基于ADAMS的汽車跑偏影響因素分析

彭濤楊志強(qiáng)李亭唐俊車綿劉建文

（1.天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司；3.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司）

GB 7258《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中明確規(guī)定，機(jī)動(dòng)車應(yīng)具有穩(wěn)定的直線行駛能力[1]。這不僅要求汽車在轉(zhuǎn)向或側(cè)向風(fēng)干擾時(shí)能夠主動(dòng)回正，而且要求在轉(zhuǎn)向回正后能夠自行保持直線行駛。然而，當(dāng)前市場(chǎng)反饋的汽車跑偏問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮，汽車跑偏成為影響汽車性能水平和品質(zhì)的重要方面，也是關(guān)乎人們生命和財(cái)產(chǎn)安全的重大隱患。文章從力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度深入探討相關(guān)因素對(duì)汽車跑偏的影響機(jī)理，并基于車輛ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)車輪外傾、前束、主銷后傾、主銷內(nèi)傾、簧載質(zhì)量及制動(dòng)力等參數(shù)對(duì)汽車跑偏的靈敏度進(jìn)行了分析。對(duì)于從根本上解決跑偏問(wèn)題，預(yù)防和減少因汽車跑偏引起的交通事故的發(fā)生具有重要意義。

1 汽車跑偏定義及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.1 汽車跑偏定義

汽車跑偏分為行駛跑偏和制動(dòng)跑偏2種典型情況，是汽車使用過(guò)程中一種較常見(jiàn)的故障。行駛跑偏是指汽車在正常平坦路面上直線行駛時(shí)，駕駛員將方向盤自由地置于中間位置，而汽車自行向左或向右偏離汽車縱軸線方向的現(xiàn)象。汽車行駛跑偏是汽車使用過(guò)程中一種較常見(jiàn)的故障。制動(dòng)跑偏是當(dāng)駕駛員采取制動(dòng)措施時(shí)，由于左側(cè)和右側(cè)車輪制動(dòng)力不平衡導(dǎo)致汽車自行向左或向右偏離汽車縱軸線方向的現(xiàn)象。汽車跑偏時(shí)均伴隨著方向盤自行向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)汽車行駛或制動(dòng)跑偏時(shí)，方向盤會(huì)有規(guī)律地向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)駕駛員需要在方向盤上施加一個(gè)矯正力以保證方向盤和前輪處于直線行駛狀態(tài)，這會(huì)增加駕駛員操縱負(fù)擔(dān)，容易使駕駛員疲勞，并且由于直線行駛時(shí)車輪始終存在轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件和輪胎磨損加快，長(zhǎng)此以往會(huì)進(jìn)一步造成側(cè)滑現(xiàn)象，從而很容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

1.2 汽車跑偏評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

工程實(shí)際中無(wú)法保證汽車完全對(duì)稱，并且存在制造和裝配誤差，因此幾乎所有車輛都存在跑偏現(xiàn)象，只是跑偏程度有大小之分，因此需要有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)判汽車跑偏的依據(jù)。

對(duì)于汽車行駛跑偏的評(píng)判，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可低速和高速2種標(biāo)準(zhǔn)，如不滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求可視作跑偏，相關(guān)情況，如表1所示。

表1 汽車行駛跑偏評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于汽車制動(dòng)跑偏的評(píng)判，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的規(guī)定：制動(dòng)過(guò)程中機(jī)動(dòng)車的任何部位（不計(jì)入車寬的部位除外）不超出規(guī)定寬度的試驗(yàn)通道的邊緣線。對(duì)于普通乘用車，其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為汽車以50 km/h初速度開(kāi)始制動(dòng)后，汽車任何部位不超出2.5 m的跑道，因此汽車制動(dòng)跑偏評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)汽車整體與跑道相對(duì)位置定義的，與汽車寬度有較大關(guān)系[1]。

2 汽車跑偏影響因素分析

汽車跑偏是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題。常見(jiàn)的引起汽車跑偏的原因主要包括四輪定位參數(shù)匹配不當(dāng)、汽車載荷分配不均、零部件設(shè)計(jì)和制造缺陷、裝配不當(dāng)、輪胎胎壓及動(dòng)不平衡、道路不平坦及附著系數(shù)不均勻等[2-3]。汽車跑偏的直接原因是系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)和受力的不對(duì)稱性，從這個(gè)角度講，四輪定位參數(shù)匹配、簧載質(zhì)量和車輪受力分配是最直接的影響因素，因此重點(diǎn)對(duì)這些因素進(jìn)行分析[4]。

2.1 外傾角

外傾角是通過(guò)車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與汽車縱向平面的夾角。車輪外傾角可防止發(fā)生車橋因承載變形而出現(xiàn)的車輪內(nèi)傾現(xiàn)象，減小車輪磨損。

如圖1所示，車輪外傾會(huì)產(chǎn)生滾錐效應(yīng)，如果車輪左右兩側(cè)外傾角相等（αl=αr），此時(shí)外傾角差值為0，則車輪左右兩側(cè)處于平衡狀態(tài)，不發(fā)生轉(zhuǎn)向；當(dāng)兩者不相等時(shí)，左右兩側(cè)會(huì)呈現(xiàn)失衡狀態(tài)。當(dāng)右側(cè)車輪外傾角大于左側(cè)時(shí)（αr＞αl），右側(cè)車輪接觸點(diǎn)與車輪形成滾錐頂點(diǎn)O的距離（rr）小于左側(cè)車輪接觸點(diǎn)與車輪形成滾錐頂點(diǎn)O′的距離（rl），此時(shí)在左右兩側(cè)車輪縱向位移相同的情況下，右側(cè)車輪繞O轉(zhuǎn)動(dòng)的角度必定大于左側(cè)車輪繞O′轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，即右側(cè)車輪向右轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)明顯，因此整車會(huì)呈現(xiàn)右偏現(xiàn)象。

2.2 前束角

前束角是通過(guò)車輪中心的車輪平面和xy平面的交線與汽車縱向平面的夾角。車輪前束可避免外傾導(dǎo)致的車輪向外滾動(dòng)和滑動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，并消除輪胎磨損產(chǎn)生的不良后果。

如果車輪左右兩側(cè)前束角相等，此時(shí)前束角差值為0，則前束角形成的車輪轉(zhuǎn)角為0，汽車不發(fā)生轉(zhuǎn)向；一旦兩者不相等，則左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)就會(huì)失衡，此時(shí)汽車會(huì)發(fā)生向左或右轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象。圖2示出車輪在左右前束角不等時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖2中利用前束差將汽車簡(jiǎn)化為單軌模型。由此分析，當(dāng)前輪左右兩側(cè)前束差為正值時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)在右側(cè)，汽車有向右的轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，反之當(dāng)前輪前束差為負(fù)值時(shí)，汽車有向左的轉(zhuǎn)向趨勢(shì)；當(dāng)后輪前束差為正值時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)在左側(cè)，汽車有向左的轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，反之當(dāng)后輪前束差為負(fù)值時(shí)，汽車有向右的轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。

2.3 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾角是指在汽車橫向平面內(nèi)，主銷軸線與地面垂直線的夾角。轉(zhuǎn)向輪接地點(diǎn)與轉(zhuǎn)向主銷軸延長(zhǎng)線和地面的交點(diǎn)之間的橫向距離為主銷偏距，主銷偏距與車輪縱向力產(chǎn)生使車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力矩。一般非獨(dú)立懸架不存在實(shí)際的主銷，但可利用轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系確定虛擬主銷，例如典型麥弗遜懸架的主銷是減振器上支點(diǎn)與前擺臂外點(diǎn)的連線。

一般情況下，當(dāng)左右車輪主銷內(nèi)傾角相等時(shí)，主銷偏距亦相等，左右兩側(cè)車輪縱向力分別產(chǎn)生大小相等、方向相反的力矩，此時(shí)車輪能保持直線行駛。在主銷內(nèi)傾角不相等的情況下，車輪易產(chǎn)生不平衡的偏轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致汽車跑偏。

2.4 主銷后傾角

主銷后傾角為汽車縱向平面內(nèi)，主銷軸線與地面垂直線的夾角。轉(zhuǎn)向主銷軸延長(zhǎng)線和地面的交點(diǎn)與轉(zhuǎn)向輪接地點(diǎn)之間的縱向距離為主銷后傾拖距。車輪側(cè)向力與主銷后傾拖距會(huì)產(chǎn)生使車輪沿主銷偏轉(zhuǎn)的力矩。如果左右車輪主銷后傾角不一致，則側(cè)向力產(chǎn)生的主銷回正力矩不相等，這種情況下易發(fā)生車輪轉(zhuǎn)向失衡，導(dǎo)致車輪跑偏。

2.5 簧載質(zhì)量

簧載質(zhì)量對(duì)跑偏的影響主要是由于左右兩側(cè)減振器通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)向器兩端施加的不平衡力造成的。如圖3所示，簧載質(zhì)量對(duì)左右兩側(cè)減振器施加作用力F在汽車橫向平面內(nèi)分別產(chǎn)生Fsinφ的分力（φ為減振器與汽車縱向平面的夾角），該作用力會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向拉桿左右兩側(cè)分別產(chǎn)生方向相反、大小為Fdsinφ的作用力矩（d為作用力臂），該力矩對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿產(chǎn)生向內(nèi)的推動(dòng)作用。顯然，當(dāng)左右兩側(cè)簧載質(zhì)量相等時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿作用力矩平衡，轉(zhuǎn)向器不會(huì)帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)左右兩側(cè)簧載質(zhì)量不相等時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿作用力矩失衡，并向簧載質(zhì)量較小的一側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)向器會(huì)帶動(dòng)方向盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致汽車跑偏。

2.6 車輪縱向力

車輪縱向力對(duì)汽車跑偏的影響實(shí)際上是分析車輪縱向力對(duì)質(zhì)心作用力矩的平衡問(wèn)題，它是保證汽車直線行駛的重要方面，所以應(yīng)盡量使4個(gè)車輪上的力對(duì)質(zhì)心的作用力矩平衡?；奢d質(zhì)量不平衡會(huì)造成車輪垂直方向受力不均，從而導(dǎo)致輪胎的滾動(dòng)阻力不平衡并對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生橫擺力矩，但由于正常情況下輪胎的滾動(dòng)阻力較小，橫擺力矩相對(duì)較小，因此這種情況一般不會(huì)引起汽車跑偏。同樣，如果汽車左右兩側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力不均衡、胎壓不等、附著系數(shù)不一致或道路有橫向坡度，甚至零部件裝配導(dǎo)致的受力不均等都可能會(huì)引起質(zhì)心橫擺增大，導(dǎo)致汽車跑偏，橫擺力矩的方向決定汽車的跑偏方向。

3 汽車跑偏ADAMS仿真分析

3.1 整車ADAMS建模及驗(yàn)證

以某型號(hào)乘用車為研究對(duì)象，利用ADAMS/Car建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型[5]。整車模型，如圖4所示，主要包括麥弗遜式前懸架、雙橫臂式獨(dú)立后懸架、動(dòng)力總成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和輪胎等。

因模型驗(yàn)證是仿真分析的重要方面，故依據(jù)GB/T 6323.1-94《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法-蛇形試驗(yàn)方法》驗(yàn)證模型正確性[6]。試驗(yàn)時(shí)汽車行駛速度和方向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示；同樣條件下測(cè)試得到的汽車行駛軌跡與ADAMS仿真結(jié)果對(duì)比情況，如圖6所示。

由圖5和圖6可見(jiàn)，相同條件下，利用ADAMS建立的多體動(dòng)力學(xué)模型仿真得到的汽車行駛軌跡與實(shí)車測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性，誤差在5%以內(nèi)。因此可認(rèn)為仿真模型具有較高的可信性，可作為下一步研究的依據(jù)。

3.2 ADAMS仿真分析

利用整車ADAMS模型仿真不同條件下汽車跑偏情況。仿真工況定義為：汽車在平坦、干燥路面（附著系數(shù) 0.7）上直線行駛，速度為 80 km/h，距離為 100 m，定義汽車向右跑偏為正方向；制動(dòng)時(shí)汽車行駛速度為50 km/h。相關(guān)因素對(duì)汽車跑偏的影響，如圖7所示。

圖7中涉及的差值均定義左側(cè)大于右側(cè)為正，反之為負(fù)。由圖7可見(jiàn)，四輪定位參數(shù)、簧載質(zhì)量和制動(dòng)力的不對(duì)稱導(dǎo)致了汽車跑偏，汽車跑偏量隨相關(guān)參數(shù)基本呈線性變化趨勢(shì)，并且前束差變化對(duì)汽車跑偏量影響較大，簧載質(zhì)量影響相對(duì)較??；從汽車跑偏的方向規(guī)律看，汽車向外傾角、簧載質(zhì)量和制動(dòng)力較大的一側(cè)跑偏，而向前束、主銷內(nèi)傾和主銷后傾較小的一側(cè)跑偏，這與前述分析一致。單純對(duì)比四輪定位對(duì)汽車跑偏的影響，不同參數(shù)的靈敏度，如圖8所示。

由圖8可知，相比較而言，車輪前束差對(duì)汽車跑偏影響最大，貢獻(xiàn)量接近80%，應(yīng)在汽車制造過(guò)程中重點(diǎn)控制；其次，外傾角也是影響跑偏的重要因素；主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角影響雖然相對(duì)較小，但卻是影響汽車轉(zhuǎn)向回正性能的重要參數(shù)，也應(yīng)合理設(shè)計(jì)和重點(diǎn)控制。

4 結(jié)論

文章建立了包含麥弗遜式前懸架、雙橫臂式獨(dú)立后懸架、動(dòng)力總成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和輪胎總成的ADAMS模型并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)對(duì)汽車跑偏和動(dòng)力學(xué)性能分析提供了可靠依據(jù)。文章利用ADAMS仿真分析了車輪外傾、前束、主銷后傾、主銷內(nèi)傾、簧載質(zhì)量以及縱向力對(duì)汽車跑偏的影響，總結(jié)了汽車跑偏量隨相關(guān)因素的變化規(guī)律。通過(guò)靈敏度分析區(qū)分了影響汽車跑偏的主次因素，深化了對(duì)汽車跑偏現(xiàn)象的理解和認(rèn)識(shí)，為汽車設(shè)計(jì)和制造中如何避免和改善汽車跑偏問(wèn)題提供了參考。