橫風(fēng)對(duì)汽車穩(wěn)定性影響的計(jì)算分析

趙守月 姜國(guó)彬 戴銳 盧祖秉

摘 要：本文基于線性二自由度汽車模型，考慮了懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)對(duì)輪胎剛度的影響，建立了可以用于橫風(fēng)穩(wěn)定性分析的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)某一車型進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果吻合度較高，該模型可以用于車輛開(kāi)發(fā)初期的橫風(fēng)穩(wěn)定性快速分析和預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：橫風(fēng)穩(wěn)定性；線性二自由度；懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)；等效側(cè)偏剛度

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：1005-2550（2018）05-0024-05

Abstract： Based on two freedom vehicle model， take the influence of suspension steering effect to tire cornering power into account， build a vehicle stability forcast model to analyse the wind influence， and also have a contrast with the test result， the result shows that the forcast model accuracy is good， so it can be apply to do quick analysis and forcast during vehicle develop initial stage.

Key Words： side wind stability； two freedom vehicle model； suspension steering effect；

equivalent cornering power

1 概述

高速行駛的汽車在與大貨車會(huì)車或超車、駛出隧道、以及經(jīng)過(guò)大橋等場(chǎng)景下，經(jīng)常會(huì)受到自然界中橫向風(fēng)的作用，車輛的行駛狀態(tài)受到干擾，產(chǎn)生側(cè)傾、橫向速度、橫擺角速度等影響，偏離行駛軌道，駕駛員需要操作方向盤(pán)維持車輛直線行駛。如果影響超過(guò)一定限值，會(huì)使駕駛員感到車輛行駛不穩(wěn)定，引起駕駛員害怕焦慮的情緒，長(zhǎng)途行駛時(shí)會(huì)導(dǎo)致駕駛員過(guò)早地疲勞，誘發(fā)交通事故。因此研究橫風(fēng)對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，并對(duì)其影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，是有重要意義的。本文在經(jīng)典線性二自由度汽車模型的基礎(chǔ)上，考慮懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)的影響，對(duì)橫風(fēng)側(cè)向力、側(cè)傾力矩、橫擺力矩的影響進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算出橫風(fēng)對(duì)汽車穩(wěn)定性的影響，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)確認(rèn)。結(jié)果表明計(jì)算模型具有較高的精度，今后在車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)車輛橫風(fēng)穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)及目標(biāo)設(shè)定具有一定的指導(dǎo)意義。

2 建立線性二自由度汽車模型

為了分析橫風(fēng)對(duì)汽車穩(wěn)定性的影響，建立線性二自由度汽車模型，如圖1所示，由于汽車在橫風(fēng)作用下產(chǎn)生的橫擺運(yùn)動(dòng)是被動(dòng)響應(yīng)，因此定義前輪的初始轉(zhuǎn)角為0。對(duì)于此簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為汽車只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度，忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，由橫風(fēng)引起汽車行駛方向的變化，即質(zhì)心側(cè)偏角β的變化；忽略懸架的作用，認(rèn)為汽車車廂只做相對(duì)于地面的平面運(yùn)動(dòng)，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角和繞x軸的側(cè)傾角均為零；汽車沿x軸的前進(jìn)速度u視為不變；驅(qū)動(dòng)力不大，不考慮地面切向力對(duì)輪胎特性的影響；汽車的側(cè)向加速度限定在0.4G以下，輪胎的側(cè)偏特性處于線性范圍，忽略左右輪胎由于載荷的變化引起的輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用。

（4）3 橫風(fēng)影響下的等效側(cè)偏剛度

當(dāng)汽車經(jīng)過(guò)橫風(fēng)區(qū)時(shí)，受到橫風(fēng)氣流的影響，汽車會(huì)受到橫風(fēng)的側(cè)向力、側(cè)傾力矩和橫擺力矩，如圖2所示。側(cè)向力和側(cè)傾力矩會(huì)使車廂發(fā)生側(cè)傾和橫向速度，橫擺力矩會(huì)使汽車橫擺運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生的離心力也會(huì)使車廂發(fā)生側(cè)傾。這些力或力矩會(huì)通過(guò)車體作用到懸架上，進(jìn)而引起懸架上力的變化。

在操控穩(wěn)定性領(lǐng)域，懸架控制車輪定位角的變化，懸架的變化會(huì)使車輪定位角發(fā)生變化，一般主要考慮車輪外傾角和前束角。由于車輪外傾角對(duì)輪胎側(cè)偏剛度的影響較小，本文只考慮橫風(fēng)下懸架對(duì)車輪前束角變化的影響，即懸架的轉(zhuǎn)向效應(yīng)。

懸架的轉(zhuǎn)向效應(yīng)主要包括側(cè)傾轉(zhuǎn)向效應(yīng)和變形轉(zhuǎn)向效應(yīng)，兩者分別在汽車發(fā)生側(cè)傾、受橫向力的時(shí)候產(chǎn)生。懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)會(huì)改變輪胎的側(cè)偏剛度，改變后的側(cè)偏剛度就是上文中提到的輪胎等效側(cè)偏剛度。

懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向效應(yīng)如圖3所示，車廂發(fā)生向一側(cè)的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，該側(cè)車輪對(duì)應(yīng)的懸架產(chǎn)生壓縮行程，另一側(cè)車輪對(duì)應(yīng)的懸架產(chǎn)生拉升行程，

車輪在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生微小的轉(zhuǎn)向角δ（為簡(jiǎn)化描述這里假設(shè)左右輪的轉(zhuǎn)向角相同），此現(xiàn)象稱為側(cè)傾轉(zhuǎn)向。通常取使車輛產(chǎn)生不足轉(zhuǎn)向的變化為正，使車輛產(chǎn)生過(guò)多轉(zhuǎn)向的變化為負(fù)。

懸架的變形轉(zhuǎn)向效應(yīng)如圖4所示。變形轉(zhuǎn)向一般由兩方面原因，一方面，輪胎受到的側(cè)向力Fy一般作用于輪心偏后位置，側(cè)向力會(huì)使車輪產(chǎn)生一個(gè)繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使車輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；另一方面，由于懸架擺臂和轉(zhuǎn)向拉桿襯套的影響，側(cè)向力Fy會(huì)使車輪發(fā)生位移，如果懸架擺臂襯套剛度s1與轉(zhuǎn)向拉桿襯套剛度s2不同，車輪在發(fā)生位移的同時(shí)也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。兩者合成，使車輪發(fā)生轉(zhuǎn)角γ，此現(xiàn)象稱為懸架的變形轉(zhuǎn)向，這種變化的符號(hào)定義與上述側(cè)傾轉(zhuǎn)向相同。

對(duì)于普通家用車，一般都會(huì)通過(guò)對(duì)懸架特性的設(shè)定，使懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向和變形轉(zhuǎn)向趨向于不足轉(zhuǎn)向特性，提升汽車在轉(zhuǎn)向或變道時(shí)的穩(wěn)定性。

懸架側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)和變形轉(zhuǎn)向系數(shù)，兩者都可以通過(guò)車輛多體動(dòng)力學(xué)模型仿真得到，通過(guò)車輛的KC實(shí)驗(yàn)也可以得到實(shí)測(cè)值。

根據(jù)懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)，可以得出輪胎在懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)修正后的側(cè)偏剛度，以后輪為例進(jìn)行分析，如圖5所示。

綜合式（4）和式（11），即可建立汽車的橫風(fēng)影響預(yù)測(cè)工具，預(yù)測(cè)汽車不同車速、不同風(fēng)速影響下的橫擺角速度和橫向加速度。

4 橫風(fēng)穩(wěn)定性影響計(jì)算和試驗(yàn)