前輪定位參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)方法研究

李占東，唐嵐，羅位

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

前言

汽車前輪定位參數(shù)是汽車底盤幾何參數(shù)中最為重要的參數(shù)，它直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向特性，以及操縱穩(wěn)定性。前輪定位參數(shù)中，前輪外傾角與前束角的變化特性對(duì)輪胎磨損以及整車操縱穩(wěn)定性有很大的影響。汽車在平直公路上行駛時(shí)，正外傾會(huì)使輪胎向外側(cè)偏移，正前束會(huì)使輪胎向內(nèi)側(cè)偏移。前束與外傾的運(yùn)動(dòng)特性匹配要求既能滿足整車操穩(wěn)性能，又要減少前束和外傾帶來輪胎磨損的不利影響。文獻(xiàn)[1]分析了前輪在外傾和前束共同作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡幾何關(guān)系，推導(dǎo)出了外傾角和前束值的匹配公式。車輪跳動(dòng)對(duì)前輪定位參數(shù)的影響的研究有很多，為本文的研究提供了一定的思路和方法。

本文以某前懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用Adams/car建立前懸架虛擬樣機(jī)，分析前輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)的變化，通過多體動(dòng)力學(xué)仿真分析及前束角與外傾角的理論匹配關(guān)系得出該車型最合理的前束角和與外傾角梯度，并對(duì)整車操穩(wěn)進(jìn)行分析以驗(yàn)證前束與外傾匹配的合理性。

1 前束角與外傾角的匹配關(guān)系

1.1 前束角

前束角是指在汽車行駛的俯視圖上，車輪中心面和水平面交線與汽車縱向?qū)ΨQ面的夾角。在行駛過程中車輪外傾會(huì)使得前輪的滾動(dòng)類似于圓錐滾，由于轉(zhuǎn)向橫拉桿的約束使得前輪在滾動(dòng)過程中出現(xiàn)邊滾邊側(cè)滑的現(xiàn)象，為了消除和減輕這一現(xiàn)象，會(huì)在前輪設(shè)置與之匹配的前束值。根據(jù)側(cè)偏角的定義[2]，前輪前束角可以理解為輪胎的側(cè)偏角。

1.2 外傾角

對(duì)于整體橋懸架來說，當(dāng)滿載時(shí)車橋變形會(huì)使得車輪外傾有變小的趨勢(shì)，對(duì)于獨(dú)立懸架來說，由于受導(dǎo)向機(jī)構(gòu)約束車輪跳動(dòng)時(shí)車輪外傾會(huì)有一定的變化。整備狀態(tài)下汽車前輪一般都會(huì)給出一定的外傾角初始值，以補(bǔ)償懸架壓縮車輪外傾的變化。外傾角對(duì)于輪胎磨損和汽車操作穩(wěn)定性都有一定影響。對(duì)于車輪外傾角，能夠保證車輪在滿載情況下不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)傾的情況，減少車輪的偏磨損。同時(shí)也會(huì)減少輪轂外軸承的負(fù)荷。當(dāng)車輪在一定的外傾角下滾動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一定外傾側(cè)向力[2]。

對(duì)于車輪在一定的外傾角作用下產(chǎn)生的側(cè)傾力，可以等效為產(chǎn)生了一定的側(cè)偏角Δα，則車輪的外傾角γ與側(cè)偏角Δα的關(guān)系可以用以下公式表達(dá)：

1.3 外傾角與前束角匹配關(guān)系計(jì)算

對(duì)于轉(zhuǎn)向輪而言，合理的匹配外傾角與前束角的關(guān)系，可以使跳動(dòng)時(shí)車輪的前束角和外傾角引起的側(cè)偏角相互抵消[5]（在輪胎側(cè)偏特性的線性范圍內(nèi)）。從而減少汽車在直線行駛過程中輪胎的側(cè)滑量，一方面降低了輪胎的磨損，另一方面也可以減少車輪的行駛阻力。基于輪胎的運(yùn)動(dòng)幾何軌跡，建立了外傾角與前束角的理論匹配關(guān)系式[3]：

式中：L為軸距（mm）；a為輪胎接地半印跡長度（mm）；R為輪胎滾動(dòng)半徑（mm）；γ為車輪外傾角（°）。

2 匹配設(shè)計(jì)方法

在確定前懸架系統(tǒng)模型后，通過仿真和計(jì)算得出前束角隨輪跳的變化曲線及外傾角等效的側(cè)偏角隨輪跳的變化曲線。因此優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為二者曲線之間的誤差盡量小，從而實(shí)現(xiàn)減少輪胎磨損的目的[4]。優(yōu)化模型以前束角βa和外傾角γ為設(shè)計(jì)變量，βa一般為0～15′，γ一般為0～1o。

優(yōu)化目標(biāo)是車輪跳動(dòng)過程中前束角的實(shí)際值與理論值的差值的平方和最小，具體目標(biāo)函數(shù)式為：

式中：F(X)，為輪跳時(shí)得目標(biāo)函數(shù)；hi為車輪的輪跳值；ε(h)為權(quán)重系數(shù)，在區(qū)間[-50，-30)取 0.5，在區(qū)間[-30，-30]取 1.5，在區(qū)間[30，50]取 1；βa，βt分別為實(shí)際仿真前束角和外傾角等效的前輪側(cè)偏角。

3 實(shí)例分析

根據(jù)上述匹配設(shè)計(jì)方法對(duì)設(shè)計(jì)車前懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)車基本參數(shù)如下表1：

表1 設(shè)計(jì)車基本參數(shù)

3.1 平行輪跳工況分析

根據(jù)基本輸入?yún)?shù)在Adams/Car模塊中建立了本文所選用車型的前懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，如圖1所示。本模型是在其確定的輪跳區(qū)間，半載工況下進(jìn)行仿真。選取前束角 β和外傾角γ為設(shè)計(jì)變量，利用上文提出的外傾角和前束角的理論匹配關(guān)系式，對(duì)其輪跳過程中前輪外傾角等效的側(cè)偏角和前束角的誤差進(jìn)行分析，使其動(dòng)態(tài)的前束角與外傾角得到更合理的匹配。

在動(dòng)力學(xué)模型中輸入相關(guān)參數(shù)，通過仿真分析并對(duì)懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，前束角初始值調(diào)整為 0.17mm，外傾角初始值調(diào)整為0.5°。仿真結(jié)果如表2所示，優(yōu)化后跳動(dòng)轉(zhuǎn)向角及跳動(dòng)外傾角等效的前輪側(cè)偏角的變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出隨輪跳變化的前束角更接近于與外傾角等效的側(cè)偏角，平均跳動(dòng)轉(zhuǎn)向率也更接近于跳動(dòng)外傾角等效的側(cè)偏角的平均斜率，說明隨輪跳變化的動(dòng)態(tài)前束角與外傾角實(shí)現(xiàn)了合理的匹配。由此以來，在車輪跳動(dòng)時(shí)外傾角和前束角產(chǎn)生的輪胎側(cè)滑量能夠更大程度的抵消，從而實(shí)現(xiàn)減少輪胎的磨損。

表2 相關(guān)參數(shù)分析結(jié)果

圖2 前輪跳動(dòng)前束角及跳動(dòng)外傾角等效的側(cè)偏角變化曲線

3.2 整車操穩(wěn)驗(yàn)證

在上述對(duì)前輪前束角與外傾角匹配設(shè)計(jì)之后，需對(duì)整車操穩(wěn)進(jìn)行分析以驗(yàn)證匹配設(shè)計(jì)的合理性。輸入整車基本參數(shù)建立整車模型，對(duì)于前輪前束與外傾對(duì)整車操穩(wěn)的影響主要從穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和掃頻轉(zhuǎn)向兩個(gè)工況進(jìn)行分析。本文將參照國標(biāo)GBT 6263-2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》，采用開環(huán)評(píng)價(jià)方法，即在相同的行駛工況條件下，通過整車模型在各種典型工況下的響應(yīng)來分析樣車的操縱穩(wěn)定性。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)車輛前、后軸的側(cè)偏柔性以及整車的不足轉(zhuǎn)向特性，側(cè)傾梯度等。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真結(jié)果如表3所示顯示，前軸側(cè)偏柔性梯度及整車不足轉(zhuǎn)向度均滿足整車設(shè)計(jì)性能要求。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能指標(biāo)

圖3 前軸轉(zhuǎn)向柔性

圖4 整車不足轉(zhuǎn)向度

掃頻轉(zhuǎn)向仿真主要考察在不同的方向盤輸入頻率下，車輛的響應(yīng)特性。0.2Hz及1Hz下車輛橫擺角速度及側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間，反映駕駛員在緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤及快速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤輸入下車輛的頻率響應(yīng)特性。掃頻轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果如表4所示顯示，掃頻轉(zhuǎn)向各項(xiàng)指標(biāo)均滿足整車設(shè)計(jì)性能要求。

表4 掃頻轉(zhuǎn)向性能指標(biāo)

圖5 橫擺角速度增益

4 總結(jié)

概述了轉(zhuǎn)向輪前束和外傾對(duì)客車輪胎磨損的影響關(guān)系，并基于Adams/Car仿真分析了前束和外傾隨車輪跳動(dòng)的變化情況，提出了將前束值和外傾角作為設(shè)計(jì)變量的設(shè)計(jì)方法，使得動(dòng)態(tài)的前束角和外傾角實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的匹配。分析結(jié)果表明該前懸車輪跳動(dòng)過程中前束角更接近于外傾角等效的側(cè)偏角，兩者可相互抵消，減小兩指標(biāo)帶來的負(fù)面影響。所采用的方法能進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)前束與外傾的匹配，為車輛的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供了一定的參考，具有工程實(shí)用價(jià)值。

[1] 馬駿,錢立軍.汽車外傾角與前束值的合理匹配研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,01:25-28.

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