中型載貨車車身扭轉(zhuǎn)剛度對車輛側(cè)翻特性的影響

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中型載貨車車身扭轉(zhuǎn)剛度對車輛側(cè)翻特性的影響

因?yàn)檩^小的輪距和車輛質(zhì)心高度的比值，較長的軸距和較大的慣性距，控制貨車車輛側(cè)翻操縱穩(wěn)定性是最重要的特性。而較長的軸距，造成車身扭轉(zhuǎn)剛度降低。因此，要研究其對車輛側(cè)翻特性的影響。我們進(jìn)行了對中型載貨汽車的仿真分析和試驗(yàn)，用改變車輛參數(shù)研究車輛的頻率響應(yīng)特性。結(jié)果表明，車身扭轉(zhuǎn)剛度降低，增大前傾角的穩(wěn)態(tài)增量，不影響車輛運(yùn)動的側(cè)滑和側(cè)翻特性。因此，即使車身扭轉(zhuǎn)剛度不可避免地較低，采用增大前懸架的側(cè)傾剛度，減小前傾角，可保持合適的車輛操縱穩(wěn)定性。

車身扭轉(zhuǎn)剛度 縱梁 中型載荷汽車 前側(cè)傾角 操縱穩(wěn)定性

車輛操縱穩(wěn)定性對貨車工程師們是很重要的，有時對于貨車的縱梁要采用高拉伸強(qiáng)度鋼減小其厚度，以降低車輛的重量。但是較薄的縱梁降低了車身的扭轉(zhuǎn)剛度。因此，作者們要闡明車身扭轉(zhuǎn)剛度的降低對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。

貨車的操縱穩(wěn)定性與轎車有以下幾點(diǎn)不同：

(1) 輪距對質(zhì)心高度比值較小，結(jié)果使側(cè)傾角較大。從而貨車的操縱穩(wěn)定性具有臨界的最大側(cè)傾角，車輛與其翻倒不如側(cè)滑或空轉(zhuǎn)。

(2) 軸距本身較長，造成扭轉(zhuǎn)剛度較小，因而車身前部和車身后部逐步完成側(cè)翻。

(3) 慣性矩大。

因此，車輛側(cè)翻的重要特性是控制貨車操縱穩(wěn)定性。在(參考文獻(xiàn)1，2和3)已經(jīng)研究了貨車的側(cè)翻特性。但其中對貨車側(cè)翻運(yùn)動的頻率響應(yīng)卻研究甚少。本文作者采用改變車輛設(shè)計(jì)參數(shù)對額定總重8噸的中型載貨汽車進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)。

車輛側(cè)翻運(yùn)動的仿真分析

車輛側(cè)翻特性最重要的判斷準(zhǔn)則是車身前部的側(cè)翻角和車身后部側(cè)翻角的差，以及車身前部和后部之間的相位。采用車身前部和后部用一扭轉(zhuǎn)彈簧連接的雙質(zhì)量模型，如圖1所示，分析研究車身前部和后部的側(cè)翻運(yùn)動。

該車輛模型有5個運(yùn)動自由度，即橫向運(yùn)動、側(cè)滑、車身前部和后部的側(cè)翻運(yùn)動和轉(zhuǎn)向系運(yùn)動。這些運(yùn)動方程式可寫出如下：

橫向運(yùn)動：

圖1 車輛仿真模型Fig.1 Vehicle model

(1)

側(cè)滑運(yùn)動：

=FFLF-FRLR

(2)

車身前半部的側(cè)翻運(yùn)動：

(3)

式中

車身后半部側(cè)翻運(yùn)動：

(4)

式中

轉(zhuǎn)向系運(yùn)動

(5)

輪胎側(cè)向力：

(6)

(7)

中型載貨汽車的側(cè)翻特性。

對中型載貨車進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)，研究改變設(shè)計(jì)參數(shù)，如軸矩、扭轉(zhuǎn)剛度、懸架的側(cè)傾剛度和側(cè)傾轉(zhuǎn)向剛度時，車身扭轉(zhuǎn)剛度降低對側(cè)翻特性的影響。

試驗(yàn)選擇用GVW的3噸短頭型雙軸中型載貨車，總共5部車輛進(jìn)行了試驗(yàn)。它們的軸距不同，從3.22到5.5米。車輛A(軸距為3.22米)的扭轉(zhuǎn)剛度采用改變橫梁的數(shù)量，變?yōu)椴煌膬煞N方案，其一為原來固有的，另一為原來的一半。采用上述的數(shù)字模型，根據(jù)測出的在穩(wěn)定狀態(tài)車身前部和后部之間不同的側(cè)傾角，假定其扭轉(zhuǎn)剛度值。懸架側(cè)傾剛度采用有穩(wěn)定器和設(shè)有穩(wěn)定器兩種不同方案。側(cè)傾轉(zhuǎn)向剛度采用不同的兩種方案，即其采用改變后鋼板彈簧吊鉤的位置，使后轎由于側(cè)傾造成轉(zhuǎn)向不足和由于側(cè)傾而轉(zhuǎn)向過度，如圖2所示。圖3計(jì)算出的軸轉(zhuǎn)向特性。

圖2 理論的后轎轉(zhuǎn)向Fig.2 Conceptional rear axlestear

圖3 后轎中心的計(jì)算位置Fig.3 Calculated position of rear axle center

軸距的影響

采用軸距長度改變貨車側(cè)翻特性，從而比較采取不同軸距的5部貨車間側(cè)傾角的頻率響應(yīng)對轉(zhuǎn)向的作用。圖4示在車輛A(軸距：3.22米)和車輛E(軸距：5.5米)上側(cè)傾角的頻率響應(yīng)特性的試驗(yàn)結(jié)果。圖5示在5種車輛上前后車身間穩(wěn)態(tài)增益和相位的差異。穩(wěn)態(tài)增益差的測量數(shù)據(jù)0.2Hz圖5指出的為近似值。相位差的測量值為0.5Hz。圖5指出為樣本值。結(jié)果概述如下：

圖4 測得的側(cè)傾角頻率響應(yīng)(V=100km/h)Fig.4 Measured roll angle frequency response

圖5 測得的軸距和側(cè)翻特性間相互關(guān)系(V=100km/h)Fig.5 Measured relationship between wheel-base and roll characteristics (V=100km/h)

(1) 不論軸距長度如何，側(cè)傾角增益遠(yuǎn)低于0.5Hz。

(2) 觀察到側(cè)傾角反應(yīng)的極值增益在1和2Hz之間。

(3) 側(cè)傾角增益和車身前后部間相位差接近與軸矩長度成互比增大。

如圖6所示，測出的作用在車身前后部一半的向心加速度具有接近1Hz的最小值。因此，如果橫搖共振接近1Hz，向心加速度很低，側(cè)傾角將不變成通過橫搖共振的異常的大值。如果車身前部橫搖共振接近2Hz，向心加速度成為大值，車身前部的側(cè)傾角受車身后部具有一大的慣性矩的側(cè)傾特性的抑制，從而側(cè)傾角不成為異常大值。

圖6 測得的車身前后部向心加速度響應(yīng)Fig.6 Measured centrietal acceleration response of front and rearbodies (V=100km/h)

由以上研究可以判斷，橫搖共振具有小的關(guān)鍵性影響。在向心加速度的響應(yīng)特性不實(shí)質(zhì)性改變時，橫搖共振發(fā)生超過1Hz。但是，重要的是增加穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角大小。

車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響

圖7示車身扭轉(zhuǎn)剛度改變時，側(cè)傾角對轉(zhuǎn)向角共振頻率仿真分析的結(jié)果。車身A其原來固有的車身扭轉(zhuǎn)剛度為6.14×104kgm/rad，即使車身扭轉(zhuǎn)剛度激劇減少，而橫搖共振頻率僅少許減小。但是如圖8所示，在車身前部側(cè)傾角隨車身扭轉(zhuǎn)剛度減少而增大。因此，在車身前部對側(cè)傾角某些測量是必須的。

懸架側(cè)傾剛度的影響

圖9示側(cè)傾特性和前懸架的側(cè)傾剛度之間仿真分析的結(jié)果。增加前懸架的側(cè)傾剛度，很少增加車身前部和后部間側(cè)傾角相位差為0.5Hz，所得車身前部穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角降低。因此，車身前部側(cè)傾角隨車身扭轉(zhuǎn)剛度減少而增加，可以用增加前懸架側(cè)傾剛度補(bǔ)償。

圖7 算出的橫搖共振頻率和車身扭轉(zhuǎn)剛度之間關(guān)系(V=100km/h)Fig.7 Calculated relationship between roll resonance frequency and body torisonal stiffness (V=100km/h)

圖8 算出的側(cè)傾特性和車身扭轉(zhuǎn)剛度之間關(guān)系(V=100km/h)Fig.8 Calculated relationship between roll characteristics and body torsional stiffness (V=100km/h)

圖10示車輛A頻率響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，用移置橫梁減少其扭轉(zhuǎn)剛度，用裝置穩(wěn)定器增加前懸架的側(cè)傾剛度，采用仿真可預(yù)示，由前懸架側(cè)傾剛度增大可減小穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角。

側(cè)傾偏向率的影響

當(dāng)車身扭轉(zhuǎn)剛度改變時，橫搖對轉(zhuǎn)向的影響變化，因而改變了側(cè)傾的特性。從這個觀點(diǎn)出發(fā)，研究車身扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)傾偏向率之間關(guān)系。

圖11，12和13示仿真結(jié)果，表明了當(dāng)側(cè)傾偏向率改變時，穩(wěn)定性系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剛度之間關(guān)系。圖11示在后轎側(cè)傾中，穩(wěn)定性系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剛度之間關(guān)系。圖11示在后轎側(cè)傾中性轉(zhuǎn)向的情況，隨車身扭轉(zhuǎn)剛度降低，穩(wěn)定性系數(shù)在前軸側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向情況下增加。在前軸側(cè)傾過度轉(zhuǎn)向情況下，穩(wěn)定性系數(shù)減少。圖12示前軸側(cè)傾中性轉(zhuǎn)向情況，隨車身扭轉(zhuǎn)剛度降低，穩(wěn)定性系數(shù)少許增加，這時不論后轎側(cè)傾轉(zhuǎn)向是過度轉(zhuǎn)向還是不足轉(zhuǎn)向。如圖13所示，前軸側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向的情況下，穩(wěn)定性系數(shù)隨車身扭轉(zhuǎn)剛度降低而增加，與后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性無關(guān)。因此，應(yīng)強(qiáng)調(diào)不足轉(zhuǎn)向特性。

圖9 算出的側(cè)傾特性和前懸架側(cè)傾剛度間關(guān)系(V=100km/h)Fig.9 Calculated relationship between roll characteristics and roll stiffness of front suspension(V=100km/h)

采用中型載貨車，側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性在前軸是不足轉(zhuǎn)向，在后軸是過度轉(zhuǎn)向。因此，具有小的車身扭轉(zhuǎn)剛度的車輛穩(wěn)定性在高速并不惡化，因?yàn)檐囕v不足轉(zhuǎn)向傾向變強(qiáng)。

圖14和15示隨車身扭轉(zhuǎn)剛度降低對轉(zhuǎn)向作用偏轉(zhuǎn)速度頻率響應(yīng)的車輛試驗(yàn)結(jié)果。不論側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性在后軸是過度轉(zhuǎn)向(圖14)或不足轉(zhuǎn)向(圖15)，車輛不足轉(zhuǎn)向隨車身扭轉(zhuǎn)剛度降低少許加強(qiáng)，但實(shí)際上檢測到側(cè)滑速度頻率不變。

圖10 測得前懸架側(cè)傾剛度增加對側(cè)傾頻率響應(yīng)的影響(V=100km/h)Fig.10 Measured effect of roll stiffness increase of front suspension on roll frequency response (V=100km/s)

圖11 算出的改變前軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性穩(wěn)定性系數(shù)和車身扭轉(zhuǎn)剛度間關(guān)系(V=100km/h)Fig.11 Calculated relationship between stability factor and body torsional stiffness in varying roll steer behavior at front axle (V=100km/h)

圖12 算出的改變后轎側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性穩(wěn)定性系數(shù)和車身扭轉(zhuǎn)剛度間關(guān)系(V=100km/h)Fig.12 Calculated relationship between stability factor and body torsional stiffness in varying roll steer behavior at rearaxle (V=100km/h)

圖13 算出的改變后轎側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性和保持前軸不足轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性系數(shù)和車身扭轉(zhuǎn)剛度間關(guān)系(V=100km/h)Fig.13 Calculated relation ship between stability factor and body torsional stiffness in varying roll steer behavior at rear axle and keeping roll understeer at front axle (V=100km/h)

結(jié)論

通過對中型載貨車的仿真分析和車輛試驗(yàn)，研究了車身扭轉(zhuǎn)剛度和車輛操縱穩(wěn)定性之間的關(guān)系。其結(jié)果綜合如下：

(1) 如果一中型載貨車的車身扭轉(zhuǎn)剛度必須降低，在相同時間，側(cè)傾角對轉(zhuǎn)向作用響應(yīng)的響應(yīng)頻率接近1Hz，必須比橫搖共振更多注意穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角的大小。

圖14 當(dāng)車身扭轉(zhuǎn)剛度變化時后軸過度轉(zhuǎn)向情況下測得的偏轉(zhuǎn)速度頻率響應(yīng)(V=100km/h)Fig.14 Measured yaw velocity frequency response when changing body torsional stiffness in case of roll oversteer at rearaxle (V=100km/h)

圖15 當(dāng)車身扭剛度變化時在后軸不足轉(zhuǎn)向情況下測得偏轉(zhuǎn)速度頻率響應(yīng)(V=100km/s)Fig.15 Measured yaw velocity frequency response when changing body torsional stiffness in case of roll understeer at rear axle (V=100km/h)

(2) 隨車身剛度降低，在車身前部側(cè)傾角增加，但它可因前懸架側(cè)傾剛度增加而減少。

(3) 在前軸轉(zhuǎn)向不足情況下，不論前軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向特性如何，車輛的不足轉(zhuǎn)向特性隨車身扭轉(zhuǎn)剛度降低而加強(qiáng)。

名詞術(shù)語

NOMENCLATURE

AF:前部質(zhì)量質(zhì)心向心加速度

AF:centripetal acceleration at C.G. of front mass

AR：后部質(zhì)量質(zhì)心向心加速度

AR:centripetal acceleration at C.G. of rear mass

CF：前輪拐彎能力

CF:cornering power of front tire

CR：后輪拐彎能力

CR:cornering power of rear tire

CP：氣胎拖距

CP:pneumatic trail

CTR:主銷后傾拖距

CTR:caster trail

CφF:前懸架側(cè)傾阻尼系數(shù)

CφF:roll damping coefficient of front suspension

CφR:后懸架側(cè)傾阻尼系數(shù)

CφR:roll damping coefficient of rear suspension

DK：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼系數(shù)

DK：damping coefficient of steering system

GφF:前懸架側(cè)傾剛度

GφF:roll stiffness of front suspension

GφR:后懸架側(cè)傾剛度

GφR:roll stiffness of rear suspension

IK:轉(zhuǎn)向系統(tǒng)慣性矩

IK:moment of inertia of steering system

IZ:偏轉(zhuǎn)慣性矩

IZ:yaw moment of inertia

MF：車身前半部彈簧質(zhì)量

MF：sprung mass of front body half

MR：車身后半部彈簧質(zhì)量

MR：sprung mass of rear body half

N：轉(zhuǎn)向系總傳動比

N：overall steering ratio

RF：前軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)

RF：roll steer coefficient on front axle

RR：后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)

RR：roll steer coefficient on rear axle

V：車輛速度

V：vehicle velocity

hF：車輛側(cè)翻軸到前質(zhì)量質(zhì)心的高度

hF：height from vehicle roll axis to C.G. of front mass

hR：車輛側(cè)翻軸到后質(zhì)量質(zhì)心的高度

hR：height from vehicle roll axis to C.G. of rear mass

φF：前質(zhì)量側(cè)傾角

φF：roll angle of front mass

φR：后質(zhì)量側(cè)傾角

φR：roll angle of rear mass

IφF:前半車身側(cè)傾慣性矩

IφF:roll moment of inertia of front body half

IφR:后半車身側(cè)傾慣性矩

IφR:roll moment of inertia of rear body half

KS：轉(zhuǎn)向系剛度

KS：stiffness of steering system

Kφ:車身扭轉(zhuǎn)剛度

Kφ:body torsional stiffness

LF：車身質(zhì)心與前軸間距離

LF：disiance between vehicle C.G. and front axle

LR：車身質(zhì)心與后軸間距離

LR：disiance between vehicle C.G. and rear axle

LWF：車身質(zhì)心與前質(zhì)量質(zhì)心間距離

LWF：distance between vehicle C.G. and C.G. of front mass

LWR：車身質(zhì)心與后質(zhì)量質(zhì)心間距離

LWR：distance between vehicle C.G. and C.G. of rear mass

M：車輛質(zhì)量

M：vehicle mass

φR:后質(zhì)量側(cè)傾角

φR:roll angle of rear mass

δF:前輪轉(zhuǎn)向角

δF:steer angle of front wheels

θS:轉(zhuǎn)向輪角

θS:steering wheel angle

[1] Mori T. Calculations on the Roll Stiffness of Trucks Using Nonlinear Spring Model, Nissan Diesel Technical Review, No.50, 1988(in Japanese)

[2] Emori R I, Horiguchi J, Ikami T. Motion of Tractor-Semitrailer in Accident-Prone Conditions, IPC-4, 871181,1987.

[3] Miki S. Method for Evaluating Stability and Handling of a Truck Considering Body Torsional Rigidity, SAE Paper 881870, 1988.

[4] Shibahata Y, Ikawa K, Irie N. The Improvement of Vehicle Stability and Controllability by Rear Suspension, Nissan Technical Review, No. 19, 1983, (in Japanese)

[5] Abe M. Vehicle Dynamics and Control, Kyoritsu Shuppan 1979, (in Japanese)

Influence of Vehicle Body Torsional Stiffness On Vehicle Roll Characteristics of Medium Duty Truks

Shun'ichiHasegawaYuhjikusaharaYoshitoWatanabe

Because of smaller ratios of tread to height of gravitational center, longer wheel-bases, and larger moment of inertia, vehicle roll is the most important characteristics governing truck controllability and stability. And longer wheel-bases result in a reduction in vehicle body torsional stiffness. Hence, the influence of vehicle body torsional stiffness on vehicle roll characteristics is investigated. We carried out a simulation analysis and vehicle test on mediumduty trucks, in studying the vehicle frequency response characteristics by changing vehicle design parameters. The results show that a reduction in body torsional stiffness increases the steady state gain of the front roll angle without affecting the yaw and lateral characteristics of vehicle motion. Accordingly, even if body torsional stiffness is unavoidably lowered, reducing the front roll angle by increasing the roll stiffness of the front suspension can maintain appropriate vehicle controllability and stability.

Vehicle body torsional stiffness Side rail Medium-duty truck Front roll angle Conlrollability and Stability

1006-8244(2016)03-033-07

Shun'ichi Haseqawa Yuhji Kusahara Yashito Watanaba Nissan Diesel Motor Co. Ltd

U467.1+9

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