乘用車(chē)懸架參數(shù)對(duì)制動(dòng)跑偏性能影響的研究

王博文

摘 要：車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中如果發(fā)生跑偏，希望通過(guò)合理的懸架參數(shù)設(shè)定來(lái)抑制跑偏現(xiàn)象。本文選取了兩個(gè)懸架參數(shù)，首先通過(guò)理論分析研究它們對(duì)制動(dòng)跑偏性能的影響，隨后找到與這兩個(gè)懸架參數(shù)敏感度高的懸架零部件，通過(guò)改變零件狀態(tài)調(diào)整兩個(gè)懸架參數(shù)值，再借助carsim仿真和整車(chē)試驗(yàn)的方法對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。最終得出車(chē)輛懸架參數(shù)及懸架零部件如何影響制動(dòng)跑偏性能，為前期的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)跑偏；懸架特性參數(shù)；carsim仿真；制動(dòng)跑偏試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）04-0029-06

Abstract： Vehicle drift may appear while braking， and some suspension parameters need to be set reasonably to reduce the level of brake pull. This article choose two related parameters and study their effect on the brake pull performance by theoretic analysis firstly. Meanwhile suspension components which have high effects on the parameters will be found and adjusted to set different values of two parameters. Then carsim simulation and test can be used to validate the theoretic analysis result. Finally the conclusion how suspension parameters and components effect on the brake pull performance can be found， which can provide references for platform development and design in the early stage.

Key Words： brake pull； suspension parameters； Carsim simulation； brake pull test

1 引言

汽車(chē)制動(dòng)跑偏，是指汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)自動(dòng)偏向一方，很可能造成嚴(yán)重事故。造成汽車(chē)制動(dòng)跑偏的原因很多，包括了制動(dòng)器、懸架系統(tǒng)、前輪定位和輪胎等因素。其中大部分原因都是車(chē)輛狀態(tài)與正常狀態(tài)不一致，如同軸左右制動(dòng)力不等，懸架系統(tǒng)損壞變形，轉(zhuǎn)向節(jié)松曠及前束調(diào)整不當(dāng)?shù)萚1]，車(chē)輪定位參數(shù)不對(duì)稱也是造成車(chē)輛制動(dòng)跑偏的一個(gè)重要原因[2]。本文以乘用車(chē)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究麥弗遜懸架系統(tǒng)特性參數(shù)對(duì)車(chē)輛制動(dòng)跑偏的影響，即當(dāng)車(chē)輛由于各種原因發(fā)生制動(dòng)跑偏時(shí)，這些懸架參數(shù)的變化如何抑制或放大制動(dòng)跑偏的現(xiàn)象。研究結(jié)論可以指導(dǎo)懸架及底盤(pán)系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)，在早期對(duì)車(chē)輛的性能有更深入的理解。

懸架系統(tǒng)總成的特性參數(shù)主要是指懸架的K&C;特性參數(shù)和車(chē)輪及懸架的幾何定位參數(shù)靜態(tài)設(shè)計(jì)值。所謂K&C;特性可以分為K（kinematic）特性和C（compliance）特性。K特性即懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，是指車(chē)輪在垂直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中由于懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用而導(dǎo)致車(chē)輪平面和輪心點(diǎn)產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，表示只與懸架連桿有關(guān)的彈簧變形過(guò)程；C特性即懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導(dǎo)致的車(chē)輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，施加力導(dǎo)致的變形跟懸架系統(tǒng)的彈簧、橡膠襯套以及零部件的變形有關(guān)。車(chē)輪定位參數(shù)靜態(tài)設(shè)計(jì)值是指車(chē)輪前束角和車(chē)輪外傾角的設(shè)計(jì)名義值，懸架幾何定位參數(shù)是指主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)偏置距、主銷(xiāo)后傾拖距等設(shè)計(jì)名義值[3]。

在split μ（左右輪路面附著系數(shù)不同）路面制動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，不同的主銷(xiāo)偏置拖距（scrub radius/mm）會(huì)影響車(chē)輛制動(dòng)跑偏偏移量[4]。圖1中的scrub radius定義為正值。在車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中，懸架系統(tǒng)受力情況與K&C;試驗(yàn)中縱向力加載工況類似，因此C特性參數(shù)縱向力轉(zhuǎn)向率（brake force steer/Deg/KN）也會(huì)對(duì)制動(dòng)跑偏有直接的影響，制動(dòng)時(shí)前輪有toe-out（前束變?。┶厔?shì)時(shí)定義其為正值。本文也將主要研究這兩個(gè)參數(shù)與制動(dòng)跑偏的關(guān)系。

本文首先通過(guò)理論分析得到兩個(gè)懸架系統(tǒng)參數(shù)如何影響車(chē)輛制動(dòng)跑偏穩(wěn)定性；再借助仿真分析的方法找到對(duì)兩個(gè)參數(shù)影響度較大的懸架零件，通過(guò)改變零件狀態(tài)改變車(chē)輛制動(dòng)跑偏性能。借助Carsim軟件建立實(shí)車(chē)模型，模擬制動(dòng)跑偏工況分析車(chē)輛在不同的懸架參數(shù)下制動(dòng)跑偏的差異；再通過(guò)不同的懸架零件狀態(tài)改變懸架參數(shù)，實(shí)車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而總結(jié)出兩個(gè)懸架K&C;參數(shù)如何影響車(chē)輛制動(dòng)跑偏性能，為今后的底盤(pán)架構(gòu)設(shè)計(jì)的前期開(kāi)發(fā)提供參考。

2 理論分析

假設(shè)車(chē)輛受到左右兩個(gè)方向的制動(dòng)力不同（FxL < FxR），會(huì)以車(chē)輛質(zhì)心為中心產(chǎn)生一個(gè)橫擺力矩Myaw（>0）使車(chē)輛向右跑偏（定義順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)為正）。當(dāng)Scrub radius值為負(fù)時(shí)，左右車(chē)輪分別產(chǎn)生一個(gè)大小不同方向相反的轉(zhuǎn)向力矩，綜合后在車(chē)輛上形成一個(gè)總的轉(zhuǎn)向力矩Msteer。

Msteer剛好可以與整車(chē)的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車(chē)輛的制動(dòng)跑偏效應(yīng)（如圖2所示）。同理，當(dāng)scrub radius值為正時(shí)，Msteer > 0，轉(zhuǎn)向效應(yīng)會(huì)放大制動(dòng)跑偏趨勢(shì)。

同樣，車(chē)輛左右兩邊受到不同的制動(dòng)力（FxL < FxR），當(dāng)brake force steer為負(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)向前輪產(chǎn)生toe-in趨勢(shì)，左右車(chē)輪分別產(chǎn)生一個(gè)大小不同方向相反的車(chē)輪轉(zhuǎn)角（定義順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)為正），綜合后在車(chē)輛上形成轉(zhuǎn)向效應(yīng)。

δ產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向效應(yīng)剛好可以與整車(chē)的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車(chē)輛的制動(dòng)跑偏效應(yīng)（如圖3所示）。同理，當(dāng)brake force steer值為正時(shí)，δ > 0，轉(zhuǎn)向效應(yīng)會(huì)放大制動(dòng)跑偏趨勢(shì)。

3 懸架零件對(duì)懸架參數(shù)scrub radius和brake force steer的影響

通過(guò)前文的描述，在不改變懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以直接調(diào)整前輪距來(lái)改變Scrub Radius值。輪距的調(diào)整可以通過(guò)改變車(chē)輪偏距wheel offset的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。Wheel offset定義為車(chē)輪安裝面與車(chē)輪中心的距離（圖4），wheel offset值越小，車(chē)輪越向外側(cè)移動(dòng)，scrub radius值即變大，如果scrub radius初始狀態(tài)值為負(fù)，通過(guò)不斷地調(diào)整可以使之變正。在輪轂與車(chē)輪的安裝面上添加墊片，可以來(lái)減小wheel offset，使scrub radius越來(lái)越大直至變正。

影響brake force steer的因素有很多，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析主要分為以下兩類：硬點(diǎn)位置和襯套剛度。硬點(diǎn)位置方面，通過(guò)仿真分析可以找到對(duì)brake force steer有較大影響的幾個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)，但是改變硬點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)影響KC其它參數(shù)性能，同時(shí)還存在與周邊零件干涉的風(fēng)險(xiǎn)，故暫不考慮此方案。

襯套剛度方面，可以調(diào)整與Ride & Handling性能相關(guān)的控制臂襯套剛度（bushing stiffness）來(lái)改變brake force steer。研究控制臂前襯套和控制臂后襯套，發(fā)現(xiàn)控制臂后襯套的剛度對(duì)brake force steer的敏感性較高（表1）。可以通過(guò)改變控制臂后襯套剛度的方式來(lái)改變brake force steer的值。

4 方案設(shè)計(jì)

選取某在售成品車(chē)型作為研究的基準(zhǔn)，原車(chē)狀態(tài)下scrub radius初始值為-10mm，為了能夠全面反映其影響，再分別調(diào)整其為0mm和+10mm，研究制動(dòng)跑偏有何變化。brake force steer以原車(chē)狀態(tài)為基準(zhǔn)，上、下調(diào)整其值研究對(duì)制動(dòng)跑偏的影響。根據(jù)本文第2部分的研究，可以通過(guò)更換不同剛度的控制臂后襯套來(lái)實(shí)現(xiàn)brake force steer值的調(diào)整?？刂票酆笠r套的選取如表2所示。

更換幾組控制臂后襯套分別進(jìn)行K&C;試驗(yàn)，隨著bushing剛度的增加，brake force steer的值也增加（偏正趨勢(shì)），如表3所示：

在實(shí)驗(yàn)中，分別取三組控制臂后襯套和車(chē)輪，構(gòu)造實(shí)驗(yàn)輪次共9次如表4所示：

在實(shí)驗(yàn)和仿真分析中，設(shè)定制動(dòng)跑偏的初始車(chē)速為100km/h，分別執(zhí)行0.2g，0.4g和0.6g減速度的制動(dòng)。人為地在車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中將左前和右前車(chē)輪的制動(dòng)力調(diào)整為不同（0.9：1）使車(chē)輛發(fā)生制動(dòng)跑偏現(xiàn)象，再記錄不同的brake force steer和scrub radius組合如何影響制動(dòng)跑偏。

5 Carsim仿真分析懸架參數(shù)對(duì)制動(dòng)跑偏的影響

CarSim是一種專業(yè)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，能準(zhǔn)確模擬車(chē)輛對(duì)駕駛員操作行為、空氣動(dòng)力學(xué)以及路面激勵(lì)的響應(yīng)，在車(chē)輛操縱穩(wěn)定性、平順性、燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。carsim建模的核心是參數(shù)化建模，主要是針對(duì)車(chē)輛基本參數(shù)、懸架K特性、懸架C特性和輪胎特性建模。本文基于某乘用車(chē)的K&C;測(cè)試數(shù)據(jù)建立整車(chē)模型。圖5介紹了在carsim中建立車(chē)輛模型的主要過(guò)程。

車(chē)輛模型中，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里可以直接修改scrub radius；在前懸架C特性參數(shù)中，通過(guò)“Toe/Fx coefficient”修改brake force steer。按照前文的設(shè)計(jì)方案，模型中其它參數(shù)皆不變，用不同的brake force steer和scrub radius組合進(jìn)行仿真。由于carsim軟件條件限制，制動(dòng)時(shí)的方向盤(pán)力矩不準(zhǔn)確，只作為參考；制動(dòng)時(shí)設(shè)置方向盤(pán)轉(zhuǎn)角始終為0，相當(dāng)于方向盤(pán)處于鎖死狀態(tài)。用制動(dòng)后車(chē)輛的側(cè)向位移作為跑偏指標(biāo)，最終的仿真結(jié)果如表5所示。在左右制動(dòng)力相同的情況下，車(chē)輛基本不發(fā)生跑偏，在左右制動(dòng)力不同的情況下，可以發(fā)現(xiàn)不同的scrub radius和brake force steer下側(cè)向偏移量不相同，并且有一定的規(guī)律，后面會(huì)繼續(xù)分析。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證懸架參數(shù)對(duì)制動(dòng)跑偏的影響

與仿真不同，使左右制動(dòng)力按比例分配的方法需要單獨(dú)加工一個(gè)比例閥來(lái)調(diào)節(jié)一側(cè)車(chē)輪的管路壓力。該裝置可以接在ABS模塊左前輪制動(dòng)管路壓力輸出口后，按照90%的比例調(diào)節(jié)管路壓力，使得左前輪制動(dòng)力為右前輪制動(dòng)力的90%，人為地使車(chē)輛制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏。試驗(yàn)操作需采集并監(jiān)測(cè)橫、縱向車(chē)速，側(cè)向、縱向加速度，航向角，橫擺角速度和側(cè)向位移等通道數(shù)據(jù)。

制動(dòng)跑偏試驗(yàn)中，需要通過(guò)零件的更換來(lái)調(diào)整brake force steer和scrub radius值。根據(jù)前文的分析，可以使用不同規(guī)格的車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的wheel offset，從而得到幾組不同的scrub radius值。再更換已經(jīng)加工好的控制臂后襯套（集成在控制臂中），得到幾組不同的brake force steer值。按照之前設(shè)計(jì)的方案選取不同的組合分別進(jìn)行試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)工況與仿真工況類似，都是車(chē)輛滑行到100km/h時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，用制動(dòng)后車(chē)輛的側(cè)向位移偏移量作為最終的指標(biāo)。與仿真不同的是，試驗(yàn)中鎖死方向盤(pán)的方法不容易操作，重復(fù)性差，因此采用制動(dòng)時(shí)撒手的辦法，方向盤(pán)沒(méi)有力矩輸入的條件下測(cè)量制動(dòng)跑偏量。將試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行處理，得到不同懸架狀態(tài)的制動(dòng)跑偏量如表6所示：

7 結(jié)論

從試驗(yàn)和仿真結(jié)果看，brake force steer和scrub radius變化對(duì)制動(dòng)跑偏的影響與理論分析結(jié)果有同樣的趨勢(shì)。在brake force steer相同的情況下，scrub radius越大制動(dòng)跑偏越嚴(yán)重，因此scrub radius偏負(fù)對(duì)制動(dòng)跑偏有一定的抑制作用。相似的，在scrub radius相同的情況下，brake force steer越大，即控制臂后襯套剛度越高，制動(dòng)跑偏越嚴(yán)重。設(shè)計(jì)懸架參數(shù)時(shí)可以使Brake force steer偏負(fù)一些，這樣有利于抑制制動(dòng)跑偏。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，仿真與試驗(yàn)可以較好地對(duì)應(yīng)，在前期的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中可以應(yīng)用仿真的手段來(lái)分析類似的問(wèn)題。

在底盤(pán)懸架系統(tǒng)前期的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，brake force steer和scrub radius的值是受很多因素決定的，制動(dòng)跑偏只是其中的一個(gè)方面。如果在前期的開(kāi)發(fā)中，其中一個(gè)參數(shù)值由于各種限制原因不得不取在有可能發(fā)生制動(dòng)跑偏風(fēng)險(xiǎn)的范圍內(nèi)，則可以通過(guò)調(diào)整另外的參數(shù)值來(lái)彌補(bǔ)這一風(fēng)險(xiǎn)，這在前期架構(gòu)開(kāi)發(fā)中具有很重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙其洋.車(chē)輛制動(dòng)跑偏的原因分析[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2010年第三期，2011（3）.

[2]梁榮朝，尹華清，倪盛開(kāi)，等.7噸輕型卡車(chē)制動(dòng)跑偏性能的研究[J].汽車(chē)科技，2017（2）.

[3]劉擁軍，王蠡，任凱，等.麥佛遜懸架總成參數(shù)對(duì)整車(chē)操控性能的影響分析[J].汽車(chē)技術(shù)，2011（8）.

[4]Steve Goddard， Paul Elwood. The Impact of Scrub Radius on Sport Utility Vehicle Handling. SAE paper 982834.

[5]徐磊，彭金栓. 非對(duì)稱路面對(duì)制動(dòng)效能影響的仿真分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，vol.14， No.26， 2014.9

[6]余志生. 汽車(chē)?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1.

[7]Tomas D. Gillespie著，趙六奇，金達(dá)鋒譯.車(chē)輛動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社，2006.12

[8] Jornsen Reimpell，Helmut stell，Betzler Jurgen W. The Automotive Chassis Engineering Principles [M]. Oxford：Butterworth-Heinmann， 2001.