横风对汽车稳定性影响的计算分析

赵守月 姜国彬 戴锐 卢祖秉

摘 要：本文基于线性二自由度汽车模型，考虑了悬架转向效应对轮胎刚度的影响，建立了可以用于横风稳定性分析的预测模型，并对某一车型进行计算预测和试验验证，试验结果与计算预测结果吻合度较高，该模型可以用于车辆开发初期的横风稳定性快速分析和预测。

关键词：横风稳定性；线性二自由度；悬架转向效应；等效侧偏刚度

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：1005-2550（2018）05-0024-05

Abstract： Based on two freedom vehicle model， take the influence of suspension steering effect to tire cornering power into account， build a vehicle stability forcast model to analyse the wind influence， and also have a contrast with the test result， the result shows that the forcast model accuracy is good， so it can be apply to do quick analysis and forcast during vehicle develop initial stage.

Key Words： side wind stability； two freedom vehicle model； suspension steering effect；

equivalent cornering power

1 概述

高速行驶的汽车在与大货车会车或超车、驶出隧道、以及经过大桥等场景下，经常会受到自然界中横向风的作用，车辆的行驶状态受到干擾，产生侧倾、横向速度、横摆角速度等影响，偏离行驶轨道，驾驶员需要操作方向盘维持车辆直线行驶。如果影响超过一定限值，会使驾驶员感到车辆行驶不稳定，引起驾驶员害怕焦虑的情绪，长途行驶时会导致驾驶员过早地疲劳，诱发交通事故。因此研究横风对车辆稳定性的影响，并对其影响进行预测，是有重要意义的。本文在经典线性二自由度汽车模型的基础上，考虑悬架转向效应的影响，对横风侧向力、侧倾力矩、横摆力矩的影响进行计算分析，计算出横风对汽车稳定性的影响，并对计算结果进行了试验确认。结果表明计算模型具有较高的精度，今后在车辆开发过程中，对车辆横风稳定性的预测及目标设定具有一定的指导意义。

2 建立线性二自由度汽车模型

为了分析横风对汽车稳定性的影响，建立线性二自由度汽车模型，如图1所示，由于汽车在横风作用下产生的横摆运动是被动响应，因此定义前轮的初始转角为0。对于此简化模型，认为汽车只有沿y轴的侧向运动和绕z轴的横摆运动两个自由度，忽略转向系统的影响，由横风引起汽车行驶方向的变化，即质心侧偏角β的变化；忽略悬架的作用，认为汽车车厢只做相对于地面的平面运动，即汽车沿z轴的位移，绕y轴的俯仰角和绕x轴的侧倾角均为零；汽车沿x轴的前进速度u视为不变；驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎特性的影响；汽车的侧向加速度限定在0.4G以下，轮胎的侧偏特性处于线性范围，忽略左右轮胎由于载荷的变化引起的轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。

（4）3 横风影响下的等效侧偏刚度

当汽车经过横风区时，受到横风气流的影响，汽车会受到横风的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩，如图2所示。侧向力和侧倾力矩会使车厢发生侧倾和横向速度，横摆力矩会使汽车横摆运动，同时产生的离心力也会使车厢发生侧倾。这些力或力矩会通过车体作用到悬架上，进而引起悬架上力的变化。

在操控稳定性领域，悬架控制车轮定位角的变化，悬架的变化会使车轮定位角发生变化，一般主要考虑车轮外倾角和前束角。由于车轮外倾角对轮胎侧偏刚度的影响较小，本文只考虑横风下悬架对车轮前束角变化的影响，即悬架的转向效应。

悬架的转向效应主要包括侧倾转向效应和变形转向效应，两者分别在汽车发生侧倾、受横向力的时候产生。悬架转向效应会改变轮胎的侧偏刚度，改变后的侧偏刚度就是上文中提到的轮胎等效侧偏刚度。

悬架的侧倾转向效应如图3所示，车厢发生向一侧的侧倾运动时，该侧车轮对应的悬架产生压缩行程，另一侧车轮对应的悬架产生拉升行程，

车轮在运动的过程中发生微小的转向角δ（为简化描述这里假设左右轮的转向角相同），此现象称为侧倾转向。通常取使车辆产生不足转向的变化为正，使车辆产生过多转向的变化为负。

悬架的变形转向效应如图4所示。变形转向一般由两方面原因，一方面，轮胎受到的侧向力Fy一般作用于轮心偏后位置，侧向力会使车轮产生一个绕主销的转动力矩，使车轮发生转动；另一方面，由于悬架摆臂和转向拉杆衬套的影响，侧向力Fy会使车轮发生位移，如果悬架摆臂衬套刚度s1与转向拉杆衬套刚度s2不同，车轮在发生位移的同时也会发生转动。两者合成，使车轮发生转角γ，此现象称为悬架的变形转向，这种变化的符号定义与上述侧倾转向相同。

对于普通家用车，一般都会通过对悬架特性的设定，使悬架的侧倾转向和变形转向趋向于不足转向特性，提升汽车在转向或变道时的稳定性。

悬架侧倾转向系数和变形转向系数，两者都可以通过车辆多体动力学模型仿真得到，通过车辆的KC实验也可以得到实测值。

根据悬架转向效应，可以得出轮胎在悬架转向效应修正后的侧偏刚度，以后轮为例进行分析，如图5所示。

综合式（4）和式（11），即可建立汽车的横风影响预测工具，预测汽车不同车速、不同风速影响下的横摆角速度和横向加速度。

4 横风稳定性影响计算和试验