黃迪青，徐霖，景晶

上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201800

0 引言

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(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(xiàn)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(chē)輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線(xiàn)位移變化的特性。

車(chē)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(chē)型不同懸架類(lèi)型的兩款車(chē)(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。

1 底盤(pán)懸架K&C試驗(yàn)

1.1 K&C試驗(yàn)

K&C試驗(yàn)的主要目的是研究車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。操縱穩(wěn)定性指汽車(chē)能按照駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車(chē)輪給定的方向(直線(xiàn)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(chē)能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的性能。車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性需要考慮到車(chē)輛的垂向、側(cè)向、縱向、橫擺、俯仰、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)學(xué)。

1.2 不足轉(zhuǎn)向特性

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(chē)速等速行駛時(shí)，不足轉(zhuǎn)向的汽車(chē)轉(zhuǎn)向半徑逐漸增大，中性轉(zhuǎn)向的汽車(chē)轉(zhuǎn)向半徑不變，而過(guò)度轉(zhuǎn)向的汽車(chē)轉(zhuǎn)向半徑逐漸減小。極限狀態(tài)下，不足轉(zhuǎn)向的車(chē)輛前軸相對(duì)于后軸先發(fā)生側(cè)滑(失去附著力)，即車(chē)輛在極限狀態(tài)下先發(fā)生“推頭”而不是“甩尾”。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 輪跳工況對(duì)不足轉(zhuǎn)向的影響

不考慮側(cè)向力，汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，由于質(zhì)心受到離心作用，車(chē)身發(fā)生側(cè)傾，左右輪載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移。外側(cè)車(chē)輪載荷增加，車(chē)輪懸架壓縮，外側(cè)車(chē)輪上跳。內(nèi)側(cè)車(chē)輪載荷減少，車(chē)輪懸架拉升，內(nèi)側(cè)車(chē)輪下跳。K&C試驗(yàn)中側(cè)傾工況下的載荷變化曲線(xiàn)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(xiàn)

輪跳工況時(shí)前懸外側(cè)車(chē)輪上跳，前束角產(chǎn)生負(fù)變化；內(nèi)側(cè)車(chē)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(chē)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(xiàn)為不發(fā)生前束角變化，虛線(xiàn)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(chē)前束角度的變化曲線(xiàn)如圖4所示，可以看到曲線(xiàn)1車(chē)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(chē)前束角的變化曲線(xiàn)

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(chē)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(chē)外傾角的變化曲線(xiàn)如圖5所示，可以看到曲線(xiàn)1車(chē)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(chē)外傾角的變化曲線(xiàn)

2.2 側(cè)向力工況對(duì)不足轉(zhuǎn)向的影響

K&C試驗(yàn)的側(cè)向力主要是車(chē)輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中由于車(chē)身橫擺，車(chē)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(chē)輪前束角負(fù)變化，內(nèi)側(cè)前車(chē)輪前束角正變化，外側(cè)后車(chē)輪前束角正變化，內(nèi)側(cè)后車(chē)輪前束角負(fù)變化。側(cè)向力工況下的兩試驗(yàn)車(chē)前束角的變化曲線(xiàn)如圖6所示，可以看到曲線(xiàn)1車(chē)型不足轉(zhuǎn)向性顯著優(yōu)于曲線(xiàn)2車(chē)型。

圖6 側(cè)向力工況下的兩試驗(yàn)車(chē)前束角的變化曲線(xiàn)

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(chē)輪的外傾角變化趨近于正外傾變化，內(nèi)側(cè)車(chē)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(chē)外傾角的變化曲線(xiàn)如圖7所示，兩車(chē)皆符合不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，曲線(xiàn)1車(chē)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(chē)外傾角的變化曲線(xiàn)

2.3 回正力矩工況對(duì)不足轉(zhuǎn)向的影響

K&C試驗(yàn)的回正力矩為車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程時(shí)由于側(cè)向力不是作用于主銷(xiāo)接地點(diǎn)，側(cè)向力對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生的回正力矩，如圖8所示。圖中主銷(xiāo)接地點(diǎn)與車(chē)輪接地點(diǎn)之間的偏移即為報(bào)告中的主銷(xiāo)拖距，皆為正值即主銷(xiāo)接地點(diǎn)在車(chē)輪接地點(diǎn)前。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于離心力的作用，地面對(duì)車(chē)輪的側(cè)向反力作用于車(chē)輪接地點(diǎn)，由于主銷(xiāo)拖距導(dǎo)致側(cè)向力作用點(diǎn)在主銷(xiāo)接地點(diǎn)的后面，使車(chē)輪有一個(gè)回正力矩，車(chē)輪有自動(dòng)回正的趨勢(shì)，如圖9所示。

圖8 主銷(xiāo)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(chē)輪前束角負(fù)變化，內(nèi)側(cè)前車(chē)輪前束角正變化?；卣毓r下的兩試驗(yàn)車(chē)前束角的變化曲線(xiàn)如圖10所示，兩車(chē)皆符合不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，曲線(xiàn)1車(chē)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(chē)前束角的變化曲線(xiàn)

2.4 縱向力工況對(duì)不足轉(zhuǎn)向的影響

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(chē)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(chē)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(chē)輛皆參照此設(shè)計(jì)，縱向力工況下的兩試驗(yàn)車(chē)前束角的變化曲線(xiàn)(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(chē)前束角的變化曲線(xiàn)(提高操縱穩(wěn)定性)

縱向力工況下的兩試驗(yàn)車(chē)前束角的變化曲線(xiàn)(提高直線(xiàn)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(xiàn)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(chē)前束角的變化曲線(xiàn)(提高直線(xiàn)行駛穩(wěn)定性)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

將兩輛試驗(yàn)車(chē)輛以K&C試驗(yàn)相同的車(chē)況進(jìn)行客觀試驗(yàn)。以70、50 km/h的車(chē)速勻速過(guò)彎，采集車(chē)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(chē)輪支架傳感器布點(diǎn)

圖16 上連接點(diǎn)傳感器布點(diǎn)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

車(chē)輪支架前后軸側(cè)向加速度對(duì)比如圖17所示，車(chē)輪支架不同車(chē)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(chē)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(chē)的側(cè)向加速度顯著大于多連桿車(chē)輛，同時(shí)車(chē)速越大側(cè)向加速度越大。車(chē)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(chē)輪支架前后軸側(cè)向加速度對(duì)比

圖18 車(chē)輪支架不同車(chē)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

4 仿真分析

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(chē)輛不足轉(zhuǎn)向性?xún)?yōu)于扭力梁懸架車(chē)輛，操縱穩(wěn)定性更高，與試驗(yàn)分析結(jié)果一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)K&C試驗(yàn)，探究整車(chē)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(chē)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。仿真分析表明：多連桿懸架車(chē)輛不足轉(zhuǎn)向性能優(yōu)于扭力梁懸架車(chē)輛，操縱穩(wěn)定性更高，與試驗(yàn)分析結(jié)果一致。