基于扭力梁结构的操纵稳定性影响因素研究

吴利广,李广,景立新,李飞,王振峰,李雪鹏

(1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300;2．中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津 300300)

0 引言

扭力梁悬架由于结构简单，且同时起到独立悬架与非独立悬架的部分作用，被广泛应用于车辆后悬架中。随着扭力梁断轴事件的增多，其结构设计引起汽车行业的普遍关注，通过优化扭力梁结构提升车辆操纵稳定性、平顺性成为目前一个重要研究方向[1～3]。因此研究扭力梁结构对于整车操纵稳定性的影响具有重要意义。

目前，对于扭力梁悬架的研究均是基于悬架K&C特性的灵敏度分析、硬点优化及扭力梁结构应力优化方向进行[4～6]，研究扭力梁结构对于整车操纵稳定性的影响分析匮乏。吴利广等[7～8]通过改变扭力梁结构参数，研究了扭力梁结构对于悬架K&C特性的影响，结果表明，扭力梁横梁位置、开口方向等因素对于悬架侧倾中心高度及前束角变化影响较大；周兵等人[1]通过改变扭力梁结构研究了横梁结构参数对模态频率的影响，结果表明扭力梁模态频率随着横梁开口方向的改变其各阶模态频率呈正弦变化，但是没有研究横梁结构对于悬架及整车性能的影响。高晋等人[9-11]研究了扭力梁扭转刚度对于悬架K&C及整车操稳的影响，但是没有考虑横梁开口方向、厚度、位置等参数对于操纵稳定性的影响。研究扭力梁结构对于整车操纵稳定性的影响，有助于底盘开发设计前期性能匹配及后期底盘零部件匹配。

通过HyperMesh软件建立不同的横梁开口方向、位置、厚度及衬套安装角度的扭力梁柔性体，并导入Adams/Car软件，联合Matlab软件进行操纵稳定性仿真分析，研究扭力梁结构对于整车操纵稳定性的影响。

1 整车建模

1.1 扭力梁建模

基于某车型的扭力梁三维数模，通过更改横梁开口方向、横梁位置、横梁厚度建立多个扭力梁，并导入HyperMesh软件中进行网格划分、定义材料、创建属性等操作，如图1所示。扭力梁参数见表1。

图1 扭力梁三维模型及网格划分

表1 不同扭力梁参数

由图1可知，扭力梁悬架初始状态为横梁开口方向向下90°、横梁距离后轮轮心260 mm、横梁厚度29 mm，衬套安装X方向(空心)为向整车坐标ZX向-20°。在此基础上进行横梁开口角度分别顺时针旋转90°、180°，横梁位置分别前后移动50 mm，横梁厚度分别减小1、2 mm，衬套安装角度分别逆时针旋转45°、90°、135°。

1.2 整车建模

将第1.1节中建立的扭力梁柔性体模型导入到Adams/Car建立的整车模型中，如图2所示。整车参数见表2。

图2 Adams/Car整车模型

表2 整车参数

通过Matlab与Adams/car联合建立整车操纵稳定性仿真的程序，通过联合仿真程序进行后续的仿真分析工作。联合仿真程序设置如图3所示。

图3 联合仿真程序设置

2 结果分析

文中采用第1节建立的包含不同扭力梁结构的整车模型进行操纵稳定性仿真对比，选取与扭力梁结构、衬套安装角度相关性大的操纵稳定性工况：稳态回转(定半径)、角阶跃、角脉冲进行分析。仿真工况的方法采用国标GB/T 6263—2014[12]。

2.1 稳态回转工况(定半径)分析

不足转向度与侧倾梯度是评价车辆操纵稳定性的重要指标，在定半径稳态回转工况中，不足转向K指为保持车辆等半径进行稳态行驶，单位侧向加速度下的前轮转向角的增量；侧倾角梯度指单位侧向加速度下车身侧倾角的增量[13-14]。通过线性三自由整车操纵稳定性模型进行整车稳态转向工况下的不足转向度及侧倾梯度分析。如图4所示。

图4 三自由度整车操纵稳定性模型

整车的不足转向度可以表示为：

K=Df-Dr+DbA

(1)

式中：Df为前悬架不足转向柔度；Dr为后悬架不足转向柔度；DbA为车身回正力矩转向。

前、后悬架的不足转向柔度可以通过轮胎变形角与侧偏角为：

(2)

对前、后悬架的不足转向柔度进行求解：

Df,r=Dw,f,r+Dφs,f,r+Dys,f,r+Dsn,f,r+Dφc,f,r+Dyc,f,r+Dcn,f,r

(3)

侧倾角梯度计算：

(4)

式中：ms为整车簧上质量；hs为簧上质心至侧倾轴线的距离；Cφf为前悬架侧倾角刚度；Cφr为后悬架侧倾角刚度。

(5)

式中：hsc为簧上质量质心高度，hrf、hrr分别为前悬架侧倾中心高度；mf、mr分别为前后轴荷。

由式(1)—式(3)可知，不足转向度主要受到前、后车轮转角、外倾角变化、前、后轮胎的侧偏角之差以及回正力矩影响，前、后悬架的前束角变化率匹配、侧倾角刚度比都对整车的不足转向产生较大影响，因此，需要设计一个合理的变化范围。

由式(5)可知，车身侧倾角梯度受悬架侧倾中心高度、悬架侧倾角刚度影响，后悬架侧倾中心高度越大，侧倾中心到质心位置的距离越短，使侧倾力臂和侧倾力矩小，得到较小的车身侧倾角。但如果侧倾中心过高，导致车身发生侧倾时轮距变化过大，加剧了轮胎磨损，导致汽车直线行驶性能降低；因此，悬架侧倾中心高度应在合理的范围内。后悬架侧倾角刚度越大，侧倾角梯度越小，但是前后悬架侧倾角刚度比值应该合理范围内，保证车辆的不足转向特性。

采用定半径进行稳态回转工况仿真，仿真半径为30 m，稳态回转工况指标为不足转向度、侧倾角梯度。仿真结果如图5—图10所示。

图5 不足转向度(不同横梁位置)

图6 侧倾角梯度(不同横梁位置)

图7 不足转向度(不同开口方向)

图8 侧倾角梯度(不同开口方向)

图9 不足转向度(不同衬套角度)

图10 侧倾角梯度(不同横梁厚度)

从图5—图10可知：横梁位置、横梁开口方向、衬套安装角度对于稳态回转下的不足转向度均有影响。横梁开口方向、横梁厚度对于侧倾角梯度具有较大影响。扭力梁结构对于稳态回转的影响结果见表3。

表3 稳态回转工况结果

随着横梁位置远离轮心，扭力梁悬架越接近独立悬架的性能，反之，其性能越接近非独立悬架性能，其横梁位置前后移动会影响悬架的侧向力转向，从而影响车辆的不足转向特性；横梁开口方向的变化对于后扭力梁悬架的轮跳转向、侧倾转向以及侧倾中心高度具有较大影响[15]，由图7和图8可知，横梁开口方向向下时，其不足转向度与侧倾梯度明显小于开口向前与向后方向的横梁；橡胶衬套安装角度的变化会影响后悬架的侧倾转向，从而影响车辆的不足转向特性；随着横梁厚度的增加，后扭力梁悬架的侧倾角刚度增加，侧倾角梯度减小。

2.2 瞬态工况分析

车辆行驶过程中，驾驶员大部分处于瞬态操纵中，因此研究扭力梁结构对于车辆瞬态响应具有重要意义。通过角阶跃工况与角脉冲工况研究不同扭力梁结构对于瞬态响应的影响，其指标主要包括：角阶跃工况下横摆角速度变化、角脉冲下横摆角速度的幅频与相频特性。仿真结果如图11—图16所示。

图11 角阶跃横摆角速度(不同开口方向)

图12 角阶跃横摆角速度(不同衬套角度)

图13 角脉冲横摆角速度幅频特性(不同横梁位置)

图14 角脉冲横摆角速度相频特性(不同横梁位置)

图15 角脉冲横摆角速度幅频特性(不同横梁开口方向)

图16 角脉冲横摆角速度相频特性(不同横梁开口方向)

车辆的瞬态特性主要受悬架阻尼、前后悬架侧倾角刚度、前束角变化率、轮胎侧偏刚度等因素的影响。研究扭力梁结构对于车辆瞬态特性的影响需考虑其K&C特性的变化，瞬态工况结果见表4。

表4 瞬态特性横摆角速度结果

由图11—图16可知，扭力梁结构中横梁位置、开口方向对于车辆的瞬态响应影响较大。

扭力梁横梁的开口方向对于角阶跃工况下的横摆角速度影响较大，横梁开口方向的变化对于后扭力梁悬架的侧倾前束角变化以及侧倾角刚度具有较大影响，当开口方向向下时，横摆角速度响应时间、峰值响应时间均小于开口向前及向后的横梁，说明横梁开口方向向下设计有利于提高车辆的瞬态响应，减小瞬态响应时间。衬套安装角度对于车辆横摆角速度也有影响，但其影响效果较小。

横梁距离轮心的位移及横梁的开口角度对于角脉冲工况下的横摆角速度幅频特性及相频特性有较大的影响。随着横梁远离轮心，扭力梁后悬架侧倾角刚度逐渐减小，横摆角速度的谐振峰水平逐渐变大，横摆角速度的增幅比变大，谐振频率增加，相位差减小，在车辆操纵稳定性性能设计时，应设计增幅比小些；而谐振频率增加，相位差减小有助于车辆的操纵稳定性。当横梁开口方向向下时，扭力梁悬架侧倾前束角变化大于开口向前与向后的横梁，其谐振峰水平明显小于开口向前与向后的横梁，谐振频率大于开口向前与向后的横梁，有利于车辆的操纵稳定性，但是其增幅比大于开口向前与向后的横梁，0.5、1、2 Hz下的相位差小于开口向前与向后的横梁，说明扭力梁开口向下时，其横摆角速度的滞后时间更短，车辆响应更快，随着频率增加，其相位差逐渐减小。

3 结论

通过改变扭力梁结构参数研究横梁位置、横梁开口方向、横梁厚度、橡胶衬套安装方向等参数对于整车操纵稳定性的影响。研究结果表明：

(1)扭力梁结构参数对于车辆稳态回转、角阶跃工况、角脉冲工况具有较大影响。对于不足转向度、侧倾角梯度、横摆角速度等影响较大。

(2)在车辆操稳性能设计时，应综合考虑车辆的稳态、瞬态特性，扭力梁横梁位置的选择需要综合考虑不足转向与增幅比的影响。

(3)横梁开口方向向下设计有利于提高车辆的操纵稳定性。

通过以上研究结果，有利于指导车辆底盘性能的前期发开设计，但操纵稳定性与平顺性是相互耦合约束的关系，文中只研究了扭力梁结构对于操纵稳定性的影响，没有考虑对于平顺性的影响。后期可以综合考虑，研究扭力梁结构对于车辆底盘性能的影响。