某微型EV回正性与直线行驶性的分析与优化

景爱军，刘阳

某微型EV回正性与直线行驶性的分析与优化

景爱军，刘阳

（西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039）

汽车的性能在如今的车企中越来越得到重视，如操稳性、制动性、平顺性、安全性等。然而，悬架性能的好坏影响操稳性能，操稳性能的好坏又影响到汽车的安全性能，因此很多的主机厂花费大量的时间和精力来进一步提高操稳性能。文章基于Adams/Car搭建了某企业微型EV的悬架及整车模型，并对悬架存在的Caster Angle问题进行分析与优化，解决该车型的方向盘回正问题与直线行驶稳定性的问题，使得整车的操稳性能得到很大的提升，提高驾驶员对车辆操控的信心感。

Caster Angle；分析；回正性；稳定性

前言

汽车的车轮定位参数对于底盘性能有着相当重要的影响，是底盘参数设计中重要的参数之一，参数设计的好坏影响汽车的悬架特性和转向特性，进而影响汽车的操作稳定性。悬架是指汽车的车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，它把车架与车轮弹性的联系起来，影响汽车的多个性能，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺行驶[1]。

虚拟样机应用软件MSC_Adams目前已在汽车、飞机、铁路、机械工程以及航天机械等领域得到了广泛的应用，在我国各大主机厂依赖Adams/Car做悬架K&C特性与整车操稳性能已经成为一种常态。Adams软件由核心模块、功能拓展模块、专业模块、工具箱以及接口模块这五类模块组成，Adams/Car是该软件的专业模块，它基于零部件结构的建模方式，来逐步搭建悬架以及整车模型的仿真软件，其模型搭建的结构框图如下图1所示，该软件是由MDI公司与Audi、BWM、Renault和Volve等公司合作开发的整车设计软件软件包，集成了很多工程师、专家的经验而得，可以帮助工程师快速的搭建高精度的车辆虚拟样机，工程师可以通过仿真动画的形式直观的发现各种工况下的整车动力学响应[2]。

图1 建模方式框图

虚拟样机的应用为许多工程问题提供了很大方便，节省了很大的时间成本和资源。丁金全等利用瞬时轴线理论对主销后倾拖距进行计算，提出了主动回正策略，为主销参数的研究提供了方向[3]。Jonsson考虑了各部件的非线性特征，通过有限元的方法建立了动力学模型，并通过试验的方式验证了模型的正确性，进一步提高了模型的精度[4]。何志刚，陈阳等采用最优拉丁超立方的试验设计方法，找到了对K 和C 影响较大的变量因子，利用遗传算法进行了优化[5]。

1 Caster Angle的作用及其对车辆性能的影响

图2 Caster Angle的示意图

车轮的定位参数主要有前束角、外倾角、主销后倾角以及主销内倾角，在定位参数共同作用下保证汽车的正常行驶，Caster Angle（主销后倾角）是指在车身侧视图主销轴与垂直轴的夹角，正的主销后倾角是指注销顶部向后倾的角度，如图2所示；在车辆的正常行驶中，Caster Angle的作用是使车轮恢复到设计的位置，以保证车辆的直线行驶稳定性，当行驶中的车辆在外力作用下车轮产生偏离时，Caster Angle产生回正力矩使车轮自动回复到原来的位置；若Caster Angle过大，可以增加转向的稳定性，但同时也会加大转向力矩，容易使驾驶员疲劳，则需要更大的转向助力系统来辅助驾驶员操纵方向盘，若Caster Angle过小，则转向的稳定性便会下降，不利于车辆的自动回正性能，但转向时的力矩会变轻[6][7]。

2 悬架模型的搭建以及悬架特性分析

该车型的前悬架采用双叉臂是独立悬架，其悬架的简化结构如下图3所示，主要包含的零部件有转向节、减振器、螺旋弹簧，上控制臂、下控制臂、转向横拉杆等，上、下控制臂的外点均连接在转向节上面，下控制臂的的前后点连接在副车架上面，上控制臂的前后点连接在车身上面，前悬架的各个硬点如表1所示，基于车辆的设计硬点以及衬套、减振器、弹簧、缓冲块的参数搭建前悬架的多体模型，搭建的模型如下图4所示。

图3 双叉臂悬架简易模型

表1 前悬架的硬点参数

在此模型的基础上对前悬架做悬架的平跳运动分析，悬架的上跳行程与下跳行程分别设置为80mm、-80mm，在软件的后处理中调取Caster Angle的曲线，如图5所示，由曲线可知该前悬架在车轮上跳时Caster Angle出现了减小的趋势，这样无法抵消制动点头时后倾角减小的趋势，使车辆在制动时出现制动点头的效果，不利于驾乘的舒适性。由设计数据可知，双叉臂悬架的Caster Angle在整备状态下为5.9°，但是随轮跳的变化不理想，所以需要对悬架的Caster Angle进行优化，使其在车轮上跳的过程中有增大的趋势，这样有利于提高整车的高速行驶稳定性。

图5 Caster Angle变化曲线

3 悬架针对Caster Angle的优化分析

表2 优化的硬点参数坐标

表3 部分K&C特性指标

利用Adams/Insight对悬架的Caster进行优化，选取uca_front_Z、uca_rear_Z、lca_front_Z、lca_rear_Z四个硬点位置作为设计因素（factors），将后倾角作为响应response，并对每一个设计因素进行相关的参数设置，运行后选取最优解，使得优化后的结果在提高整车回正性的同时，又对其他的各项性能没有太大的影响。优化前后变动的硬点参数如下表2所示，在悬架的硬点优化之后，对悬架的K&C特性做一次对比分析，悬架的K&C特性包含的参数特别多，如表3对一些关键的参数列举出来，其中包含优化前后的悬架K&C指标，两组参数对比之后，除后倾角的变化较大之外，其余指标的数值都在可行范围之内。

3.1 Caster Angle变化趋势

悬架在优化前后，对车轮的定位参数进行分析，以确保悬架优化后对主要的优化目标达到所需的效果，但同时对其他车轮定位参数又不能产生很大的负面作用，如下图6是对Caster Angle优化前后的对比，相比于设计状态的主销后倾角变化趋势而言，优化后的主销后倾角随着车轮的上跳出现了增大的趋势，改善了汽车的转向性能，这样的变化趋势有利于增加车辆的高速行驶稳定性。

图6 优化前后的Caster Angle变化趋势

3.2 Camber Angle变化趋势

车轮外倾角是指前轮旋转平面上略向外倾斜，这个倾斜的角度即为车轮外倾角。车轮外倾的作用是为了提高转向操纵的轻便性和车轮行驶的安全性。由图7分析可见，此次对于主销后倾角的优化对车轮外倾角基本没有发生影响。为了保证轮胎的侧偏特性，在悬架设计时要求在车轮上跳的过程中外倾角向负值的趋势变化，车轮下跳时外倾角向正值的趋势变化，且负的外倾轮跳特性有利于极限转向时轮胎的抓地力。

图7 优化前后的Camber Angle变化趋势

3.3 Toe Angle变化趋势

车轮的前束角是指俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是沿车辆前进方向稍微带一些角度，即左右车轮分别向内，正的前束角是指车轮前部指向车身的角度。在汽车运动过程中前束角的变化，，不仅影响到车轮的摆振和磨损，还直接影响汽车的转向特性和直线行驶的稳定性。对比于设计状态与优化后的前束变化趋势，如图8所示，在车轮上跳的过程中，都趋于负前束的变化趋势，且优化后的前束角变化较为缓和，使得该悬架特性有利于不足转向的特性，改善了汽车的操纵稳定性。

图8 优化前后的Toe Angle变化趋势

4 整车模型的搭建及操稳性能的验证

基于前悬架模型动力学仿真与优化之后，将前悬架子系统、后悬架子系统、转向子系统、前轮子系统、后轮子系统、车身子系统、前稳定杆子系统、制动子系统以及动力总成子系统搭建了微型EV整车模型，整车模型的结构如下图9所示，该车型为三轮电动车，为了提高车型的操纵稳定性，采用了前悬架为双叉臂的独立悬架，后悬为独轮结构的设计。

图9 整车模型

4.1 方向盘力矩对比

驻车转向是评价车辆停止在水平地面上，打开发动机，拉起手刹的条件下，将方向盘从中间位置匀速向左转到最大位置，然后匀速向右回到右边最大位置，最后再匀速回到中间位置，从后处理中调取方向盘力矩VS方向盘转角的曲线，现调取的曲线如下图10所示，可见设计状态的方向盘力矩值区间为-1.446到1.438，优化后的方向盘力矩值区间为-1.491到1.467，优化后的力矩值与设计状态没有多大的变化，所以不需要对助力转向系统做多余的匹配调校。

图10 方向盘力矩VS方向盘转角

4.2 回正性能对比

该车型在高速时的方向盘回正性能较差，且反应较慢，对整车在设计状态和优化后的回正性能做分析对比，在整车仿真界面中选择事件构造器（Event Builder），选择设置三个微操纵，每一个微操纵对整车驱动有特定的执行命令，在第一个微操纵中保持车辆以80km/h的车速匀速行驶，第二个微操纵给方向盘施加一个30deg的转角并使车辆保持在稳态，第三个微操纵松开方向盘，使方向盘自动回正，先观察回正的效果，曲线如下图11所示；在0点位置时，松开方向盘，让车轮自动回复，查看A、B两点之间方向盘角度的大小，提取的结果在A点时，设计状态下为-32.90deg，优化后的数值为-27.87deg；提取的结果在B点时，设计状态下为11.65deg，优化后的数值为5.03deg；对比下来可见优化后的结果更利于车辆的回正性能，保持稳定行驶性能，提高驾驶员的驾驶舒适度。

图11 在0点处松开方向盘是的回正能力

5 结论

本文论述了Caster Angle对车辆回正性能的影响，通在Adams/Car软件中搭建了设计车型的前悬架以及整车模型，就设计状态下前悬架Caster Angle的变化率存在的问题，利用Adams/Insight进行优化，并将优化前后的主要K&C指标作以对比分析，由数据分析可知优化后的参数对于悬架的性能得到了一定的改善作用，将整车模型参数调整为优化后的参数，对其做了原地转向与方向盘回正性能的分析，其结果相比于设计状态得到了很大的优化，提高了整车的回正性能与直线行驶稳定性能。

[1] 陈家瑞.汽车构造[M[.3 版.北京:机械工业出版社,2009.

[2] 陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实践[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3] 丁金全,许男,郭孔辉.基于悬架虚拟主销运动计算的主动回正控制[J].吉林大学学报(工学版) ,2017,47( 1) :21-7.

[4] JONSSON M.Simulation of Dynamical Behavior of a Front Wheel Suspension[J].Vehicle System Dynamics,1991,20( 5) : 269-281.

[5] 何志刚,陈阳,盘朝奉.基于 NSGA-Ⅱ算法的麦弗逊悬架多目标优化[J].广西大学学报(自然科学版) ,2016,41( 6) : 1807-1814.

[6] 王春宽,林琅,陈家庭等.前轮定位参数对双横臂独立悬架系统动态特性影响的分析[J].起重运输机械2016（1）,57-60.

[7] 潘智敏,李燕超,方志远.电动汽车双横臂悬架优化分析[J].青岛科技大学学报（自然科学版）2018,39（5）:100-105.

Analysis and Optimization of the Return and Straightness of Micro EV

Jing Aijun, Liu Yang

（Automotive and Transportation Engineering College, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039）

The performance of automotive is getting more and more attention in today's car companies, such as stability, braking, smoothness and safety. However, the performance of the suspension affects the stability performance, and the performance of the stability affects the safety performance of the car. Therefore, many OEMs spend a lot of time and effort to further improve the stability performance. Based on Adams/Car, the suspension and vehicle model of a company's miniature EV are built, and the Caster Angle problem of the suspension is analyzed and optimized to solve the problem of the steering wheel return problem and the straight running stability of the vehicle. The stability of the vehicle has been greatly improved, improving the driver's confidence in the handling of the vehicle.

Caster Angle; Analysis; Return; Stability

U463.33

A

1671-7988(2019)24-04-04

U463.33

A

1671-7988(2019)24-04-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.002

景爱军（1991-），男，研究生，就读于西华大学，研究方向：汽车性能测试与仿真。