后橫向穩(wěn)定桿對汽車不足轉(zhuǎn)向性能的影響

王冬成，潘 筱，2

(1.鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，河南 鄭州450016;2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300162)

0 引言

數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)是縮短車輛研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計和制造質(zhì)量的重要途徑.系統(tǒng)動力學(xué)仿真是數(shù)字化虛擬樣機(jī)的核心技術(shù).對汽車而言，車輛動力學(xué)性能尤為重要.

懸架對行駛平順性和操縱性有著重要影響.懸架良好的垂直柔順性將底盤隔振，確保底盤跟隨路面形狀變化波動較小.在操縱汽車期間，為確保轉(zhuǎn)向控制，要求車輪與路面保持可靠的接觸以確保對輪胎的控制力.懸架性能對于車輛動力學(xué)來說非常重要，它主要體現(xiàn)在運動特性及其對輪胎傳遞到底盤的力和力矩的響應(yīng)［1-5］.

筆者運用ADAMS軟件創(chuàng)建了某SUV整車多體動力學(xué)仿真模型.分析了不同直徑的后橫向穩(wěn)定桿對整車不足轉(zhuǎn)向性能的影響.并與試驗結(jié)果在趨勢上有很好的一致性，可以用來指導(dǎo)該類懸架結(jié)構(gòu)自身設(shè)計.

1 整車動力學(xué)模型

1.1 前懸架運動學(xué)模型

SUV車前懸架采用雙橫臂式獨立懸架.前懸架對整車操縱穩(wěn)定性有重要影響的零件有:上橫臂(兩個)、下橫臂(兩個)、轉(zhuǎn)向節(jié)(兩個)、橫向穩(wěn)定桿(一個)、縱置扭桿彈簧(兩個)、減振器(兩個).上橫臂一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過橡膠襯套與車身相連;下橫臂一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過橡膠襯套與車身相連.縱置扭桿彈簧一端通過固定鉸鏈與下橫臂相連，另一端通過圓柱副與車身相連;穩(wěn)定桿一端通過等速萬向節(jié)與穩(wěn)定桿連接，另一端通過球鉸與下控制臂連接.圖1為前懸架雙橫臂動力學(xué)模型.

圖1 前懸架雙橫臂運動學(xué)模型Fig.1 Double-wishbone front suspension kinematics model

1.2 后懸架運動學(xué)模型

后懸架為五連桿螺旋彈簧非獨立懸架，結(jié)構(gòu)如圖2，運動學(xué)模型如圖3.該后懸架左上拉桿、右上拉桿、左下縱拉桿、右下縱拉桿、橫向推力桿兩端均分別以襯套與車身及后橋相連.

1.3 橫向穩(wěn)定桿模型

橫向穩(wěn)定桿對汽車的操縱穩(wěn)定性有重要影響.在ADAMS中建立簡化的橫向穩(wěn)定桿的模型，將穩(wěn)定桿中間斷開，聯(lián)以扭桿彈簧，其扭轉(zhuǎn)剛度由中間處的扭桿彈簧表示.

1.4 輪胎模型

ADAMS提供了5種輪胎模型，分別是:Delft輪胎模型、Fiala輪胎模型、UA輪胎模型和User Defined(用戶自定義)輪胎模型.其中:Fiala輪胎模型、Smithers輪胎模型、UA輪胎模型和User Defined(用戶自定義)輪胎模型為解析模型，Delft輪胎模型、Smithers輪胎模型為試驗?zāi)Ｐ?筆者使用的是UA輪胎模型.

1.5 車身系統(tǒng)簡化模型

車身模型的合理可行取決于車身的慣性參數(shù)及車身與懸架的連接位置和連接方式是否正確.車身的慣性參數(shù)以實際測量參數(shù)來確定.

1.6 整車動力學(xué)模型

將前懸架、后懸架、前后穩(wěn)定桿、輪胎模型等子系統(tǒng)組合裝配可建立十分精確的整車模型.

2 整車操縱穩(wěn)定性仿真及試驗結(jié)果

根據(jù)GB/T 13047—91穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗國家標(biāo)準(zhǔn)，后穩(wěn)定桿直徑為 20，23，25，27 mm 時，分別向左和向右進(jìn)行回轉(zhuǎn)實驗仿真，結(jié)果如圖4～圖6.

由圖4、圖5可知:隨著后橫向穩(wěn)定桿直徑增加，在相同側(cè)向加速度下，裝27 mm直徑穩(wěn)定桿時，車輛質(zhì)心側(cè)傾角最小;裝20 mm直徑穩(wěn)定桿時，車輛質(zhì)心側(cè)傾角最大.在側(cè)向加速度為0.4 m/s2時，車體側(cè)傾角均小于2.5°，裝20 mm直徑穩(wěn)定桿車體側(cè)傾角滿足設(shè)計要求.

由圖6、圖7知:隨著后橫向穩(wěn)定桿直徑增加，在相同側(cè)向加速度下，裝27 mm直徑穩(wěn)定桿時，車輛質(zhì)心側(cè)偏角最大，質(zhì)心跟跡性不好，不足轉(zhuǎn)向性能弱，后輪容易甩尾;裝20 mm直徑穩(wěn)定桿時，車輛質(zhì)心側(cè)偏角最小，質(zhì)心跟跡性較好，不足轉(zhuǎn)向性能強(qiáng)，車輛穩(wěn)定性好.由上述仿真優(yōu)化得，該車后穩(wěn)定桿直徑20 mm時，車體側(cè)傾滿足要求，不足轉(zhuǎn)向性能最強(qiáng)，高速轉(zhuǎn)彎工況時跟跡性好，穩(wěn)定性強(qiáng).

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗結(jié)果為表1所示.由仿真結(jié)果與表1對比可知，試驗結(jié)果在側(cè)傾及不足轉(zhuǎn)向性能趨勢上有較好的一致性，該仿真模型可以作為懸架實車調(diào)教理論模型并指導(dǎo)新車懸架設(shè)計及優(yōu)化.

表1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗結(jié)果Tab.1 Constant radius cornering test result(°)

3 結(jié)束語

運用ADAMS軟件創(chuàng)建了某SUV整車多體動力學(xué)仿真模型，分析了不同直徑的后橫向穩(wěn)定桿對整車不足轉(zhuǎn)向性能的影響，并與試驗結(jié)果有很好的一致性，可以用來指導(dǎo)該類懸架結(jié)構(gòu)自身設(shè)計.

［1］ BASTOWD.Car suspension and handling［M］.Second Edition.London:Pentech Press，1990:300

［2］ 日本自動車技術(shù)會編.汽車工程手冊5——底盤設(shè)計篇［M］.中國汽車工程學(xué)會組 譯.北京:北京理工大學(xué)出版社，2010，12:7-40.

［3］ 克羅拉，喻凡.車輛動力學(xué)及其控制［M］.北京:人民交通出版社，2003，10:57-66.

［4］ M.米奇克.汽車動力學(xué)［M］.陳蔭山，譯.北京:人民交通出版社，1996:227-233.

［5］ GILLESPIE T D.車輛動力學(xué)基礎(chǔ)［M］.趙六奇，金達(dá)鋒，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2006.