基于ADAMS 的汽车侧倾影响因素分析

臧宏海 杨志强

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

随着汽车保有量的不断增加，环境和安全问题日益严重，逐渐引起各国政府和相关行业组织的重视，相关的政策和标准相继制定[1-2]。其中GB/T 30677《轻型汽车电子稳定性控制系统系统性能要求及试验方法》是评价电子稳定系统的重要标准之一。文章搭建基于ADAMS 的整车仿真模型，利用该模型实现了前后刚度匹配以及零部件分析等，提前识别和规避不能通过GB/T 30677 法规的风险。

1 整车侧倾机理分析

按照GB/T 30677 规定：在电子稳定控制系统（ESC）工作状态下，汽车应满足横摆角速度衰减要求，如图1 所示。

图1 用于评价横向稳定性的转向盘位置和横摆角速度信息

其中转向盘输入角度（δ）的确定是按照试验车以（80±2）km/h 的速度，13.5（°）/s 的角速度逐渐增加转向盘转角，直至侧向加速度达到约0.5g。将试验中汽车产生3.0 m/s2的侧向加速度时的转向盘转角作为基准转向盘转角，记作A。

一般当输入转向盘转角δ 达到5A 及以上，但不大于6.5A 或者300°，则每组试验的最后一次试验的转向盘转角幅值为6.5A 或270°的较大值；如果其中任何一次试验的转向盘转角幅值（最大为6.5A）大于300°，则每组试验的最后一次试验的转向盘转角幅值为300°[3]，A 值一般可以根据平台车型预估或者试测获得，再加一定的修正余量，作为后续验证的输入，文章暂定A 为40°，仿真时 δ 取值为 200°。

按照图1 所示转向盘输入时，力的传递路径为：转向盘-＞转向器-＞轮胎，由此质心处产生侧向力，产生前悬侧倾，然后车身整体侧倾，产生后悬侧倾，使得后轮与地面接触力降低，产生离地趋势。侧倾中心轴线如图2 所示，侧倾产生，如图3 所示。

图2 侧倾中心轴线图

图3 侧倾产生示意图

1.1 前悬分析

前轮外侧车轮如果发生过度侧倾，后轮的内侧车轮会产生上抬趋势。因此，高速急打转向盘时，抑制侧倾导致的前轮下沉量是改善方向之一。具体措施包括：提高前悬侧倾刚度、提高前悬侧倾中心高度、提高前悬减振器的阻尼力。

1.2 后悬分析

通过减振器和弹簧连接簧上质量和簧下质量，当高速急打转向盘时，簧上部分由于离心力作用产生侧倾扭矩和侧倾趋势，依靠轮胎抓地力、弹簧和减振器阻尼力抑制侧倾趋势。通过降低弹簧刚度、减振器阻尼力以及后悬侧倾刚度，可以减轻后轮离地趋势。

2 后轮离地判断标准

工程实际中存在着制造和装配误差，汽车在急打转向盘时，当车速达到80 km/h，会存在后轮离地以及整车失稳趋势。目前行业内没有针对后轮离地的判断标准，如果在汽车下线后再进行实车评价，一旦不能满足GB/T 30677 的试验要求，后期整改会付出很大的代价。

当前判断后轮离地的方法主要是在标准场地，按照GB/T 30677 的试验要求进行主观评价，当感受后轮抓地力减小，支撑安全感降低，同时车外观测发现后轮离地，即终止GB/T 30677 试验，判断试验结果不合格。

3 汽车后轮离地影响因素分析

常见的引起汽车后轮离地的原因主要包括：前、后悬架匹配不当，汽车载荷分配不合理，零部件设计和制造不合格，装配不合适等。汽车急打转向盘后轮离地的直接因素是前后悬架刚度不匹配，侧倾中心设计不合理。当汽车急打转向盘，车速达到80 km/h 时，如何保证汽车姿态在合理范围，汽车运行在安全范围，是进行GB/T 30677 试验的重要前提之一。在进行该试验时，如果出现后轮离地现象，汽车处于危险状态，该试验结果无效。

3.1 悬架刚度

根据汽车结构和运动学相关理论可知，影响悬架刚度的主要因素为：弹簧刚度、弹簧安装杠杆比、缓冲块刚度和衬套刚度等。

一般悬架刚度越大，悬架越硬，越有利于操纵稳定性，但是不利于平顺性；刚度过小，则悬架较软，不利于操纵稳定性，但有利于平顺性。前后悬架的偏频匹配影响汽车在行驶过程中的前后俯仰感。

3.2 侧倾刚度

对于不同的悬架形式，影响其侧倾刚度的因素不同。比如麦弗逊悬架，弹簧刚度及杠杆比、稳定杆刚度是主要影响因素。整车侧倾刚度增加有利于操纵稳定性，控制整车侧倾角的大小，但是如果侧倾刚度过大或者前、后侧倾刚度分配不合理，就会造成侧倾时车身扭曲，影响操稳性能。

汽车的侧倾刚度指产生单位侧倾角时，悬架给车身的弹性恢复力矩。汽车的总体设计中要求：侧向加速度为0.4 g 时，商用车车身的侧倾角为6°～7°，乘用车为2.5～4°。乘坐侧倾刚度过小而侧倾角过大的汽车，乘员会缺乏舒适感和安全感；而侧倾刚度过大，则会减弱驾驶员的路感[4]。

3.3 侧倾刚度分配

侧倾刚度分配主要影响前、后轴荷分配，前、后侧倾控制，不足转向度的大小。一般前、后侧倾刚度的分配与前、后轴荷分配接近，并且保证具有一定的不足转向度。

前轴侧倾刚度分配越大，越有利于不足转向，在同等的侧倾力矩作用下，侧倾角越小，车身姿态越稳定。

3.4 侧倾中心高

对于不同的悬架形式，影响侧倾中心高的因素不同。比如麦弗逊悬架，其侧倾中心高取决于下臂的长度及滑柱的角度。对于双横臂悬架，则取决于上、下臂的长度及上、下臂内，外点的相对高度，如图4 所示。

图4 侧倾中心示意图

理论上，侧倾轴线越高，越能抑制车身的侧倾趋势，并且，能尽量控制侧倾时前、后轮载荷的转移量，以保证汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。但是侧倾轴线过高，会影响轮胎磨损和直线行驶稳定性，所以合适的侧倾中心分配是动力学重要的控制指标。

3.5 其他因素

其他因素，比如：轮距、轴距、簧载质量以及质心中心高等，都对于车身控制有较大的影响。但是由于前期策划造型等的限制，这些因素不能轻易改变，所以文章主要分析悬架刚度、侧倾刚度、侧倾刚度分配、侧倾中心高等对于后轮离地的影响。

4 汽车后轮离地ADAMS 仿真分析

4.1 整车ADAMS 建模

以某型号乘用车为研究对象，利用ADAMS/Car 建立整车多体动力学模型，如图5 所示，主要包括麦弗逊式前悬架、扭力梁式后悬架、动力总成系统、转向系统、制动系统和轮胎等。

图5 整车多体动力学模型

4.2 ADAMS 仿真分析

根据GB/T 30677《轻型汽车电子稳定性控制系统系统性能要求及试验方法》，搭建ADAMS 整车动力学模型进行仿真分析。搭建ADAMS 整车动力学模型进行仿真分析。仿真工况定义为：汽车在干燥路面上直线行驶，速度为80 km/h，按照图6 所示输入转向盘转角。

图6 转向盘转角曲线

仿真后的后轮受力曲线，如图7 所示。

图7 后轮受力曲线

进行ADAMS 整车仿真，得到后轮受力曲线，如图7 所示。从图7 可以看出，模型对于200°的转向盘转角响应，左后侧车轮受力最小值大于0，约500 N，无离地现象发生，与实际试验数据相一致。如果后侧车轮受力为0 或较小时，具有后轮离地风险，可按照上述分析方法进行调整优化，直到输出结果合格。

5 结论

文章建立了由麦弗逊式前悬架、扭力梁式后悬架、动力总成系统、转向系统、制动系统和轮胎组成的ADAMS 模型，通过仿真验证了优化后轮离地现象的影响因素，提前规避了风险，为实际通过GB/T 30677《轻型汽车电子稳定性控制系统系统性能要求及试验方法》试验提供了参考，该方法可以有效降低开发成本。