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汽车与公路设备 |
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悬架特性对操稳性能影响的分析方法探讨 |
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作者：刘红领 杨亚娟 |
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1 概述
由于汽车在随机性、快速性和机动性等方面的优点，目前已经成为人们重要的交通工具，而随着汽车占有率的日益提高，公路交通安全已经成为一个受广泛关注的社会问题。汽车操纵稳定特性不仅影响到汽车驾驶的操纵轻便性，而且也是解决高速车辆安全性的一个重要性能。汽车操稳特性的研究已经有70多年的历史，其首要研究的问题是具有怎样运动规律和行驶性能的汽车容易为不同的人所接受，其次是需要研究优化方法来提高汽车的操稳特性。
目前国内对汽车操稳性能问题研究的文章很多，但一般都集中在整车操稳理论、试验方法研究，而基于悬架K&C性能分析进而预测、优化并改进整车操稳性能的分析方法研究较少。汽车的不足转向度是汽车操纵稳定性的一个重要评价指标，在汽车概念设计阶段，通过悬架在各种工况下的K&C性能分析，可计算分析整车的基本动力学特性，协助完成目标设定、目标改进和整车操稳性能优化提升等工作。
本文最终以奇瑞某车型为例，分析并研究改变悬架的K&C特性（主要改变悬架的侧倾转向和侧向变形转向梯度）对整车不足转向度的影响，并在整车操稳性能的优化改进中进行了验证。
2 基本理论
悬架的K&C性能是汽车动力学特性的重要基础，为了满足来自汽车市场的各种各样的技术需求，悬架K&C分析已经变得越来越重要。Kinematics研究悬架和转向系统的几何空间位置运动特性，不考虑质量或力的影响；Compliance是由于力的作用而引起的变形，如弹簧、稳定杆、衬套和部件的受力变形。通过悬架K&C性能的分析改进，可为整车性能的提升提供支持。
2.1 侧倾转向
当汽车车厢侧倾时，由车厢侧倾所引起的悬架运动会导致车轮转向。由于簧载质量的侧倾运动，前轮、后轮相对于簧载质量的转向运动称为侧倾转向。由于侧倾转向改变轮胎转角，因此直接影响汽车的操稳性能。以ε代表侧倾转向系数，整车的不足转向度可表示为：
其中：φ――车身侧倾角；
ay――侧向加速度；
随着前、后侧倾转向的方向与数值的不同，整车的不足转向度也会随着增加或较小。
2.2 侧向变形转向
为使汽车具有好的NVH性能，悬架连杆机构一般采用刚度较小的衬套，这样在悬架受到侧向力时就会引起车轮绕主销或垂直于地面轴线的转向，这称为侧向变形转向。变形转向也是一种使车辆具有恰当不足转向度的有效手段，一般希望汽车转弯行驶时承受主要载荷的外侧车轮有合适的不足转向特性，即前轮有减少前束的变形转向角，后轮有增加前束的变形转向角。
侧向变形转向系数可定义为：
其中：δc――转向角；
Fy――侧向力；
侧向力等于轴荷乘以侧向加速度，因此前轴转向角可表示为：
由侧向变形转向引起的整车不足转向度可表示为：
3 仿真分析
悬架K&C分析时需要考虑各种各样的工况，如跳动、转弯、制动、侧倾等，以研究悬架的运动学和动力学特性，因此需要专门的软件或分析方法的支持，目前应用较多的是多体动力学分析软件MSC ADAMS。
在MSC ADAMS/Car中建立前悬架模型、稳定杆模型和转向系统模型如图1所示，根据公式（1）、（4），在仿真分析时，保持整车的载荷状态、质量属性、弹簧、减振器等参数不变，通过改变前悬架空间连杆机构的位置、衬套刚度、副车架刚度等参数，只改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，即只改变εf和Af，而不改变悬架的其它K&C性能（或改变很小），研究侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度的变化对整车不足转向度的影响。 
图1 前悬架模型
图2所示为前悬架的侧倾转向梯度变化，以左侧车轮为研究对象；图3所示为侧向变形转向梯度，以右侧车轮为研究对象，只研究左右车轮受同向侧向力时的梯度变化。
图2 侧倾转向梯度
图3 侧向变形转向梯度
改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，而保持前后悬架和整车的其它参数不变，对整车进行稳态回转仿真分析，计算整车的不足转向度，即KRS和KLFCS，研究悬架的K&C特性变化对整车性能的影响。不足转向度随侧倾转向梯度的变化如图4所示，随着前悬架侧倾转向梯度εf的增大，整车不足转向度KRS逐渐增大；不足转向度随侧向变形转向梯度的变化如图5所示，随着侧向变形转向梯度Af的增大，整车不足转向度KLFCS逐渐增大。结合图2、图3，在汽车转弯时，前悬架外侧车轮的负前束变化趋势增大时，整车有增加不足转向的趋势。
通过改变悬架运动学几何模型、衬套刚度参数、弹簧特性、稳定杆特性等参数，分析其K&C特性变化，可预知整车的基本动力学特性的变化，可用于汽车概念设计阶段的目标值设定，也可用于样车底盘性能提升时的仿真分析支持。 
图4 不足转向度随侧倾转向梯度的变化
图5 不足转向度随侧向变形转向梯度的变化
4 结论
通过悬架的K&C分析，研究了侧倾转向和侧向变形转向对整车不足转向的影响，在汽车转弯时，前悬外侧车轮应具有增大负前束的变化趋势，相应的，后悬架外侧车轮应具有增大正前束的变化趋势，以使整车具有合适的不足转向特性。
该方法也可用于悬架其它性能的分析，如跳动转向、制动转向、回正力矩、外倾补偿、载荷转移等，这些都是影响汽车操控性的主要因素。
悬架的K&C特性直接影响整车的操纵稳定性，在汽车的概念设计阶段，通过悬架K&C分析，可判断、优化和提升整车的操控性能，也可为副车架、转向机等其它部件的布置提供参考；在汽车的试制和性能调教阶段，通过K&C分析，可以为性能改进和样件试制提供仿真依据，缩短试验周期，节约试验费用。(end)
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(1/7/2011) |
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