车辆侧倾因素及其对整车性能的影响

车辆侧倾因素及其对整车性能的影响2010年07月21日e-works1导言车辆的侧倾运动性能是车辆性能的一个重要部分，关系到操纵稳定性、乘坐舒适性和安全性。车辆侧倾性能因素主要包括侧倾中心高度、侧倾角刚度、侧倾阻尼等。侧倾中心高度在车辆转向时对轮胎抓地能力、左右轮载荷转移、转向性能等很多车辆性能均有重要的影响。由于侧倾中心高度由悬架的几何机构决定，在设计初期确定之后，后起很难更改。所以对它的理论分析和优化就显得尤为重要。国内外很多汽车企业的工程师们都对侧倾中心高度进行过深入的研究。侧倾刚度和侧倾阻尼的作用比较明朗，由于侧倾角和侧倾角速度是重要的车辆操控稳定性和平顺性的评价指标，并且对其它指标如横摆角速度、侧向加速度也有影响，因此，侧倾刚度和侧倾阻尼的研究也不容忽视。下面利用多体动力学软件MSCADAMS对这些参数及其对车辆性能的影响进行详细的计算和分析。2仿真模型算例为一款前后均配置独立悬架的中高级轿车。前悬架为双叉臂式，后悬架为多连杆式。图1前后悬架及整车仿真模型3侧倾中心在前后轴轮心的横向垂直平面内，车辆在横向力作用下车身侧倾的瞬时回转中心称为侧倾中心。前后侧倾中心的连线称为侧倾轴线，是车身相对于地面转动的瞬时轴线。侧倾中心距地面的高度称为侧倾中心高度。车辆转向时，车身绕侧倾轴线进行回转。严格说来侧倾中心的概念只在侧倾起始状态有意义。侧倾中心高度对前后轴侧偏角、外倾角都有影响，进而影响车辆的转向性能和轮胎抓地能力。侧倾中心的位置由悬架的导向机构决定，可以通过几何图解法得到。以算例中的前悬架——双叉臂独立悬架为例。上控制臂和下控制臂两个平面的交线形成一条瞬时旋转轴线，该轴线与轮胎接地点可以形成一个平面。左右两平面的交线与轮心处横向垂直面的交点就是悬架的几何侧倾中心。图2双叉臂悬架瞬时旋转轴线3.1侧倾中心高度与外倾补偿在转向运动中，侧倾中心高度(RCH)对轮胎的外倾补偿会产生影响，如图3所示。一般来说，外倾补偿越大越好。如果外倾补偿等于100%，说明在轮胎发生侧倾时，轮胎始终垂直于地面，这样可以保持很好的抓地力。侧倾中心高度对外倾补偿的影响趋势由具体悬架导向杆系的位置决定。图3侧倾中心与外倾补偿3.2侧倾时的轮荷转移车辆转向时，由于离心力的作用，会产生侧倾力矩，此时载荷在左右车轮上发生转移。轮荷的转移会影响车辆稳态响应的变化。在计算各个车轮的垂直载荷时，首先把作用在车身质心位置处的离心力分配到前后悬架的侧倾中心Ofront和Orear上，式中，L为轴距，a、b为前后侧倾中心据质心的距离。前后悬架作用于车身的恢复力矩为，式中，Krf，Krr为前后悬架侧倾角刚度；φr为车身侧倾角。可以得到前悬架左右车轮地面垂直反力的变化量，式中，Fzf1、Fzfr为左右车轮地面垂直反力变化量，hf为前悬架侧倾中心高度，Bf为前轮距，Fufy为前悬架非簧载质量产生的离心力，huf为前悬架非簧载质量质心离地面的高度。由此可以看出，侧向力一定时，侧倾中心高度越大，左右车轮载荷转移越大。图4侧倾中心高度不同时的垂直力变化3.3侧倾中心高度与车辆稳态响应在车辆做转向运动时，大的轮荷转移将使轮胎侧偏角增大。因此，若增大前悬架侧倾中心高度，将增大车辆的不足转向趋势；若增大后悬架的侧倾中心高度，将增大车辆的过度转向趋势。图5所示为稳态回转试验得到的前后轮胎侧偏角之差与侧向加速度的关系曲线。曲线的斜率可以表示车辆的不足转向度。由图上可以看出，后轴侧倾中心高度越高，不足转向度越小。图5后轴侧倾中心高度不同时前后侧偏角之差在做计算时，采用调整后悬架上控制臂内点的高度来调整侧倾中心高度。这种悬架几何结构的调整会影响悬架垂直线刚度和侧倾角刚度。由于在这一节中只考察侧倾中心高度的影响，通过调整弹簧刚度和横向稳定杆直径对悬架刚度进行了补偿，保证仿真计算结果不受其他因素影响。另外，研究表明侧倾中心高度只是悬架的几何特性，由几何结构决定，是悬架的固有特性，所以在悬架设计初期就可以对它进行优化并冻结。4侧倾刚度和侧倾阻尼悬架的侧倾角刚度是指侧倾时，单位车身转角下悬架系统给车身总的弹性恢复力矩。可以用公式表示。悬架侧倾角刚度可以用线刚度近似计算得到，K为悬架线刚度，B为轮距。悬架线刚度主要由弹簧刚度和横向稳定杆和杆端橡胶衬套对垂向刚度的贡献组成。侧倾阻尼指侧倾时单位侧倾角速度下悬架给车身系统的弹性恢复力矩，可以由类似定义得到。侧倾阻尼主要由减振器、衬套和系统摩擦组成。车身侧倾角及侧倾角速度是评价车辆操纵稳定性和平顺性的重要参数。过大的侧倾角会使驾驶员感到不稳定、不安全，也会使乘客感到不舒适。而如果侧倾角过小，即侧倾角刚度过大，在单侧车轮遇到凸起或者凹坑时，会影响轮胎的随地性能，车身感受到的冲击也会比较剧烈。而且侧倾角数值本身也会影响车辆的横摆角速度响应性能。根据定义可知，一定侧向加速度，即侧倾力矩一定时，侧倾刚度变大，侧倾角会变小，侧倾刚度变小，侧倾角会变大；侧倾阻尼变大，侧倾角速度变小，侧倾阻尼变小，侧倾角速度会增大。以此规律，可以调整横向稳定杆、减振器等相关部件来得到合适的侧倾角和侧倾角速度。图6前悬架不同侧倾刚度时车身侧倾角图6所示为调整前悬架横向稳定杆直径，使侧倾刚度为1.42e+006Nmm/deg、1.06e+006Nmm/deg、7.19e+005Nmm/deg，以同一车速做ISO双移线仿真试验，得到的车身侧倾角曲线。曲线显示，侧倾刚度越大，侧倾角峰值越小。图7前悬架不同减振器阻尼时车身侧倾角速度图7所示为调整前悬架减振器阻尼，使阻尼分别增大为原来的2倍、4倍，以相同的车速、转向盘转角、起跃速度做转向盘角阶跃仿真试验，得到的车身侧倾角速度曲线。曲线显示，阻尼越大，侧倾角速度峰值越小。5结论讨论了车辆几个主要侧倾因素：侧倾中心、侧倾刚度、侧倾阻尼，及其对悬架和整车性能的影响。对它们的影响做了理论上的分析，并在多体动力学仿真分析软件MSCADAMS中做了仿真试验验证。通过分析得到：侧倾中心高度影响悬架的外倾补偿；侧倾中心高度提高，在侧倾运动时左右轮荷转移增大，会影响整车的稳态响应；侧倾刚度和侧倾阻尼决定侧倾运动时的车身侧倾角和侧倾角速度。