汽車懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及整車制動性試驗

任成龍，辛江慧

（南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 引言

我國的道路交通安全問題因為高速公路的快速發(fā)展及汽車行駛速度的普遍提高，已變得越來越嚴(yán)峻。交通事故一般與汽車主動安全性能相對較差有很大的關(guān)系，約35%的交通事故是由于汽車制動性能較差、制動時側(cè)滑或跑偏等原因造成的，在結(jié)冰路面上的交通事故更是（70～80）%與側(cè)滑有關(guān)[1]，且提高車輛的主動安全性能是改善道路交通安全問題的最有效途徑，因此，對汽車制動及側(cè)滑性能的研究顯得尤為重要。目前，進(jìn)行汽車制動性能研究的方法主要為基于ADAMS或MATLAB等的虛擬仿真試驗或?qū)嵻囋囼瀃2-6]。

汽車的制動性能與其結(jié)構(gòu)和使用條件有關(guān)，而在汽車結(jié)構(gòu)方面，除轉(zhuǎn)向和制動等裝置的技術(shù)狀況外，汽車懸架的結(jié)構(gòu)及技術(shù)狀況也有較大影響。為此，基于ADAMS/Car，以某在用汽車相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立麥弗遜前懸架模型并進(jìn)行虛擬仿真試驗，獲取試驗懸架的前輪定位參數(shù)曲線，進(jìn)行分析并以此為目標(biāo)函數(shù)，通過ADAMS/Insight進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到優(yōu)化后的硬點坐標(biāo)（即懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)）和前輪定位參數(shù)。然后，建立包括優(yōu)化后的前懸架的整車動力學(xué)模型，進(jìn)行不同工況下的汽車制動性能仿真試驗，獲得相關(guān)試驗曲線及數(shù)據(jù)，進(jìn)而對汽車的制動及側(cè)滑性能進(jìn)行分析、評價。

根據(jù)仿真試驗得到的優(yōu)化后的硬點坐標(biāo)，調(diào)整懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)并按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實車緊急制動試驗。獲得試驗汽車的制動效能表征參數(shù)，對比分析后得出試驗汽車的制動性能。

2 前懸架模型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以某在用汽車麥弗遜前懸架系統(tǒng)為對象，測量其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝配參數(shù)，如表1所給。根據(jù)實車的懸架構(gòu)造，分析、確定懸架各部件之間的相互運動關(guān)系；利用ADAMS軟件，根據(jù)硬點坐標(biāo)及連接關(guān)系，建立對應(yīng)的麥弗遜前懸架系統(tǒng)虛擬仿真模型，如圖1所示。

表1 優(yōu)化前、后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)（硬點坐標(biāo)）/mmTab.1 Parameters of Suspension Structure（Hard Point Coordinates）Before ＆ After Optimization/mm

圖1 前懸架系統(tǒng)Fig.1 Front Suspension System

以原型車的輪胎、輪距、簧載質(zhì)量、驅(qū)動力、制動力分配和質(zhì)心高度等參數(shù)為依據(jù)，在仿真系統(tǒng)中輸入相應(yīng)的懸架裝配參數(shù)值，設(shè)定上下跳動行程為50mm，對麥弗遜懸架裝配模型進(jìn)行仿真試驗。試驗得到主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束角4個前輪定位參數(shù)曲線，如圖2所示。由圖2及文獻(xiàn)[7]可知，前懸架的主銷后傾角變化范圍為（4.91～5.71）°，且隨車輪上跳，角度變大，變化量為0.8°，雖變化范圍在3°之內(nèi)，但初始值為5.28°，太大；主銷內(nèi)傾角的變化范圍是（11.80～13.66）°，超出了理想范圍；隨車輪向上跳動，前輪外傾角隨之下降，變化范圍為（-1.85～0.35）°，變化量為 2.2°，超出了理想的變化量；前輪前束角在（-1.04～1.20）°之間變化，變化量太大，超出了理想范圍，且車輪上跳時呈正前束，也不符合要求。

圖2 前輪定位參數(shù)曲線Fig.2 Curves of Front Wheel Alignment Parameter

由此可知，4個定位參數(shù)均不滿足使用要求，故原汽車懸架結(jié)構(gòu)不能滿足使用要求，需用ADAMS/Insight對上述不合理的定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以4個定位參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)對懸架及整車性能的影響程度，選取下控制臂前、后和外支點，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)、外支點和減振器上安裝點等6個硬點的18個坐標(biāo)值作為因子進(jìn)行試驗。通過靈敏度分析，得出各因子對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度并確定影響最大的硬點。取仿真的最大絕對值作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值。以上述因子作為設(shè)計變量，設(shè)定其坐標(biāo)浮動范圍為（±10）mm。得到優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)（硬點坐標(biāo)），如表1所示。

修改硬點坐標(biāo)后，再次進(jìn)行雙輪同向激振仿真試驗，得到對應(yīng)的曲線也，如圖2所示。由圖2可知，優(yōu)化后的主銷后傾角變化范圍為（3.34～3.56）°，變化量為 0.22°，優(yōu)化后的主銷后傾角值及變化量都明顯減小，且初始值為3.40°，也符合要求；主銷內(nèi)傾角的變化范圍為（9.92～11.61）°，處于理想變化范圍內(nèi)，基本滿足條件；前輪外傾角變化范圍為（-1.52～0.09）°，變化量為 1.61°，變化量小于優(yōu)化前；在車輪上跳時，優(yōu)化后的前輪前束角曲線由原來的上升趨勢變?yōu)橄陆第厔?，且前束角的變化范圍為?0.34～0.46）°，基本滿足條件。優(yōu)化后，4個前輪定位參數(shù)值均在合理范圍內(nèi)，故此時的懸架結(jié)構(gòu)滿足要求。

3 汽車制動性能仿真試驗

基于ADAMS/Car，建立整車模型，包括：優(yōu)化后的麥弗遜前懸架系統(tǒng)；和原型車類型一致的后懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動系統(tǒng)，輪胎；動力系統(tǒng)是在ADAMS/Car提供的模板基礎(chǔ)上建立的發(fā)動機模型，其性能參數(shù)與原車相同。車身簡化成質(zhì)心，并賦予質(zhì)心實際的車身質(zhì)量參數(shù)。

汽車制動性能是汽車行駛安全的保障，其影響因素主要包括制動效能、制動效能的恒定性和制動時車輛的方向穩(wěn)定性。根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]有關(guān)規(guī)定，基于ADAMS/Car，進(jìn)行直線緊急制動和側(cè)滑虛擬仿真試驗，試驗路面附著系數(shù)設(shè)為0.8、0.4和0.2，分別對應(yīng)于干燥路面、濕滑路面和結(jié)冰路面；試驗汽車行駛速度分別設(shè)為30km/h、60km/h、90km/h和120km/h。為更接近行車實際，側(cè)滑試驗時設(shè)定汽車方向盤為固定狀態(tài)，用質(zhì)心的橫向位移來表示試驗汽車的側(cè)滑量。選取制動距離來表征汽車制動效能，側(cè)滑量來表征制動時車輛的方向穩(wěn)定性。

進(jìn)行虛擬仿真試驗并獲取相應(yīng)的試驗曲線。作為示例，路面附著系數(shù)為0.8時，不同車速下的汽車制動距離曲線，如圖3所示。側(cè)滑量曲線，如圖4所示。進(jìn)行多次試驗并參考文獻(xiàn)[10]，計算得到不同車速不同路面附著系數(shù)下的汽車制動距離，如表2所示。

圖3 不同車速下的汽車制動距離曲線Fig.3 Automobile Braking Curves at Different Speeds

圖4 不同車速下汽車緊急制動時的側(cè)滑量Fig.4 Sideslip of Automobile Emergency Braking at Different Speeds

表2 不同車速不同路面下的汽車制動距離（仿真試驗）/mTab.2 Automobile Braking Distances at Different Speeds and Different Road Adhesion Coefficient（Simulation Test）/m

（1）由文獻(xiàn)[8]，干燥路面時汽車制動安全距離與車速的關(guān)系為S≤0.1v2式中：S—制動安全距離；v—車速），對應(yīng)于車速為30km/h、60km/h、90km/h和120km/h，制動安全距離分別為9m、31m、63m和108m。對比表2數(shù)據(jù)可知，在干燥路面行駛時，試驗汽車在不同車速下的制動距離均在安全距離范圍內(nèi)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，故試驗汽車的制動效能符合要求。

（2）由表2知，路面附著系數(shù)為0.4和0.2時，試驗汽車在不同車速下的制動距離均超出了安全距離范圍，且行駛速度越快、路面附著系數(shù)越?。访嬖綕窕?，汽車制動安全性能越差。故在結(jié)冰路面行車時，應(yīng)盡量控制車速不超過30km/h，否則制動距離將迅速增加，且汽車很容易發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象。

（3）由圖4可知，在干燥路面上進(jìn)行緊急制動，當(dāng)車速為60km/h時，汽車質(zhì)心的最大橫向位移即側(cè)滑量約為14mm；車速為90km/h時，側(cè)滑量約為35mm；車速為120km/h時，側(cè)滑量約為60mm。結(jié)果表明，試驗汽車雖滿足制動穩(wěn)定性的要求[9]，但緊急制動時的側(cè)滑量隨車速的提高而明顯增大，且當(dāng)車速達(dá)到90km/h時，側(cè)滑方向會發(fā)生改變，將導(dǎo)致汽車行駛時發(fā)生擺動，喪失方向穩(wěn)定性，使行車安全隱患大大增加。因此，在設(shè)計合理的汽車同步附著系數(shù)的同時，應(yīng)盡量避免速度較快情況下的緊急制動。

4 汽車制動性能實車試驗

按仿真優(yōu)化結(jié)果，調(diào)整試驗汽車的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)。由文獻(xiàn)[8]的相關(guān)規(guī)定，試驗前主要檢查軸荷分配、輪胎氣壓與胎面及道路條件、風(fēng)速條件等是否符合要求。實車試驗在學(xué)校專用試驗道路上進(jìn)行，試驗路面類型和試驗車速與仿真試驗時一致。進(jìn)行緊急行車制動試驗，控制實際制動初始車速與設(shè)定車速誤差不超過2%[8]；按規(guī)定試驗車速行駛，當(dāng)前輪駛到設(shè)定標(biāo)記時進(jìn)行緊急制動直至汽車停住，測量制動后前輪接地點與標(biāo)記處的距離，即為制動距離。進(jìn)行多次試驗，獲取各工況下有效的實車試驗數(shù)據(jù)。計算得到不同車速下的平均制動距離，對比分析后得出其制動效能的優(yōu)劣。實車試驗結(jié)果，如表3所示。

表3 不同車速不同路面下的汽車制動距離（實車試驗）/mTab.3 Automobile Braking Distances at Different Speeds and Different Road Adhesion Coefficient（Real Vehicle Test）/m

（1）由表3數(shù)據(jù)并對比文獻(xiàn)[8]可知，試驗汽車在干燥路面進(jìn)行緊急制動試驗，不同車速下的制動距離均在安全距離范圍內(nèi)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，其制動效能滿足使用要求。但因?qū)嵻囋囼灂r存在駕駛員反應(yīng)滯后的問題，故所得實車試驗結(jié)果較仿真試驗結(jié)果明顯增大。

（2）在濕滑路面和結(jié)冰路面進(jìn)行緊急制動試驗時，試驗汽車在不同車速下的制動距離均明顯超出了安全距離范圍，且行駛速度越快、路面附著系數(shù)越小，汽車制動安全性能越差。故在濕滑和結(jié)冰路面行車時，除保持安全行車距離外，還應(yīng)盡量降低車速，否則制動距離將迅速增加，若速度過快，制動基本無作用，且汽車很容易發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，存在巨大的安全隱患。

5 結(jié)論

（1）仿真試驗和實車試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后試驗汽車在干燥路面的制動性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足實際行車安全的需要，故基于ADAMS/Insight的懸架優(yōu)化方法可靠，優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)更為合理。

（2）汽車行駛速度和路面附著系數(shù)對汽車制動距離均有較大影響。車速越高，路面附著系數(shù)越小，制動距離增加的越快，汽車制動效能越差。當(dāng)汽車處于高速行駛狀態(tài)或路面附著系數(shù)較小時，汽車都將發(fā)生側(cè)滑，且側(cè)滑量較大，汽車喪失行駛的方向穩(wěn)定性。

（3）在實際駕駛過程中，應(yīng)注意控制行車速度。路面濕滑時，車速應(yīng)不超過60km/h，且需保持一定的行車距離；路面結(jié)冰時，應(yīng)盡量控制車速不超過30km/h，速度過快，制動基本無作用，且汽車很容易發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象。