基于K&C台架解决商用车制动跑偏问题

张忠雷 黄遵国 杜喜阳 邵雄 宁忠翼

摘  要：悬架与转向系统的硬点匹配对商用车的制动跑偏问题有非常重要的影响。本文首先从制动过程受力的角度，分析了制动跑偏产生的机理；其次，基于有限元软件建立了某车型前悬架和转向系统仿真模型，并分析了不同悬架与转向系统硬点方案对制动跑偏的影响；然后，利用商用车前悬架K&C试验台，对选取的仿真优化方案进行台架验证；最后，对选取的台架优化方案进行整车制动跑偏试验，并基于整车试验不跑偏的方案，总结出了避免制动跑偏的仿真分析和K&C台架试验管控指标。

关键词：悬架与转向系统；制动跑偏；仿真分析；K&C试验

中图分类号：U463.4      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2023）02-0028-06

Solve the Problem of Off-track Braking of Commercial Vehicle Based on K&C Platform

ZHANG Zhong-lei， HUANG Zun-guo， DU Xi-yang， SHAO Xiong， NING Zhong-yi

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， wuhan 430056， China）

Abstract： The hard point matching between suspension and steering system has a very important effect on the braking deviation of commercial vehicles. Firstly， the mechanism of braking deviation is analyzed from the point of view of braking force. Secondly， the simulation model of front suspension and steering system of a vehicle was established based on finite element software， and the influence of different hard point schemes of suspension and steering system on braking deviation was analyzed. Then， the K&C test bench of commercial vehicle front suspension was used to verify the selected simulation optimization scheme. Finally， the selected bench optimization scheme was carried out the vehicle braking off-track test， and based on the scheme of the vehicle test without off-track， the simulation analysis of avoiding braking off-track and the control index of K&C bench test were summarized.

Key Words： Suspension And Steering System; Braking Deviation; Simulation Analysis; K&C  Test

张忠雷

毕业于燕山大学，硕士研究生学历，现就职于东风商用车技术中心，任主管工程师，研究方向为前桥及转向系统开发设计，已发表科技论文4篇，授权发明专利6项。

悬架与转向系统的硬点匹配对商用车的制动稳定性有非常重要的影响

制动跑偏是指汽车在制动过程中，汽车不以驾驶员的驾驶意志自动向左或向右偏离直线行驶。如果车辆由于悬架与转向系统的硬点匹配设计不合理，使车辆存在严重的制动跑偏特性，会导致如下问题。

1）在制动过程中，如果驾驶员不修正反向盘，车辆会偏向某一侧行驶，对安全性有严重的影响。

2）在制动过程中，如果驾驶员想要使车辆保持直线行驶，就必须频繁修正方向盘，这就导致驾驶员过分紧张，可能存在非预期的修正，影响安全。围绕制动跑偏问题，国内外相关学者和机构进行了大量的研究。

1990年[1]，郭孔辉结合SAE圆弧，从理论上推导了板簧垂向跳动时中心点运动轨迹和纵扭时板簧的纵扭中心位置，并介绍了其应用范围。2009年[2]  ，古玉锋基于整车硬点和板簧设计参数，建立了转向与悬架干涉分析的空间数学模型，用于对转向和悬架系统进行优化设计。2011年[3]，王锋综合考虑板簧纵扭和垂向跳动产生的转向干涉转角，推导出一种粗略预测整车制动跑偏量的计算方法。2012年[4]，陈耀明的汽车悬架论文集，分析了板簧垂向运动轨迹和纵扭轨迹，提出了很多有效的措施减小跑偏干涉量。

以上文献从理论上对悬架和转向系统硬点匹配进行了研究，但目前还很少有仿真分析和台架试验的相关研究，也没有相关的仿真和台架试验管控指标。鉴于此，本文开展了悬架和转向系统硬点匹配的仿真和台架试验方法研究。

1    制动跑偏机理分析

在汽車行驶过程中，如遇到危险情况，驾驶员踩下制动踏板，制动过程中，车辆的受力和计算方法如下[5] 。

1）地面对轮胎产生向后的制动力，该制动力作用到悬架，使悬架受到制动力和制动力矩；其中制动力使悬架产生纵向位移，制动力矩使悬架产生纵扭角度。

单轮地面制动力Fx（N）的计算公式为：

其中，mf 是前轴轴荷（kg）；g为重力加速度（m/s2）；?是路面附着系数，取0.7。

等效到轮心的制动力矩Mb（Nm）的计算公式为：

其中，Rt为轮胎的静力半径。

2）轴荷前移，前轴轴荷增加，悬架受到垂直载荷，产生垂向跳动位移。

将牵引车主车简化为4×2车型，根据汽车理论，制动时，前轴轴荷增加量?Fz（N）计算公式为：

其中，m是车辆总重（kg）；hg为质心高度（m）；L为车辆的轴距（m）；    是制動减速度（m/s2）。

基于上述制动过程受力分析，制动跑偏产生的主要原因有以下4点[6]  ：

1）左右制动力不同

左右制动力差异主要由于左右轮荷不同、左右制动间隙不同、左右制动气压响应快慢不同、左右车轮地面附着系数不同等原因造成。左右制动力不同，会使车辆在整车质心处产生横摆力矩，该力矩会使车辆产生跑偏。

2）轮跳干涉

制动时，前轴轴荷增加，板簧上跳。板簧在上跳过程中，由于直拉杆后端球头运动轨迹和板簧主片中心的运动轨迹不同，这就会引起运动干涉转向。

3）悬架纵扭

由于制动力矩，使板簧产生纵扭角变形。若板簧纵扭中心和直拉杆后端球头硬点位置匹配不合理，这将引起悬架相对于直拉杆后点产生纵向位移，从而产生干涉转角。

4）悬架纵向变形

制动力作用在悬架上，由于间隙、板簧弹性变形以及板簧卷耳处衬套的影响，使前桥产生向后的纵向位移，这将引起悬架相对于直拉杆后点产生纵向位移，从而产生干涉转角。

国内某主机厂数台商用车车在制动试验时，均表现为向左制动跑偏。在排除了制动一致性的因素后，本文主要针对该车的制动跑偏问题，通过仿真分析、K&C台架试验和整车试验，研究悬架与转向系统硬点参数对制动跑偏的影响，并总结出避免车辆制动跑偏的仿真分析方法和台架试验方法，从而使车辆在开发前期的仿真和台架试验阶段，就能够避免车辆出现制动跑偏问题。

2    仿真分析

基于Ansys/Workbench软件建立某车型的悬架和转向系统仿真模型，进行仿真计算，然后基于仿真的模型，分析不同方案对制动跑偏的影响。

2.1   仿真模型建立

首先将前转向与悬架系统三维模型简化，仅保留前轴主体、板簧主片、板簧副片和吊耳，将其它零部件去掉，将简化模型导入ansys/workbench中；然后基于如表1所示关键点坐标，在workbench中建立转向系统简化模型，便于快速进行不同方案仿真分析。建立的转向与悬架系统仿真模型如图1所示：

2.2   模型约束和加载

模型约束定义方式如下。直拉杆、横拉杆球头处定义为球铰副，转向节与前桥处定义为转动副，板簧卷耳和车架之间定义为转动副，板簧卷耳和吊耳之间定义为转动副，吊耳和车架之间定义为转动副，板簧主片和副片两端定义为滑动副，板簧主片和副片中间平直段定义为固定副，板簧副片平直段和车桥之间定义为固定副。

制动过程可以分解为同向轮跳和同向制动力工况。同向轮跳仿真分析时，在左侧和右侧主销处分别施加垂直载荷。同向制动力仿真分析时，将地面对轮胎的制动力等效到轮心，在左右轮心处施加制动力及制动力矩。

2.3   仿真结果分析

根据制动过程的载荷变化范围，提取制动过程的左轮前束角。

将该车型的相关参数带入到公式（1）、（2）、（3）中进行计算，得到该牵引车制动过程载荷变化范围如表2所示：

同向轮跳仿真完成后，导出左轮前束角和轴荷的关系曲线，根据表2所示的制动过程载荷变化范围，轴荷从6.6T增加到10T过程中，左轮前束角的变化为Toe_L_1。同向制动力仿真完成后，导出左轮前束角和单边制动力的关系曲线，制动力从0N增加到24000N过程中所产生的左前束角变化为Toe_L_2，制动过程总叠加转向角为：

本文采用总叠加转向角作为Toe_L制动跑偏的评价指标。其中左前束角为负值时，表示向左制动跑偏。

2.4   模型精度验证

通过同向轮跳中板簧刚度，初步验证仿真模型的精度。同向轮跳仿真中，计算板簧垂向力和垂向位移的关系，并求出板簧的仿真垂向刚度，仿真结果如图3所示。

将板簧的仿真刚度和台架试验刚度进行对比，结果如表3所示。结果表明，该模型仿真精度为93.2%，具备一定的仿真精度。

2.5   不同方案影响因素分析

考虑到直拉杆在整车XOZ平面投影与X轴的倾斜角度，对悬架上跳和下跳干涉量影响较大，在制定方案的过程中，仅分析直拉杆上下平行移动过程中对制动跑偏的影响。由理论分析可知，直拉杆垂直上移后，直拉杆后点和板簧的纵扭瞬心的相对位置会发生变化，会减小车辆向左制动跑偏的趋势。基于此，制定了表4所示方案：

基于验证的仿真模型，进行不同方案的同向轮跳和同向制动力仿真，分析其对制动跑偏的影响。同向轮跳仿真结果如图4所示。同向制动力仿真结果如图5所示。

根据表2所示的制动过程载荷变化范围，提取同向轮跳仿真的干涉转角Toe_L1和同向制动力仿真工况干涉转角Toe_L2，最后根据公式（4）计算总干涉转角Toe_L。不同方案的仿真结果如表5所示。

不同方案仿真分析结果表明：直拉杆垂直向上平移，可以减小车辆的向左制动跑偏量；在一定范围内，直拉杆垂直向上平移得越多，向左制动跑偏量减小得越多。

3    K&C台架试验分析

基于商用车悬架K&C特性台架，对不同方案进行K&C台架试验，分析不同方案对制动跑偏的影响。考虑到成本和试验效率，仅对方案2和方案4进行试制和试验。

3.1   台架试验方法

台架试验采用自主开发的商用车悬架K&C试验台进行，其结构如图6所示，图中，“1”表示被测车辆，“2”表示加载墩，“3”表示空间光学相机。该K&C试验台采用电机进行驱动，单轮垂向加载能力为7T，侧向和纵向加載能力为1.5T，回转力矩加载能力为1500Nm；加载过程中，车轮定位参数变化采用非接触式的空间动态光学相机C-Track进行测量。

如图7所示，试验前，先将前轮置于试验加载墩的中心，然后将车架前端和后端固定在铁地板上，最后将制动踏板和方向盘锁死。

台架试验分为同向轮跳加载工况和同向制动力加载工况。

同向轮跳加载过程中，对车轮施加垂向载荷，并保证车轮纵向力、侧向力和回转力矩始终为0，同时测试左轮前束角的变化。

同向制动力加载过程中，对车轮施加纵向载荷，并保证车轮侧向力和回转力矩始终为0，同时测试左轮前束角的变化。

3.2   不同方案台架试验结果分析

图8为同向轮跳工况不同方案左前束角随轴荷的变化关系。图9为同向制动力工况不同方案左前束角随制动力的变化关系。

按照仿真分析的数据提取方法，根据表2所示的制动过程载荷变化范围，提取不同方案左轮前束角，结果如表6所示。其中，同向制动力加载工况中，单侧轮胎加载的最大制动力为11000N，数据处理时采用插值法求解制动力为24000N时的左轮前束角。

不同改善方案K&C台架试验结果表明，方案2和方案4能减小车辆向左制动跑偏量。台架试验结果和仿真结果对比分析表明，不同方案对减小车辆向左制动跑偏的影响规律相同。

4    整车试验验证及管控指标确定

通过整车试验，验证仿真分析和K&C台架的结果，并总结出避免车辆制动跑偏的仿真分析管控指标和台架试验管控指标。

4.1   整车试验

试验牵引车满载带挂，总重49吨。试验在某汽车试验场干燥的水泥路上进行。当车辆在60km/h速度下时进行紧急制动，测量车辆停止时的测量偏移量。不同方案整车制动跑偏试验结果如表7所示。

试验结果表明，相对于原车，方案2和方案4都能有效地解决制动跑偏。

整车试验结果和仿真分析结果、K&C台架试验结果基本吻合。

4.2   管控指标确定

总结仿真分析结果、K&C台架试验结果和整车制动跑偏试验结果的关系，并以整车试验制动无跑偏的方案对应的仿真结果和K&C台架试验结果作为设计标杆，分别制定仿真分析和K&C台架试验的管控指标。

5    结论

通过仿真分析、K&C台架试验和整车试验，研究悬架与转向系统硬点参数对制动跑偏的影响，并解决了某车型的制动跑偏问题。

基于整车试验的结果，验证了仿真分析方法和K&C台架试验方法的正确性。基于有限元仿真分析模型，形成了制动跑偏CAE仿真分析方法和管控指标。基于商用车前悬架K&C台，形成了制动跑偏K&C台架试验方法和管控指标。

通过文本的研究内容，可以使车辆在仿真分析和台架试验阶段，对制动跑偏进行管控，从而提高开发效率，缩短开发周期。

参考文献：

[1]郭孔辉. 板簧变形运动学分析及其应用[J]. 汽车工程，1990（02）：7-15.

[2]古玉锋，赵稳庄，方宗德.非独立悬架与转向传动机构运动干涉分析方法研究[J]. 机械设计，2009，26（12）：52-54.

[3]王锋，王亮，刘俊荣.直拉杆与板簧运动干涉对制动跑偏的影响分析[J].轻型汽车技术，2011（10）：26-27+45.

[4]陈耀明.汽车悬架论文集[M]. 苏州：苏州大学出版社，2012.

[5]余志生. 汽车理论[M]. 北京： 机械工业出版社，2009.

[6]郭孔辉. 汽车操纵动力学原理[M]. 南京： 江苏科学技术出版社， 2011.

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宁忠翼

东风商用车技术中心

桥及转向系统开发设计  高级工程师

本文稿分析了制动跑偏产生的机理、搭建了前悬架和转向系统仿真模型，利用商用车前悬架K&C试验台架对选取的仿真优化方案进行台架验证，总结出了避免制动跑偏的仿真分析和K&C台架试验管控指标，实用价值较高，可提升商用车操稳特性。