基于设计参数的转向特性虚拟试验及评价

夏小均，陈德兵，姚波，赖诗洋

(1.重庆车辆检测研究院有限公司国家客车质量监督检验中心，重庆 401122；2.重庆工程职业技术学院机械工程学院，重庆 402260)

0 引言

汽车操纵稳定性是整车开发的重要指标，决定了汽车高速行驶时的安全性，是现代汽车的重要性能之一。稳态转向特性作为表征汽车操纵稳定性的时域响应，十分重要。稳态转向特性包括不足转向、中性转向和过多转向，过多转向会导致汽车出现失去稳定性的情况，因此汽车应具有一定的不足转向特性[1]。

汽车稳态转向特性不仅取决于汽车质心所在位置和轮胎的使用性能，也受到悬架、传动系等结构的影响[2]。因此需通过虚拟仿真技术研究汽车的稳态转向特性，以节约时间和经济成本。在某新开发整车模型的基础上，分析其转向特性，提出增加横向稳定杆的改进方法。

1 稳定性因数核算

为了解模型的稳态回转特性，首先将车辆简化为线性二自由度模型[3]。在分析过程中忽略转向系的影响，直接使用前轮转角作为输入；忽略悬架的影响，认为汽车车厢只沿z轴移动，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角为0，此外设汽车沿x轴前进速度u为0。因此汽车仅有沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动。将汽车的侧向加速度设置在0.4g以下，轮胎的侧偏特性在线性范围内[4]。最终将该车简化为一个如图1所示的两轮摩托车模型。它是两自由度汽车模型，由两个有侧向弹性的轮胎支撑于地面上，具有侧向及横摆运动。

图1 二自由度汽车模型式

其中：K是稳定性因数；m是整车质量；L是轴距；a是质心距前轴的距离；b则是质心距后轴的距离；k1、k2分别是前轮和后轮的总侧偏刚度。整车设计参数如表1所示。

表1 整车设计参数

可以发现，整备质量工况下稳定性因数是0.000 243 7，即K>0，车辆特性为不足转向。而满载时，求得稳定性因数是-0.000 960 81，K<0，理论上该车在满载工况转弯时，会出现轻微的过多转向，这可能导致汽车失去稳定性。

利用工程分析方法，车辆的稳态转向特性如下：空载时体现为不足转向，而满载时过多转向。为确保良好操纵稳定性能，汽车应具有适当的不足转向特性。

在整车设计基本定型的基础上，在前悬架位置安装横向稳定杆装置，可在保证经济和时间成本的基础上，一定程度上增加前悬架的侧倾角刚度，使整车朝着增加不足转向的趋势运动[5]。

2 虚拟模型建立

在建立车辆仿真模型之前，首先确定整车模型的坐标。在ADAMS中采用了模型坐标系，原点位于前轴几何中心，X轴指向与汽车车速相反的方向，Y轴指向汽车右侧，Z轴指向上方，遵守右手规则。

2.1 前悬架模型

该车的前悬架为麦弗逊式独立悬架，主要由减振器、转向节总成(减振器下部与转向节连接在一起)、螺旋弹簧、控制臂、转向横拉杆、副车架等组成。表2中是悬架设计参数，图2是前悬架的模型图。

表2 悬架建模参数

图2 前悬架模型

表3为前减振器性能测试参数，由供应商提供。

表3 前减振器阻尼特性

2.2 后悬架模型

汽车后悬架为板簧纵置式非独立悬架。在主簧下加装了渐变刚度钢板弹簧作为副簧，板簧中部用两个U形螺栓与后桥相连接；前部主片与前支架以装配式吊耳结构铰接，后部主片的卷耳与吊耳支架通过吊耳销及吊耳相连接，可自由摆动，从而形成活动吊耳，吊耳支架通过焊接方式固定在车架上，在主片卷耳和支架之间压入耐磨衬套；为防止钢板弹簧变形过大而断裂，在车桥上以限位块固定。图3为后钢板弹簧悬架的模型。在空载状态下主簧起作用，主簧刚度在42.5～47 N/mm之间，与设计参考值46.8 N/mm吻合较好；复合刚度在62.5～67.5 N/mm之间，与设计参考值68.6 N/mm吻合较好。表4示出了减振器阻尼特性，图4表示后悬架仿真刚度特性曲线。

图3 后悬架模型表4 后减振器阻尼特性

压缩阻力/N 拉伸阻力/N 0.1 m/s0.3 m/s0.6 m/s1 m/s0.1 m/s0.3 m/s0.6 m/s1 m/s1253585607253658111 2561 813

图4 后悬架仿真刚度特性曲线

2.3 转向系及横向稳定杆模型

在此车型采用的转向系中，方向盘与转向柱管通过旋转副连接，而转向柱管通过圆柱副与转向柱连接，两个运动副间传动比为1。两个万向节连接转向输入轴与输出轴；采用两个橡胶衬套使转向齿条套连接到车身。输出轴与齿条壳通过旋转副连接，齿条壳和齿轮以旋转副连接，两个运动副定义了力从方向盘传到转向轴的关联副，传动比也为1。齿条套和齿条以移动副连接，转向横拉杆被推拉从而使汽车改变方向；转向齿条通过等速副与转向横拉杆连接；转向齿轮与转向输出轴之间为弹性衬套，起到了汽车动力转向器分配阀中的扭杆作用。表5中为转向系建模相关参数。

表5 转向系相关建模参数

建立好的转向系与横向稳定杆模型分别见图5和图6。

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图5 转向系模型

图6 横向稳定杆模型

加大悬架的侧倾角刚度，可有效改善汽车稳定性，可通过添加横向稳定杆来实现这一目的。其建模方法为：将横向稳定杆从中部分为两半，添加旋转副以连接，采用扭簧表达扭转刚度。横向稳定杆通过一个球副连接前后两个悬架，立柱与横向稳定杆的连接借助衬套，另一端固定在车身上。由于未进行扭转力学实验，无法获取实际的横向稳定杆扭转刚度，故采用有限元的方法初步计算，作为设计参数。

2.4 车身、动力总成及传动系

簧上质量包含动力及传动系、车身、乘员和驾驶室等，对这些系统作简化处理，使质量集中于车身并用一个球体来体现。

2.5 前、后轮胎模型

轮胎的侧偏刚度对汽车操纵稳定性影响较大，因此需要较为精确的轮胎力学模型，以确保整车模型的精度。由于未提供轮胎的特性参数，故参考轮胎型号，借鉴MSC提供的pac2002轮胎模型[6]，修改其部分几何参数建立了pac2002_175_70R14轮胎模型。

2.6 整车多体动力学模型

装配前述各子系统，得到图7中的车辆ADAMS模型。

图7 整车多体动力学ADAMS模型

进行仿真分析前先调整好车身的质心位置和转动惯量，采用SAE经验公式计算车身的转动惯量。

其中：TW为轮距(m)；WB为轴距(m)；m是汽车质量(kg)；RH为车顶离地高度(m)；Hg为汽车质心高度(m)；L为汽车总长；Kx、Ky、Kz为3个方向的计算系数。

计算参数如下：TW=1.43 m，WB=2.72 m，m=1 814 kg，RH=1883 m，Hg=0.669 m，L=4.35 m，Kx=7.984 6，Ky=5.290 1，Kz=2.194 2。

3 仿真试验

3.1 定转角稳态回转试验方法

3.2 虚拟试验结果

此处以空载状态为例，对仿真分析过程加以说明，满载分析流程与之相同。

采用ADAMS/Car中的驱动控制文件(.dcf)进行整车仿真分析，文件中设置两个小工况(mini_maneuver)：第一个小工况使汽车达到稳定转弯状态，最低稳定车速取为5 m/s，转弯半径取20 m；第二个小工况中汽车方向盘固定，以0.25 m/s2纵向加速度转向行驶，当侧向加速度为该车空载状态下所能达到的极限值5.8 m/s2时结束。

从图8和图9可以看出：在整个仿真过程中前进车速和侧向加速度的变化曲线近似于一条直线，与实际整车试验场中的稳态测试状况相符，说明整个仿真过程满足实验要求。

图8 稳态回转试验前进车速 图9 稳态回转试验侧向加速度

以转弯半径比、前后轴侧偏角之差以及车厢侧倾角对试验结果进行表达。图10为转弯半径比与侧向加速度关系曲线，图11为空载和满载状态下前、后轴侧偏角之差与侧向加速度关系曲线，图12为空载和满载状态下车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线。

图10 转弯半径比与侧向加速度关系曲线

图11 前、后轴侧偏角之差与侧向加速度关系曲线

图12 车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线

3.3 稳态回转虚拟试验结果评价

根据国家标准QC/T 480—1999，对中性转向点的侧向加速度值、不足转向度和车身侧倾度3项指标进行评分。前、后轴侧偏角之差与侧向加速度变化趋势上，斜率为0位置的侧向加速度值即为中性转向点的侧向加速度值，未出现中性转向点时，用最小二乘法依据无常数的3次多项式拟合方法进行推算。不足转向度是侧向加速度等于2.0 m/s2时前、后轴侧偏角之差与侧向加速度的平均比值。车厢侧倾度为车厢侧倾角随侧向加速度变化时横轴等于2.0 m/s2时的平均斜度。最终的虚拟试验值及评分在表6中。

表6 仿真结果及评价

注：全侧向加速度范围内未出现中性转向点，汽车始终为不足转向，该指标计满分。

通过虚拟试验可以看出，该车转向特性为不足转向，且综合评价指标值较高，改进后汽车在空载和满载情况下均具有一定的不足转向度。因此，在原车型已经基本定型的基础上，通过加装横向稳定杆增加不足转向度，是一种节约经济和时间成本的有效方法。

4 结论

通过核算稳定性系数得出该车在满载状态下具有过度转向特性，提出增加横向稳定杆的改进方案。在ADAMS中建立车辆各部分模型后装配，获得车辆的多体动力学模型。采用模型进行虚拟定转角稳态回转试验并评价分析，发现稳态回转试验效果较好，加装横向稳定杆后有效地提高了汽车的不足转向度。可以看出，车辆的操纵稳定性在改进后综合评价值更高，稳态转向特性表现优越。