趨勢(shì),產(chǎn)生反向橫擺力矩將中和此偏轉(zhuǎn)趨勢(shì),提高了車輛操縱穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)力不平衡前束角中和趨勢(shì)示意如圖12所示,所引起的前束角負(fù)變化趨勢(shì)同樣中和了驅(qū)動(dòng)力不平衡所產(chǎn)生的橫擺力矩,提高了操縱穩(wěn)定性。諸多車輛皆參照此設(shè)計(jì),縱向力工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線(提高操縱穩(wěn)定性)如圖13所示。
圖11 制動(dòng)力不平衡前束角中和趨勢(shì)示意
圖12 驅(qū)動(dòng)力不平衡前束角中和趨勢(shì)示意
圖13 縱向力工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線(提高操縱穩(wěn)定性)
縱向力工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線(提高直線行駛穩(wěn)定性)如圖14所示。由圖可知,前后軸皆犧牲了一定的不足轉(zhuǎn)向特性,從而保證直線行駛穩(wěn)定性。促使制動(dòng)力(縱向力向后)時(shí)前輪前束角呈正變化,后輪前束角呈負(fù)變化。
圖14 縱向力工況下的兩試驗(yàn)車前束角的變化曲線(提高直線行駛穩(wěn)定性)
將兩輛試驗(yàn)車輛以K&C試驗(yàn)相同的車況進(jìn)行客觀試驗(yàn)。以70、50 km/h的車速勻速過(guò)彎,采集車輪支架以及上連接點(diǎn)的側(cè)向加速度,傳感器布點(diǎn)如圖15和圖16所示。
圖15 車輪支架傳感器布點(diǎn)
圖16 上連接點(diǎn)傳感器布點(diǎn)
車輪支架前后軸側(cè)向加速度對(duì)比如圖17所示,車輪支架不同車速后軸側(cè)向加速度對(duì)比如圖18所示,上連接點(diǎn)前后軸側(cè)向加速度對(duì)比如圖19所示,上連接點(diǎn)后軸側(cè)向加速度對(duì)比如圖20所示。由圖17至圖20可以看到,車輪支架及上連接點(diǎn)的前軸側(cè)向加速度接近,而后軸為扭力梁的試驗(yàn)車的側(cè)向加速度顯著大于多連桿車輛,同時(shí)車速越大側(cè)向加速度越大。車輛過(guò)彎時(shí)后軸側(cè)向加速度越大,越不利于不足轉(zhuǎn)向,降低了操縱穩(wěn)定性,與K&C試驗(yàn)結(jié)果一致。
圖17 車輪支架前后軸側(cè)向加速度對(duì)比
圖18 車輪支架不同車速后軸側(cè)向加速度對(duì)比
圖19 上連接點(diǎn)前后軸側(cè)向加速度對(duì)比
圖20 上連接點(diǎn)后軸側(cè)向加速度對(duì)比
將K&C試驗(yàn)結(jié)果生成Par文件并導(dǎo)入Carsim中進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖21所示。多連桿懸架車輛不足轉(zhuǎn)向性優(yōu)于扭力梁懸架車輛,操縱穩(wěn)定性更高,與試驗(yàn)分析結(jié)果一致。
本文通過(guò)K&C試驗(yàn),探究整車不足轉(zhuǎn)向的規(guī)律及對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響。通過(guò)客觀實(shí)驗(yàn)分析各情況下側(cè)向加速度的影響與K&C試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?;贑arsim對(duì)試驗(yàn)車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。仿真分析表明:多連桿懸架車輛不足轉(zhuǎn)向性能優(yōu)于扭力梁懸架車輛,操縱穩(wěn)定性更高,與試驗(yàn)分析結(jié)果一致。