基于汽車“麋鹿試驗(yàn)”性能的底盤關(guān)鍵技術(shù)研究

劉逸涵

摘 要：本文介紹了麋鹿試驗(yàn)的測(cè)試方法，通過(guò)Carsim仿真分析，揭示了麋鹿試驗(yàn)過(guò)程中車身側(cè)傾角、輪胎受力以及車輪定位參數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)分析車身的側(cè)傾原理、輪胎的動(dòng)力學(xué)特性、以及懸架的K&C特性，簡(jiǎn)要總結(jié)了影響汽車麋鹿試驗(yàn)性能的底盤關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：麋鹿試驗(yàn);Carsim;車身側(cè)傾;輪胎動(dòng)力學(xué);K&C

1 引言

在北歐和北美地區(qū)，汽車經(jīng)常為了避讓出其不意跳到公路上的麋鹿而發(fā)生危險(xiǎn)。為了測(cè)試車輛的緊急避險(xiǎn)能力，人們模擬高速避險(xiǎn)的情形，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置地樁，以一定的車速在規(guī)定的路線內(nèi)通過(guò)。最終以車輛能成功通過(guò)麋鹿試驗(yàn)的最高車速來(lái)評(píng)價(jià)其緊急避險(xiǎn)能力。

麋鹿試驗(yàn)的試驗(yàn)場(chǎng)地為平坦、干燥的瀝青或混凝土路面，根據(jù)車輛的寬度設(shè)定圖1所示的地樁，根據(jù)車輛類型加載一定的乘客和行李。試驗(yàn)前確保車輛四輪定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和輪胎都符合該車技術(shù)條件，并對(duì)輪胎進(jìn)行預(yù)熱。試驗(yàn)過(guò)程：車輛以某一速度駛?cè)肼窂?，松開油門踏板按照地樁的路線行駛，過(guò)程中不得碰到地樁，逐次提高駛?cè)胨俣戎钡綐O限，再進(jìn)行兩次后得到最高通過(guò)車速。

2 麋鹿試驗(yàn)Carsim仿真分析

CarSim是針對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的仿真軟件，可仿真整車的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性等。本文用CarSim軟件對(duì)某中型SUV進(jìn)行麋鹿試驗(yàn)仿真，先對(duì)整車參數(shù)、轉(zhuǎn)向、懸架和輪胎等進(jìn)行建模，其次根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)速度、轉(zhuǎn)向和路面條件等進(jìn)行設(shè)置，最終得到仿真動(dòng)畫、相關(guān)指標(biāo)結(jié)果曲線。

2.1 車身側(cè)傾角

根據(jù)車身側(cè)傾角曲線可知車輛在緊急變更車道時(shí)產(chǎn)生較大的車身側(cè)傾角，并在第二次變道時(shí)達(dá)到最大。

2.2 輪胎受力情況

車輛快速轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，往往前輪受力較大，因此本文以左前輪為例，提取垂向力和側(cè)向力曲線。試驗(yàn)過(guò)程中，車輛激烈轉(zhuǎn)彎行駛，輪胎垂向載荷變化量非常大，輪胎側(cè)向力也在第二次變道時(shí)達(dá)到最大值。

2.3 輪胎定位參數(shù)

車輛左前輪的外傾角和前束角變化規(guī)律見圖2，車輛在緊急變線行駛時(shí)，前輪外傾角和前束角都發(fā)生很大變化，結(jié)束后恢復(fù)初始值。

3 影響麋鹿試驗(yàn)性能的因素

3.1 車身側(cè)傾角

車身在側(cè)向力作用下繞側(cè)傾軸線的轉(zhuǎn)角稱為車身側(cè)傾角。車身側(cè)傾角是操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，側(cè)傾角過(guò)大會(huì)使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全，側(cè)傾角過(guò)小則無(wú)法給駕駛員反饋有效的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它是影響麋鹿試驗(yàn)的重要因素。車身側(cè)傾角取決于側(cè)傾力矩與整車側(cè)傾角剛度的大小。

3.1.1 側(cè)傾力矩的大小

側(cè)傾力矩主要由簧上質(zhì)量的離心力引起，設(shè)簧上質(zhì)量為m，質(zhì)心處的側(cè)向加速度為ay，車身側(cè)傾軸線為L(zhǎng)，質(zhì)心距離側(cè)傾軸線的距離為h。

側(cè)傾力矩為

M=Fy*h=m*ay*h

由此可知側(cè)傾力矩的大小與簧上質(zhì)量、質(zhì)心距側(cè)傾軸線的距離、質(zhì)心處側(cè)向加速度的大小成正比[1]。

3.1.2 側(cè)傾角剛度的大小

側(cè)傾角剛度是側(cè)傾時(shí)懸架系統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力偶矩與側(cè)傾角的比值，主要由彈簧、橫向穩(wěn)定桿、擺臂橡膠軸套和輪胎組成。彈簧、穩(wěn)定桿與軸套并聯(lián)構(gòu)成懸架側(cè)傾角剛度，并與輪胎串聯(lián)構(gòu)成整車側(cè)傾角剛度。其中，彈簧和穩(wěn)定桿需是等效剛度，橡膠軸套的等效剛度因懸架結(jié)構(gòu)的不同而異。

綜上可知，車身側(cè)傾角的大小等于側(cè)傾力矩與側(cè)傾角剛度的比值，合理設(shè)計(jì)側(cè)傾軸線、質(zhì)心高度、簧上質(zhì)量及側(cè)傾角剛度，才能保證車輛在麋鹿試驗(yàn)中保持良好的性能。

3.2 輪胎動(dòng)力學(xué)特性

車輛行駛中，輪胎是唯一與地面接觸的部件。車輛的前輪通常既是驅(qū)動(dòng)輪又是轉(zhuǎn)向輪，激烈轉(zhuǎn)彎中承受載荷很大，當(dāng)輪胎縱向力和側(cè)向力的合力超過(guò)輪胎承受極限時(shí)，車輛將無(wú)法按預(yù)想軌跡行駛、甚至失控。因此，輪胎是影響車輛麋鹿試驗(yàn)性能的重要因素。

3.2.1 輪胎側(cè)偏特性

側(cè)偏特性是輪胎力學(xué)特性的重要部分，側(cè)偏力-側(cè)偏角關(guān)系曲線見圖3。當(dāng)側(cè)偏角不超過(guò)4°時(shí)，側(cè)偏力和側(cè)偏角成線性，零處的斜率為輪胎的側(cè)偏剛度。在8°左右時(shí)，側(cè)偏力達(dá)到飽和，輪胎即將側(cè)滑，若側(cè)偏角繼續(xù)增加，側(cè)偏力達(dá)到附著極限并下降，輪胎側(cè)滑[2]。

麋鹿試驗(yàn)中，側(cè)向加速度和橫擺角速度較大，輪胎側(cè)偏角已超出線性區(qū)域，并有較大的車身側(cè)傾角和軸荷轉(zhuǎn)移量，輪胎垂向載荷如圖3突然增加或減小，此時(shí)輪胎的側(cè)偏剛度也會(huì)產(chǎn)生較大變化[3]。因此，輪胎側(cè)偏性能、輪胎與懸架的匹配度是車輛麋鹿試驗(yàn)性能好壞的重要因素。

3.2.2 不同輪胎的麋鹿試驗(yàn)通過(guò)速度

分別用1#、2#、3#輪胎，規(guī)格235/55 R20，在該SUV上做麋鹿試驗(yàn)，其它條件不變，多組測(cè)試得到通過(guò)速度，見表1。3#輪胎側(cè)偏剛度最大，通過(guò)速度最高;1#輪胎側(cè)偏剛度最小，通過(guò)速度最低。

3.3 懸架K&C特性

影響麋鹿試驗(yàn)性能的主要K特性是Roll Steer和Roll Camber，即側(cè)傾轉(zhuǎn)向和側(cè)傾外傾; C特性是Compliance Steer，即柔性轉(zhuǎn)向。

3.3.1 側(cè)傾轉(zhuǎn)向：

在側(cè)向力作用下車身發(fā)生側(cè)傾，引起車輪轉(zhuǎn)向角或前束角的變動(dòng)，稱為側(cè)傾轉(zhuǎn)向。

根據(jù)某麥弗遜懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向曲線的斜率，是量化側(cè)傾轉(zhuǎn)向的重要指標(biāo)，斜率大則側(cè)傾過(guò)程前束角變化大，不足轉(zhuǎn)向量的增量就大，增加車輛的不足轉(zhuǎn)向度。外側(cè)車輪的前束減小，內(nèi)側(cè)車輪的前束增加，這種變化特性，增加了汽車的不足轉(zhuǎn)向量，使汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)更安全穩(wěn)定，稱為不足側(cè)傾轉(zhuǎn)向，反之為過(guò)度側(cè)傾轉(zhuǎn)向[4]。

麋鹿試驗(yàn)中若車輛不足轉(zhuǎn)向度增量太大，則更容易產(chǎn)生“推頭”現(xiàn)象，不利于靈活避險(xiǎn)。當(dāng)然出現(xiàn)過(guò)度側(cè)傾轉(zhuǎn)向，車輛急變線時(shí)容易甩尾失控。因此，具有適度較小的側(cè)傾轉(zhuǎn)向有利于提高車輛的麋鹿試驗(yàn)性能。

3.3.2 側(cè)傾外傾：

車輪外傾角在車身側(cè)傾時(shí)的變化叫做側(cè)傾外傾。外傾角變化有兩個(gè)影響：一，影響輪胎的側(cè)偏特性;二，影響輪胎的側(cè)向附著能力。

由輪胎六分力試驗(yàn)可知，不同外傾角下輪胎的側(cè)偏特性有所不同。通常情況下，隨著外傾角的增大，輪胎側(cè)偏剛度會(huì)降低[3]，因此懸架的側(cè)傾外傾變化不宜過(guò)大。

車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，隨著外傾角的增加，側(cè)向附著性能降低，若要保持高的附著能力，急轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)車輪應(yīng)盡量垂直地面，使胎面與地面有良好的接觸。因此，K特性中，外側(cè)車輪的外傾角應(yīng)具有適度的弱負(fù)變化趨勢(shì)，隨著側(cè)傾角度的增加，外側(cè)車輪的外傾角減小。

懸架的側(cè)傾轉(zhuǎn)向和側(cè)傾外傾特性，主要取決于懸架硬點(diǎn)和桿系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理的結(jié)構(gòu)布置能使懸架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前束角和外傾角有理想的變化趨勢(shì)，從而提高麋鹿試驗(yàn)性能。

3.3.3 柔性轉(zhuǎn)向

影響麋鹿試驗(yàn)的重要C特性是Compliance Steer，即柔性轉(zhuǎn)向。麋鹿試驗(yàn)中輪胎受到側(cè)向力，側(cè)向力使懸架中襯套變形，車輪前束角會(huì)發(fā)生變化。引起柔性轉(zhuǎn)向的主要因素是橡膠襯套的變形，因此，襯套的剛度設(shè)計(jì)決定了柔性轉(zhuǎn)向的特性和程度。與側(cè)傾轉(zhuǎn)向的原理類似，前束變化應(yīng)使汽車趨于不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，有利于提高麋鹿試驗(yàn)性能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)Carsim動(dòng)力學(xué)仿真，得出了車輛麋鹿試驗(yàn)過(guò)程中整車和輪胎的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況，又通過(guò)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性理論分析，得到了影響車輛麋鹿試驗(yàn)性能的關(guān)鍵因素如下：

1.車身側(cè)傾角的大小;

2.輪胎的動(dòng)力學(xué)特性;

3.懸架K&C特性中的側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)傾外傾和柔性轉(zhuǎn)向。

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