某電動車急加速跑偏輪胎影響分析

王永衛(wèi)，韓權(quán)武

（北京汽車研究總院，北京 101300）

隨著新能源電動車的發(fā)展，一般有兩種開發(fā)形式，如全新平臺開發(fā)和在燃油車基礎(chǔ)上進行改制開發(fā)。本文車型在油改電車型基礎(chǔ)上開發(fā)，前懸架為麥弗遜懸架，后懸架為四連桿懸架。傳動軸結(jié)構(gòu)左、右不對稱布置，由于電動車開發(fā)電機輸出扭矩大、響應(yīng)快、在急加速直線行駛中易產(chǎn)生跑偏。為減少結(jié)構(gòu)更改來解決急加速跑偏的代價，分析相關(guān)急加速跑偏原因，以最小代價解決急加速跑偏的問題，通過逐項排查急加速跑偏影響因素，發(fā)現(xiàn)輪胎附著性能對急加速跑偏有很大影響。

1 急加速跑偏問題分析

本文電動車開發(fā)完成后，在急加速（0～80 km/h）階段存在向右跑偏，但勻速行駛和勻加速行駛時不發(fā)生跑偏現(xiàn)象，判斷為急加速跑偏，俗稱“扭矩轉(zhuǎn)向”。該電動車在燃油車基礎(chǔ)上進行改制的電動車，其產(chǎn)生主要原因是開發(fā)初期采用不等長驅(qū)動半軸設(shè)計[1]，存在先天缺陷，在電機動力輸出突然猛烈增加時，長短半軸導(dǎo)致兩側(cè)驅(qū)動輪的扭力不同，車輪的動力突然增加，扭矩分配到左、右側(cè)時不相等，引起左右兩輪驅(qū)動力不一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)偏離中間位置而出現(xiàn)加速跑偏的現(xiàn)象。

對于不等長驅(qū)動軸設(shè)計，結(jié)構(gòu)布置上無法進行更改。在不改變結(jié)構(gòu)情況下，排查過程中發(fā)現(xiàn)輪胎附著性能、動力控制措施兩個因素，對改善急加速跑偏得到有效解決。

1）動力控制措施：即限制開發(fā)車輛最大扭矩，在標(biāo)定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行限扭試驗，限扭對跑偏結(jié)果如下：300 Nm 跑偏明顯，260 Nm 有改善，220 Nm改善最佳。限制扭矩對急加速跑偏改善明顯，但犧牲動力性，體現(xiàn)不出電動車加速性能，影響市場競爭力，屬于不接受狀態(tài)。

2）輪胎附著性能影響：通過不同品牌輪胎試車，發(fā)現(xiàn)某品牌輪胎對急加速跑偏改善明顯。原車為A 品牌輪胎，對比輪胎為B 品牌輪胎，B 跑偏輪胎無急加速跑偏現(xiàn)象，直線行駛性穩(wěn)定。

本文著重研究輪胎附著性能對跑偏影響，計算電機扭矩輸出過程中所需地面-輪胎的附著系數(shù)。通過六分力測試儀測試急加速下不同輪胎輪荷和驅(qū)動力，統(tǒng)計兩種輪胎跑偏情況，分析輪胎附著系數(shù)穩(wěn)定性，通過改善輪胎附著系數(shù)改善跑偏。

2 電機扭矩與所需輪胎附著系數(shù)

2.1 汽車驅(qū)動力、前/后軸荷、附著率[2]

2.1.1 汽車驅(qū)動力Fx

式中，T為電機輸出扭矩；I為主減速比；η為傳動系統(tǒng)機械效率；r為車輪滾動半徑。

2.1.2 前、后軸荷Fzf、Fzr

在加速過程，前、后軸荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，即

式中，L為軸距；Lf為質(zhì)心與前軸的距離；Lr為質(zhì)心與后軸的距離；h為質(zhì)心高度；G為整車重量；m為整車質(zhì)量；a為加速度；Fzf、Fzr分別為前、后軸靜載荷。

2.1.3 附著率Cφ

式中，F(xiàn)z為地面作用在車輪上靜載荷的法向反力。

本車型為前輪驅(qū)動，通過式（1）—式（4）和表1 參數(shù)計算不同加速度前輪輪胎-地面附著率，如表2 所示。

表1 整車相關(guān)參數(shù)

表2 不同加速度附著率

以上理論計算前輪地面-輪胎極限附著系數(shù)，整備+帶測試設(shè)備+2 人：按照電機最大輸出扭矩，理論所需要的附著率Cφ=0.89。前軸荷變化為8 356.4 N，單邊輪荷4 178.2 N。單邊驅(qū)動力3 117.1 N。

前輪驅(qū)動汽車，電機在輸出最大扭矩過程中，特別是急加速時，輪胎與地面軸荷轉(zhuǎn)移，前輪軸荷小于理論軸荷8 356.4 N，輪胎與地面附著力減少，輪胎出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，同時左、右輪扭矩不同，導(dǎo)致一側(cè)輪胎出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，引起跑偏，也符合實際開發(fā)車出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象。

3 急加速跑偏輪胎附著性能測試

3.1 六分力設(shè)備及測試說明

六分力車輪測試系統(tǒng)能對各種車輛車輪上的六分力進行精確測量[2]，采集車輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角位置的加速度信號，同時六分力測試系統(tǒng)能夠提供精確的路譜采集功能，測量輪胎翻轉(zhuǎn)力矩、滾動力矩和回正力矩。

策劃測試不同兩種品牌輪胎參數(shù)采集。圖1為六分力測試設(shè)備布置圖。測試方法為在試驗跑道上，雙手放置方向盤上，方向盤擺到中間位置，緩慢行駛確定車輛直線行駛，若不直線行駛輕微修正方向盤，使得車輛直線行駛，停下；車輛靜止?fàn)顟B(tài)時，雙手離開方向盤后，急踩加速踏板到底，車速達到80 km/h 時標(biāo)記車輛位置，通過對A、B 不同輪胎測試，在0～80 km/h 急加速情況下采集驅(qū)動力、輪荷等動態(tài)參數(shù)。

圖1 六分力測試布置

3.2 動態(tài)驅(qū)動力、輪荷、附著率數(shù)據(jù)分析

通過A、B 不同品牌輪胎測試，提取六分力輪荷和驅(qū)動力在全加速下關(guān)系，A、B 不同品牌輪胎驅(qū)動力和輪荷的關(guān)系。

3.2.1 驅(qū)動力和輪荷分析

在整個加速過程到80 km/h 用時大約7.8 s 左右（圖2）。

圖2 車輛行駛速度

驅(qū)動力和輪荷分析都以左側(cè)輪胎作分析，如圖3 所示，0～1.5 s 時間段內(nèi)，A 品牌輪胎驅(qū)動力Fx波動上升，B 品牌輪胎驅(qū)動力Fx直線穩(wěn)定上升。

圖3 A、B 品牌輪胎左側(cè)驅(qū)動力時序圖

A 品牌驅(qū)動力在1.8 s 時間內(nèi)，達到理論計算單邊驅(qū)動力3 117.1 N 后，在2.2 s 時達到3 551 N，之后水平波動。

B 品牌驅(qū)動力在1.3 s 時間內(nèi)，達到理論計算單邊驅(qū)動力3 117.1 N 后， 在1.5 s 時達到3 692 N，之后水平波動。但B 品牌輪胎受到的驅(qū)動力比A品牌受到驅(qū)動力大。

圖4 為A、B 輪胎輪荷對比，B 品牌輪胎輪荷要比A 品牌平均要大。輪胎與地面急加速軸荷轉(zhuǎn)移，B 品牌輪胎比A 品牌，抗軸荷轉(zhuǎn)移能力比A品牌強，有利于輪胎對地的附著。

圖4 A、B 品牌輪胎左側(cè)輪荷時序圖

3.2.2 輪胎動態(tài)附著率分析

通過式（4）將A、B 品牌時序圖轉(zhuǎn)換為輪胎動態(tài)附著率關(guān)系圖如圖5 所示。

圖5 A、B 輪胎動態(tài)附著率

A 品牌輪胎：0～2 s 加速中輪胎附著率是波動上升，表現(xiàn)在輪胎在驅(qū)動力下，輪胎附著性能不穩(wěn)定。

B 品牌輪胎：前段0～1.5 s 附著率為水平直線上升，表現(xiàn)在輪胎在驅(qū)動力下，輪胎附著性能穩(wěn)定，其動態(tài)附著率比A 品牌大，在急加速過程中B 品牌輪胎直線行駛更穩(wěn)定。

3.3 A、B 輪胎跑偏統(tǒng)計分析

Telematics BOX 盒子[4]稱為車載智能終端簡稱T-BOX，作為無線網(wǎng)關(guān)，通過4G 遠(yuǎn)程無線通訊、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System,GPS）衛(wèi)星定位、加速度傳感和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）通訊等功能，為整車提供遠(yuǎn)程通訊接口，包括行車數(shù)據(jù)采集、行駛軌跡記錄等服務(wù)。

GPS 軌跡分析[5]，按照0～80 km/h 全油門加速，GPS 記錄軌跡，測量跑偏量。步驟如下：

1）首先將車沿路面直線行駛，行駛軌跡作為基準(zhǔn)軌跡，其后記錄加速軌跡。T-BOX 實時采集GPS 信號，記錄GPS 時序-位置軌跡數(shù)據(jù)；

2）nCode 軟件環(huán)境下調(diào)用谷歌地圖，加載行駛軌跡文件；

3）在軟件里測量終點位置與基準(zhǔn)軌跡距離，即為跑偏量見。

對A、B 不同輪胎測試，在0～80 km/h 急加速下統(tǒng)計跑偏情況及跑偏量，如表3 所示。

表3 A、B 輪胎跑偏統(tǒng)計

圖6 為跑偏處理示意圖，A 品牌輪胎跑偏都為右偏，B 品牌輪胎右偏和左偏兩組數(shù)據(jù)，但跑偏量30～67 cm，按照公司整車行駛跑偏量規(guī)范做參考，車輛平均跑偏量<75 cm 標(biāo)準(zhǔn)為合格，因此，B 輪胎急加速跑偏可認(rèn)為未跑偏，也驗證B 輪胎直線行駛穩(wěn)定性比A 輪胎更好。

圖6 跑偏處理圖片示意圖

4 結(jié)論

1）通過對A 品牌和B 品牌輪胎測試分析對比，B 輪胎具有較好的地面附著性能，在急加速過程與地面動態(tài)附著率大，直線行駛穩(wěn)定較好。

2）輪胎在電動車設(shè)計中，要考慮電機扭矩大，同種型號輪胎下，選擇輪胎附著系數(shù)大的，同時附著率穩(wěn)定變化的，保證整車加速直線行駛穩(wěn)定性，避免跑偏。