基于横向载荷转移量的客车转向稳定性分析

袁绍华，杨怀鑫，费沈重，何轲（金龙汽车联合工业（苏州）有限公司，江苏苏州215024）

基于横向载荷转移量的客车转向稳定性分析

袁绍华，杨怀鑫，费沈重，何轲
（金龙汽车联合工业（苏州）有限公司，江苏苏州215024）

针对山区客车行驶的特殊工况和存在的转向稳定性差问题，本文基于横向载荷转移量建立了相关数学模型，并以某中型客车为例，使用MATLAB软件对影响转向稳定性的重要因素（悬架刚度、非悬挂质量、质心高度、行驶车速）展开分析。

客车；横向载荷转移；转向稳定性；MATLAB

行驶在山区的客车最常出现转向稳定性问题。从行驶工况分析出发，行驶在山区的客车会处于频繁的转向中，再加上客车所受的侧向风，客车在运行中会频繁地受到侧向力的影响。在侧向力的作用下整车横向载荷会发生转移［1-2］，影响到单个轮胎的垂直载荷［3］，进而改变轮胎的侧偏刚度，从而影响转向稳定性。本文论述影响客车横向载荷转移的各种因素，并利用MATLAB软件进行分析。

1　横向载荷转移对转向稳定性的影响

由轮胎的侧偏特性可知，轮胎的侧偏刚度与垂直载荷有关，轮胎的侧偏刚度在某一载荷下达到最大，大于或者小于这个载荷的情况下，轮胎的侧偏刚度均会下降［4］。

在没有侧向力的作用下，对于单一的车轮其垂直载荷为W0，每个车轮的侧偏刚度为k0，轮胎受到的地面侧向反作用力为Fy。在左右轮胎垂直载荷没有发生变化的情况下，相应的侧偏角α0=Fy/（2k0）。

实际上在侧向力的作用下，横向载荷发生了转移，左右车轮的垂直载荷发生了相应变化。内侧车轮减少△W，外侧车轮增加△W。两个车轮的侧偏刚度也随着垂直载荷的变化而改变为k1、k2。左右车轮在载荷变化的情况下，侧偏角依然相等，那么有α=Fy/（k1+k2）。

若令k'=（k1+k2）/2，其中k'为轮胎垂直载荷变化后的平均侧偏刚度，则两个轮胎的侧偏角α=Fy/（2k'）。

由图1可知，平均侧偏刚度k'显然小于图中的k0，那么就有α＞α0。进一步可知，整车横向载荷转移越大，左右车轮的垂直载荷变化也就越大，平均侧偏刚度也就越小。由此可知，如果前轴左右横向载荷转移量过大，整车趋于增加不足转向；如果后轴横向载荷转移量过大，整车趋于减少不足转向。汽车前后轴左右车轮横向载荷转移量取决于前后悬架的侧倾角刚度、悬挂的质量、行驶车速、质心高度等因素，下文将对这些关键因素展开分析。

2　整车横向载荷转移量模型的建立

2.1整车的侧倾力矩

根据文献［5］，汽车所受到的侧倾力矩主要由两部分组成，一部分是由悬挂质量离心力引起的；另一部分是侧倾后悬挂质量重力引力的。计算公式如下：

重力引起的力矩：M2=Gse≈Gshφ，其中φ是车厢的侧倾角。

式中：M为车厢所受到的总的侧倾力矩；ΣK为悬架总的角刚度。

2.2侧倾时横向载荷转移模型

为了有效地研究车辆侧倾状况下各系统的力学关系，根据文献［4］，按照图2将整车前轴部分进行简化。

根据图2和文献［4］可得：

3　基于9 m中型客车的仿真结果分析

某9m中型客车各项参数如下：悬挂质量ms=10 270 kg；前部非悬挂质量mu1=360 kg；后部非悬挂质量mu2=425 kg；轴距L=3.8m；前轮距B1=2.033m；后轮距B2=1.804m；车轮半径r=0.48m；前轴距离质心的距离as=2.2m；后轴距离质心的距离bs=1.6m；前后侧倾中心高度h1=0.4m，h2=0.48m。根据上述建立的数学模型，利用Matlab/Simulink软件建立仿真模型［6］，见图3。

根据文献［1］，汽车侧向加速度一般最大不会超过0.4 g，为了达到研究情况的普遍性，在分析过程中，我们取客车所受到的侧向加速度为0.2 g。利用Matlab/ Simulink建立的模型进行仿真分析。首先在整车各个参数一定的情况下，整车在0.2 g的侧向力作用下可求得前轴载荷转移1 610 kg，后轴载荷转移2 350 kg。为了研究主要参数对横向载荷转移量的影响，分别以悬架刚度、非悬挂质量、质心高度、行驶车速为变量，分析其对整车横向载荷转移量的影响，结果见图4-图7。

从分析结果图形可以看出：

1）从图4可以看出，随着悬架刚度的增加，横向载荷转移量也不断增加，但是增加幅度并不大。前悬架刚度由1×105kg·m/rad增加到1.7×105kg·m/rad，变化最接近一倍，但是横向载荷转移量仅仅由1 507 kg增加到1 710 kg左右，变化量只有原来的十分之一左右。由此可知，悬架线刚度对整车横向载荷的转移量影响并不显著。并且如果悬架刚度越小，一定载荷下垂直变形就越大，固有频率也就越低，从而整车容易出现制动点头和侧倾问题。所以通过降低悬架刚度来减少横向载荷转移量以确保转向稳定性并不理想。

2）从图5可以看出，随着非簧载质量的增加，横向载荷转移量变化十分显著。由此，减少非簧载质量是减少整车横向载荷转移量保证转向稳定性的有效方案之一。可以通过减轻前后桥的质量与轮胎的质量来达到增强转向稳定性的目的。

3）从图6可以看出，随着质心高度的增大，横向载荷转移量变化显著。由此，在保证整车通过性的前提下，降低整车质心高度也能有效地减少横向载荷的转移量，从而提高整车的侧倾稳定性。

4）从图7可以看出，随着车速的增大，横向载荷转移量显著增大。因此，行驶车速也是影响横向载荷转移量和整车转向稳定性的重要因素。在转向过程中有效地控制车速，可以更好地保证转向稳定性。这要求驾驶员在平时要养成良好的驾驶习惯。

4　结束语

本文针对山区客车行驶中方向不稳定性问题，从横向载荷转移的影响因素进行详细分析，从而得出从设计角度和车辆使用过程中为了保证良好的转向稳定性应该采取的方法。为客车设计人员和驾驶人员提供了良好的参考。当然影响车辆转向稳定性的因素还有很多，例如：前路注销后倾角［7］、转向机构转角误差［8］、车辆与路面间的附着极限［9］等。论文受篇幅和作者能力限制，没能进行更全面的论述，有待于继续探讨。

［1］王睿，李显生，任园园，等.基于横向载荷转移量的客车侧倾稳定性分析［J］.湖南大学学报：自然科学版，2013，（5）：49-54.

［2］朱天军，郑红艳，侯红娟.基于Matlab的半挂汽车列车侧倾稳定性仿真［J］.汽车技术，2008，（11）：16-20.

［3］米奇克，瓦伦托维兹.汽车动力学［M］.陈萌三，译.北京：清华大学出版社，2009.12.

［4］余志生.汽车理论［M］.5版.北京：机械工业出版社，2010.

［5］左管军，郭延辉.某客车底盘行驶平顺性和侧倾稳定性分析研究［J］.汽车实用技术，2011，（11）：24-27.

［6］周俊杰.MatlabSimulink实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.5.

［7］魏道高，王霄锋，金达锋，等.车身侧倾时前轮主销后倾角对转向稳定性的影响［J］.汽车工程，2009，（1）：33-36.

［8］康永升.基于ADAMS的叉车建模及转向稳定性分析［J］.农业装备与车辆工程，2013，（10）：56-59.

［9］刘汉辉.基于主动悬架的汽车侧向稳定性研究［D］.成都：西华大学，2013.

修改稿日期：2014-12-15

Steering Stability Analysison Coaches Based on Amountof Lateral Load Change

Yuan Shaohua，Yang Huaixin，FeiShenzhong，He Ke
（Higer BusCompany Limited，Suzhou 215123，China）

According to theproblemsof thebad steering stability driving for coachesunder specialmountain conditions，the authorsestablish a relatedmathematicalmodel based on the amountof lateral load change.In addition，they takeamedium-sized coach asan example，and use theMATLAB software to anylyze important factors thataffect the steeringstability，including suspension stiffness，unsprungmass，centroid height，travelspeed.

coach；lateral load change；steeringstability；MATLAB

U461.6；U 463.4

A

1006-3331（2015）04-0008-03

袁绍华（1985-），男，助理工程师；主要从事客车底盘设计问题分析工作。