輕型客車直行跑偏仿真和試驗(yàn)

王正國

摘 要：為解決輕型客車的直行跑偏問題，以國產(chǎn)某輕型客車為研究對(duì)象，將各個(gè)部件之間作為剛性連接，車身用等效的集中質(zhì)量簡(jiǎn)化處理，在MSC Adams主模塊Aview基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的輪胎模型和路面模型，建立具有12個(gè)自由度(Degree of Freedom，DOF)的動(dòng)力學(xué)仿真模型. 實(shí)車試驗(yàn)與仿真分析的比較說明該模型具有較高的準(zhǔn)確度和有效性. 仿真分析同時(shí)揭示輕型客車的直行跑偏與前輪各定位參數(shù)之間的關(guān)系，為快捷查找造成車輛直行跑偏的關(guān)鍵因素和解決方案提供依據(jù)及相應(yīng)對(duì)策.

關(guān)鍵詞：輕型客車；直行跑偏；懸架系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；MSC Adams；Aview

中圖分類號(hào)：U463.3；U463.4；U461.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Simulation and test on off-tracking from line of light bus

WANG Zhengguo

(Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 201204，China)

Abstract：To solve the problem of off-tracking from line of light bus，a domestic light bus is taken as the study object. The components are linked rigidly，the body is considered as a simple mass and a 12 Degree of Freedom (DOF) dynamical simulation model is set up based on MSC Adams package Aview in which tyre model and road model are combined. The comparison of real vehicle test and simulation shows that the model is more valid and effective. The simulation also shows the relationship of off-tracking from line and position parameters of front tires and provides the basis and corresponding countermeasure for vehicle to find the key factors and solutions on off-tracking from line quickly.

Key words：light bus；off-tracking from line；suspension system；steering system；MSC Adams；Aview

0 引 言

輕型客車一般采用前輪驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋在保證汽車轉(zhuǎn)向功能的同時(shí)，應(yīng)使轉(zhuǎn)向輪具有自動(dòng)回正功能，以保證汽車穩(wěn)定直線行駛.即當(dāng)轉(zhuǎn)向輪偶遇外力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，一旦作用的外力消失后，應(yīng)能立即自動(dòng)回到原來直線行駛的位置.[1]這種自動(dòng)回正特性由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)保證，也即轉(zhuǎn)向輪、主銷與前軸之間的安裝應(yīng)具有一定的相對(duì)位置——轉(zhuǎn)向輪定位.無論是由制造裝配公差還是由使用造成的定位參數(shù)變化對(duì)車輛的直行特性均有重要影響.筆者結(jié)合工程實(shí)際，提出1種解決車輛跑偏特性的技術(shù)路線和方法.

1 整車懸架結(jié)構(gòu)特性分析

1.1 前懸架結(jié)構(gòu)分析

某輕型客車前懸架為扭桿梁式雙橫臂獨(dú)立懸架，主要由下橫臂、上橫臂、扭桿梁減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向拉桿等構(gòu)成，其中：減震器下端支座與下橫臂通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，減震器上端支座與車架也通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；扭桿梁一端與上橫臂在靠近車架1側(cè)固結(jié)在一起，另一端則固定在車架上，其結(jié)構(gòu)見圖1.需要說明的是，本懸架結(jié)構(gòu)沒有主銷的實(shí)物結(jié)構(gòu)，而是通過上下球鉸的空間位置確定主銷的外傾角和后傾角等定位參數(shù).此外，由于扭桿梁所起到的扭桿彈簧作用，可以省去傳統(tǒng)懸架所采用的螺旋彈簧，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置方便而節(jié)省大量空間.

圖 1 扭桿梁式雙橫臂獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)

1.2 后懸架結(jié)構(gòu)分析

后懸架為帶減振器的鋼板彈簧非獨(dú)立懸架，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由鋼板彈簧(單片)、鋼板彈簧釣耳和減振器等構(gòu)成；鋼板彈簧一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接在車架上，另一端通過釣耳連接在車架上；減振器兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副分別連在后橋和車架上，其結(jié)構(gòu)見圖2.由于后懸架鋼板彈簧只有1片板簧，因此為了增加后懸架的阻尼特性，本結(jié)構(gòu)中采用減振器，這是與一般鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的不同之處.鋼板彈簧可以起到導(dǎo)向作用.

圖 2 帶減振器的鋼板彈簧非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)

2 整車MSC Adams動(dòng)力學(xué)模型建立

為了分析此輕型客車前輪定位參數(shù)與車輛直行跑偏特性之間的關(guān)系，必須建立整車的多體動(dòng)力學(xué)模型.借助模型計(jì)算分析車輪定位參數(shù)對(duì)車輛直行跑偏特性的影響，找到影響跑偏特性的主要因素并提出相應(yīng)對(duì)策.

2.1 整車動(dòng)力學(xué)建模所需的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性參數(shù)

為了建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型，必須首先獲得整車參數(shù)和懸架參數(shù).其中，整車參數(shù)又包括力學(xué)特性參數(shù)和空間結(jié)構(gòu)位置參數(shù)，主要是質(zhì)心位置坐標(biāo)、輪距、軸距、整車質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)；懸架參數(shù)主要包括懸架各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置參數(shù)、各個(gè)構(gòu)件之間連接副關(guān)系以及彈簧和減振器等的力學(xué)特性參數(shù)等.在研究過程中，上述所有參數(shù)均來自某國產(chǎn)輕型客車，具有較高的可信度和準(zhǔn)確度.

2.2 整車各部件約束關(guān)系分析

在確定整車參數(shù)和懸架關(guān)鍵點(diǎn)位置參數(shù)后，還須建立前、后懸架及整車各部件之間的約束關(guān)系[2].圖3和4分別為前懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)約束關(guān)系.

圖 3 前懸架系統(tǒng)約束關(guān)系ER圖

圖 4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)約束關(guān)系ER圖

2.3 整車MSC Adams動(dòng)力學(xué)模型建立

在上述分析基礎(chǔ)上建立某輕型客車的整車MSC Adams動(dòng)力學(xué)模型[3].與此同時(shí)，考慮到所能提供參數(shù)的實(shí)際情況，在具體建模過程中忽略彈性襯套對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，即各個(gè)部件之間是剛性連接.車身用等效的集中質(zhì)量簡(jiǎn)化處理，其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等慣性參數(shù)來自真實(shí)的目標(biāo)車輛，最終建立的模型見圖5.該模型在MSC Adams主模塊Aview基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)輪胎模型和路面模型建立而成，具有12個(gè)自由度，具體包括車身3個(gè)位移自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，4個(gè)車輪的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以及轉(zhuǎn)向輪的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.

圖 5 整車MSC Adams動(dòng)力學(xué)模型

上述建立的整車MSC Adams多體動(dòng)力學(xué)模型為進(jìn)一步分析前輪定位參數(shù)對(duì)車輛直行跑偏特性創(chuàng)造有利條件.

3 前輪定位參數(shù)對(duì)車輛直行跑偏特性仿真分析和試驗(yàn)

為了深入研究此輕型客車的直行跑偏特性，重點(diǎn)分析前輪定位參數(shù)(包括主銷外傾角和后傾角、輪胎外傾角和前束角)對(duì)直行跑偏特性的影響，找出嚴(yán)重影響車輛直線行駛特性的因素.另外，為了更加貼近實(shí)際情況和有效驗(yàn)證整車MSC Adams多體動(dòng)力學(xué)模型，還進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)研究，見圖6.

圖 6 車輛直行跑偏特性道路試驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用上述建立的輕型客車12自由度多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析時(shí)，設(shè)定方向盤處于自由狀態(tài)，獲得在前輪初始定位參數(shù)條件下的跑偏特性.如圖7所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間歷程，縱坐標(biāo)為車輛行駛過程中的橫向跑偏量.同時(shí)，為了驗(yàn)證整車MSC Adams動(dòng)力學(xué)模型的正確性和有效性，必須將試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析模型有效結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合分析.具體過程如下：首先，通過實(shí)車試驗(yàn)獲得保證車輛直線行駛所需的方向盤力矩輸入信號(hào)；之后將試驗(yàn)獲得的力矩信號(hào)作為輸入在MSC Adams環(huán)境下進(jìn)行車輛直行跑偏特性的仿真分析，獲得的結(jié)果見圖8.對(duì)比圖7和8可以發(fā)現(xiàn)，在方向盤自由狀態(tài)下比力矩輸入狀態(tài)下的跑偏要嚴(yán)重許多，這與實(shí)際情況完全一致，說明所建模型具有較高的準(zhǔn)確度和有效性.

圖 7 車輛不同車速對(duì)應(yīng)的跑偏特性分析(方向盤自由狀態(tài))

圖 8 車輛不同車速對(duì)應(yīng)的跑偏特性分析(方向盤力矩輸入狀態(tài))

3.2 車輛直行跑偏特性對(duì)策

通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)輕型客車的直行跑偏與前輪各個(gè)定位參數(shù)均有密切關(guān)系，因此可以通過有效控制車輪的定位參數(shù)來減弱甚至消除車輛的直行跑偏特性.通過對(duì)整車MSC Adams動(dòng)力學(xué)模型大量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)主銷后傾角和內(nèi)傾角、車輪前束角和外傾角等定位參數(shù)對(duì)車輛直行跑偏特性均有較大影響，但是其相對(duì)于前束角變化的靈敏度最大，所以選取前束角為主要控制對(duì)象而以其余定位參數(shù)作為輔助控制對(duì)象來減緩車輛的直行跑偏特性.仿真分析結(jié)果見圖9.

圖 9 前束角變化與車輛直行跑偏特性的關(guān)系

4 結(jié) 論

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)控制車輪前束角的值可以有效減緩車輛的直行跑偏特性，且左右兩側(cè)車輪的前束角要有一定差值；前束角控制在0°15′時(shí)，可以使跑偏量最??；

(2)只有保證車輪各個(gè)定位參數(shù)的有效匹配，才能緩解甚至消除車輛的直行跑偏特性；

(3)將仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，可以更為快捷地查找造成車輛直行跑偏的關(guān)鍵因素，為制定解決方案提供依據(jù).

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭孔輝. 汽車操縱穩(wěn)定性[M]. 長春：吉林人民出版社，1983.

[2] 洪嘉振. 計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

[3] 鄭建榮. Adams——虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

(編輯 廖粵新)