基于ADAMS/Car的轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化

溫有東

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京　101300）

Wen Youdong

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基于ADAMS/Car的轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化

溫有東

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京101300）

Wen Youdong

摘要：某車型開發(fā)樣車在低速大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時，車輛不能自動回正。通過理論分析找出問題根源，利用ADAMS仿真分析，調(diào)整球頭銷硬點位置優(yōu)化轉(zhuǎn)向梯形，增加阿克曼符合率以改善車輛在低速大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時的回正性能，實車驗證該方法切實有效。

關(guān)鍵詞：ADAMS/Car軟件；回正性能；阿克曼符合率；轉(zhuǎn)向梯形

0　引　言

低速轉(zhuǎn)向時，駕駛員需要精確地控制轉(zhuǎn)向（例如駕駛員從車庫離開），然后松開轉(zhuǎn)向盤使得汽車直線行駛。在松開轉(zhuǎn)向盤后，駕駛員期望轉(zhuǎn)向盤自動回到直線行駛的位置；因此設(shè)計出一種具有較好回正特性的汽車是十分必要的。具有這種性能的汽車既有在低速時抵抗車輪上各種阻力的能力，也有在轉(zhuǎn)向時讓駕駛員具備正確路面感的能力。與高速橫向力矩相比，低速回轉(zhuǎn)性能與由懸架和轉(zhuǎn)向系產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩關(guān)系很大。

某改款車型開發(fā)樣車在低速（≤10km/h）大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)向盤在1～1.49圈內(nèi)）運動后松手，車輛不能自動回正；減小轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，車輛開始緩慢回正；車速>10km/h時車輛開始逐漸回正。市場在售競爭車型均無此現(xiàn)象，該改款車基礎(chǔ)車型也無此現(xiàn)象。

1　汽車低速回正影響因素

影響回正力矩的因素有許多，其中包括車速、轉(zhuǎn)向輪輪胎類型及氣壓、載荷、路面摩擦系數(shù)、前輪定位參數(shù)、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向角速度與角加速度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦特性、側(cè)傾轉(zhuǎn)向效應(yīng)、軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)等轉(zhuǎn)向干涉、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、輪胎的力學(xué)特性和車輛系統(tǒng)參數(shù)如重心高度等。

構(gòu)成車輪回正力矩的主要部分是側(cè)向力與輪胎拖距之積形成的輪胎自回正力矩和側(cè)向力與主銷后傾距之積形成的側(cè)向力回正力矩，其次是重力回正力矩和縱向力回正力矩；其中輪胎自回正力矩和側(cè)向力回正力矩與側(cè)向力成正比，而重力回正力矩與前軸負(fù)荷、轉(zhuǎn)向角成正比。在前軸左、右輪負(fù)荷差別不大的情況下，縱向力回正力矩很小。

在低速大轉(zhuǎn)角行駛條件下，汽車的側(cè)向加速度較小，因此輪胎的側(cè)偏角很小，由側(cè)向力形成的回正力矩較小，此時由前軸負(fù)荷形成的重力回正力矩和輪胎與地面的摩擦力矩是影響汽車回正性能的2個主要因素。因此，汽車轉(zhuǎn)向幾何學(xué)在此工況下有著至關(guān)重要的影響，不同的轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計對大轉(zhuǎn)角下阿克曼符合率的影響直接決定了輪胎與地面的摩擦力矩大小，從而決定了汽車的回正性能。

2　汽車低速不回正問題分析

2.1仿真分析

車輛在低速大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時，如內(nèi)、外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角差距較小，偏離理想的轉(zhuǎn)向角度，意味著低速大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時，車輪平面與車輪軌跡不重合，輪胎有一定的側(cè)偏角及側(cè)向力。

如圖1所示，低速大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角差與理論轉(zhuǎn)向差偏差越大，產(chǎn)生的側(cè)偏角越大，側(cè)向力也就越大。

圖1　汽車低速圓周運動輪胎力示意圖

建立樣車及基礎(chǔ)車型的ADAMS整車模型，對樣車及基礎(chǔ)車型進行ADAMS軟件仿真分析，得到轉(zhuǎn)向的阿克曼信息，2車型阿克曼特性基本相當(dāng)，但都處于偏低水平。如圖2所示，實線為問題樣車，虛線為樣車改款前的基礎(chǔ)車型。

圖2　轉(zhuǎn)向阿克曼特性對比

2.2前軸荷對比分析

由于回正力矩大小與前軸載荷即垂向力密切相關(guān)，在四輪定位等參數(shù)相同的條件下，前軸載荷越大，回正力矩越大，這解釋了基礎(chǔ)車為何比該車回正好。

對比該車與其基礎(chǔ)車型載荷見表1。

表1　某車與其基礎(chǔ)車參數(shù)對比

2.3分析結(jié)論

通過分析，該車低速大角度不自動回正主要原因如下。

1）該車型為改款車，改款后前軸載荷減少較多，回正力矩大幅減少，造成低速轉(zhuǎn)向后不自動回正；

2）在載荷變化較大和輪胎發(fā)生變化的情況下，維持基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向梯形和四輪定位參數(shù)不變是造成回正力矩減少和低速大轉(zhuǎn)角摩擦力矩增加的主要原因。

3　汽車低速不回正問題解決方案

提高大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時的阿克曼符合率需要對轉(zhuǎn)向梯形進行優(yōu)化，涉及到轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等零件的更改，周期較長。為了驗證理論分析的正確性，采用等效方案來提高大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時的阿克曼符合率。

減小車輪前束值以增加大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時的阿克曼符合率，使之更加接近理想阿克曼轉(zhuǎn)向，直至變?yōu)樨?fù)前束。改變車輛前束值進行主觀評價，評價結(jié)果見表2。

表2　更改前束實車測試結(jié)果

可以看出，當(dāng)負(fù)前束絕對值大于28￠時，轉(zhuǎn)向盤開始自動回正，這驗證了理論分析的正確性。但是，將車輪前束變?yōu)樨?fù)值會使轉(zhuǎn)向盤中間區(qū)域出現(xiàn)很多不合理的問題，同時還會帶來輪胎偏磨的風(fēng)險。

實車測試中，將前束角由0.14°調(diào)整為-28￠，怠速轉(zhuǎn)向回正性能變?yōu)榱己?。此調(diào)整是通過改變球頭銷的硬點位置，相當(dāng)于改變了轉(zhuǎn)向梯形。為獲得前束為-28￠時的轉(zhuǎn)向梯形，需沿整車坐標(biāo)系Y方向調(diào)整球頭銷硬點位置；對比阿克曼符合率，原模型轉(zhuǎn)向球頭銷硬點沿Y方向向內(nèi)移動5.33mm，可以獲得相同的轉(zhuǎn)向梯形。

通過ADAMS仿真得到PercentAckerman如圖3所示，細(xì)線為樣車更改前曲線，粗線為樣車更改后曲線，阿克曼百分比有所增加，回正性能改善。

圖3　更改前、后轉(zhuǎn)向阿克曼符合率對比

優(yōu)化后需要對懸架特性進行校核，特別是前束角變化。如圖4、圖5所示，前束角變化在下跳-20mm與上跳20mm范圍內(nèi)基本相同，跳動行程較大時，前束變化梯度有所降低，但變化量較小。

圖4　車輛平行跳動時的前束變化

實際更改中，將轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向球頭銷安裝錐孔內(nèi)移5.33mm，轉(zhuǎn)向節(jié)不需要重新開模，更改成本較低，布置和耐久影響較小，如圖6所示。

更改后對車輛進行轉(zhuǎn)向回正性能主觀評價，低速大轉(zhuǎn)角情況下，松開轉(zhuǎn)向盤，回正均勻順暢，殘余角較小，問題得到較好解決。

圖5　車輛反向跳動時的前束變化

圖6　轉(zhuǎn)向節(jié)工程更改

4　結(jié)束語

針對某改款車型低速大轉(zhuǎn)角下轉(zhuǎn)向盤不能自動回正的問題，首先通過理論分析找到導(dǎo)致該問題的關(guān)鍵因素和更改方向，利用易于實施的等效方案驗證了理論分析的正確性，然后通過CAE仿真分析找到解決問題的優(yōu)化方案，工程更改實施后，低速大轉(zhuǎn)角情況下，松開轉(zhuǎn)向盤，回正均勻順暢，殘余角較小，問題得到較好解決。

參考文獻(xiàn)

[1]郭孔輝.汽車操縱動力學(xué)[M].長春：吉林人民出版社，1991.

[2]薛立軍.前輪定位角對汽車轉(zhuǎn)向回正作用的影響[J].汽車工程，2003，25（2）：198-200.

[3]陳家瑞.汽車構(gòu)造（第3版）[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]姜明國，陸波.阿克曼原理與矩形化轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計[J].汽車技術(shù)，1994（5）：16-19.

收稿日期：2015-11-03

文章編號：1002-4581（2016）02-0037-03

中圖分類號：U463.46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.010