汽车稳态回转前轮离地分析

刘 洋，全 勇

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005）

在进行稳态回转试验时，当车速达到一定值时，部分试验车会出现内侧前轮离开地面的现象，由于该现象不出现在驾驶者视野内，使得驾驶者无法看到，但是车箱侧倾角的非线性急剧变化会给驾驶者一种极其不安全的驾驶体验，降低驾驶舒适型，单侧车轮着地会造成轮胎的不正常磨损，若在高速公路上进行紧急变道也会产生很大的安全隐患，容易造成重大交通事故。本文主要对稳态回转试验时前轮内侧车轮离地现象进行分析，找出产生该现象的主要原因，制定相应的改善措施，避免该现象的出现。

1　稳态回转试验前轮离地现象及评价

稳态回转试验前轮离地现象是指按《GBT 6323-2014汽车操纵稳定性试验方法》中附录D的定转弯半径法[1]进行稳态回转试验时，当车速达到一定值时，内侧前轮开始离开地面（如图1）。随着车速继续升高，离地距离也越来越大，直至达到轮胎的附着极限，车速达到最大。稳态回转试验的评价标准有《QCT 480-1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》，评价指标为侧向加速度值、不足转向度、车箱侧倾度[2]。而前轮离地现象都无法很直观的体现在这三项指标中，即使出现前轮离地现象，按评价标准进行评价，最终的总评价记分值依然远远大于60分，满足该评价标准。因此该现象主要靠有经验的评价人员通过对驾驶安全性的主观感受来进行评价。

图1　前轮离地现象

2　主要原因

首先分析车辆的稳态回转试验数据中的侧倾角-侧向加速度变化曲线，如图2所示，从数据中可以看出，当侧向加速度增大到一定值时，大约0.65 g，车箱侧倾角的变化斜率开始明显增大，这也与观察到的内侧前轮离地现象相吻合。

图2　侧倾角-侧向角速度

如图3所示，从KC数据中可以看出，前悬架侧倾角刚度为1 829 N·m/deg，后悬架侧倾角刚度为564.9 N·m/deg，前悬架侧倾角刚度大约是后悬架的3.2倍。

图3　前、后悬架侧倾角刚度的KC试验数据

对乘用车，前、后悬架侧倾角刚度的比值一般为1.4～2.6[3]，表1示出一些国外轿车前、后悬架的侧倾角刚度值。而前、后侧倾角刚度又会影响前、后侧倾力矩的分配，因此前、后侧倾角刚度的不匹配是造成稳态回转试验内侧前轮离地现象的主要原因。

表1　一些国外轿车前、后悬架的侧倾角刚度值[4]

3　原因分析

根据以上分析结果，主要从以下两个方面来分析车辆侧倾时，侧倾角刚度对车轮垂向力的影响。

3.1　侧倾时侧倾力矩的前、后分配

汽车进行稳态转向行使时，相对于悬架变形而言，车箱变形可忽略不计，因此整车只有一个侧倾角φ，前、后悬架承受的侧倾力矩分别为 Tf、Tr，前、后侧倾角刚度分别为 Cf、Cr，则有：

所以，在前、后悬架上所分配的侧倾力矩与其侧倾角刚度成正比。对于该试验车，前悬架承受的侧倾力矩约是后悬架的3.2倍，即总侧倾力矩的76%，这个占比是比较大的。

3.2　侧倾时垂直载荷在左、右轮上的重新分配

如图4，在正常工作状态下，汽车左、右车轮的垂直载荷大体上是相等的，但曲线行驶时，由于侧倾力矩的作用，垂直载荷在左、右车轮上是不相等的，而作用于车轮的垂直载荷的大小等于地面对车轮的垂直反作用力的大小。

图4　静止时和侧倾时车轮垂向受力简化模型

稳态回转试验时，车辆处于稳态，对前轴进行受力分析，根据力矩平衡：

要使内侧前轮不离地，需FfR2≥0，根据公式（1）和公式（2）可得：

对于该试验车，右前轮的轮荷为518 kg，前轮距为 1.525 m，根据 KC试验数据知道 Cf=1 829 N·m/deg.在不考虑悬挂质量质心偏移以及非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩的情况下，要使内侧前轮不离地：φ≤（518× 9.8× 1.525/1829）deg=4.23 deg.也就是说，侧倾角φ大于4.23 deg时，内侧前轮离地。这与从侧倾角-侧向角速度变化曲线中观察到的是大致吻合的。

4　原因确认

将前悬架的横向稳定杆拆除，前悬架的侧倾角刚度大幅下降，重新进行稳态回转试验，如图5所示。该试验车为后驱车型，发现在极限状态时，因为后驱动桥差速器的原因，内侧后轮出现打滑，内侧前轮未出现离地现象。因此进一步确认内侧前轮离地的主要原因为前、后侧倾角刚度不匹配，前轴侧倾角刚度过大，后轴侧倾角刚度过小。

图5　拆除前横向稳定杆后的稳态回转试验

5　解决方案

了解稳态回转试验内侧前轮离地的主要原因后，比较容易针对性的采用不同的对策。影响侧倾角刚度的因素有很多，在不考虑橡胶衬套的影响时，根据不同的悬架结构，影响因素也有一些区别，本文根据实际经验及研究成果，针对前麦弗逊式独立悬架，后纵置钢板弹簧非独立悬架的车型，给出以下解决措施（见表1），其他悬架结构形式的车型也可以类比分析。侧倾角刚度对整车的操纵稳定性和平顺性有较大的影响，因此在解决前轮离地问题时需要兼顾这些性能。

表1　评价及建议

钢板弹簧非独立悬架的侧倾角刚度与跨距的平方、钢板弹簧刚度成正比，要提升侧倾角刚度需要增大钢板弹簧跨距和刚度，但钢板弹簧的刚度过大，整车平顺性会变差。因此本解决方案在对前、后悬架适当匹配之后，通过在车身、驱动桥上焊接支架，安装后横向稳定杆，提升驾驶安全性的同时又保证了平顺性。

理论上分析，减小侧倾中心与质心的高度差，改变轮距、弹性元件的跨距等措施均可改善前轮离地的现象，但悬架结构改动较大，会加长开发周期。

6　结束语

本文通过分析前、后悬架侧倾角刚度对车轮垂向载荷力的影响，提出方案消除稳态回转试验时内侧前轮离地的现象。影响前、后悬架侧倾角刚度的因素非常多，需要在开发初期，根据车辆的用途，综合考虑悬架偏频、侧倾中心高度、侧倾角、前后悬架侧倾角刚度分配等的合理范围，尽量避免类似的问题出现。

参考文献：

[1]GB/T6323.汽车操纵稳定性试验方法[S].

[2]QC/T480.汽车操纵稳定性指标限值与评价方法[S].

[3]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2017.

[4]王霄锋.汽车悬架和转向系统设计[M].北京：清华大学出版社，2015.

[5]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2010.