車輛側(cè)傾仿真分析.doc

車輛側(cè)傾仿真分析 車輛側(cè)傾仿真分析 作者：楊亞娟 文章來源：奇瑞汽車有限公司汽車工程研究院 利用MSC.Adams 研究了側(cè)傾中心高度、側(cè)傾剛度及側(cè)傾阻尼等車輛側(cè)傾因素對(duì)整車不足轉(zhuǎn)向度、側(cè)傾響應(yīng)等性能的影響。該方法也可用于懸架其他K&C性能的分析，為汽車懸架的設(shè)計(jì)和性能提升提供仿真支持。車輛的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)性能是車輛性能的一個(gè)重要部分，關(guān)系到操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和安全性。車輛側(cè)傾性能因素主要包括側(cè)傾中心高度、側(cè)傾角剛度及側(cè)傾阻尼等。側(cè)傾中心高度在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)輪胎抓地能力、左右輪載荷轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)向性能等很多車輛性能均有重要的影響。由于側(cè)傾中心高度由懸架的幾何機(jī)構(gòu)決定，在設(shè)計(jì)初期確定之后，后期很難更改，所以對(duì)它的理論分析和優(yōu)化就顯得尤為重要。國內(nèi)外很多汽車企業(yè)的工程師們都對(duì)側(cè)傾中心高度進(jìn)行過深入的研究。側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼的作用比較明朗，由于側(cè)傾角和側(cè)傾角速度是重要的車輛操控穩(wěn)定性和平順性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且對(duì)其它指標(biāo)如橫擺角速度、側(cè)向加速度也有影響，因此，側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼的研究也不容忽視。下面利用MSC.Software公司的多體動(dòng)力學(xué)軟件 MSC.Adams對(duì)這些參數(shù)及其對(duì)車輛性能的影響進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析。仿真模型案例為一款前后均配置獨(dú)立懸架的中高級(jí)轎車。前懸架為雙叉臂式，后懸架為多連桿式。前后均有抗側(cè)傾橫向穩(wěn)定桿。Adams計(jì)算模型如圖1所示。圖1 前后懸架及整車Adams仿真模型側(cè)傾中心在前后軸輪心的橫向垂直平面內(nèi)，車輛在橫向力作用下車身側(cè)傾的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心稱為側(cè)傾中心。前后側(cè)傾中心的連線稱為側(cè)傾軸線，是車身相對(duì)于地面轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬時(shí)軸線。側(cè)傾中心距地面的高度稱為側(cè)傾中心高度。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，車身繞側(cè)傾軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。嚴(yán)格說來側(cè)傾中心的概念只在側(cè)傾起始狀態(tài)有意義。側(cè)傾中心高度對(duì)前后軸側(cè)偏角、外傾角都有影響，進(jìn)而影響車輛的轉(zhuǎn)向性能和輪胎抓地能力。側(cè)傾中心的位置由懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定，可以通過幾何圖解法得到。以算例中的前懸架雙叉臂獨(dú)立懸架為例。圖2所示為雙叉臂獨(dú)立懸架的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸線，上控制臂和下控制臂兩個(gè)平面的交線形成一條瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸線，該軸線與輪胎接地點(diǎn)可以形成一個(gè)平面。左右兩平面的交線與輪心處橫向垂直面的交點(diǎn)就是懸架的幾何側(cè)傾中心。圖2 雙叉臂懸架瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸線1. 側(cè)傾中心高度與外傾補(bǔ)償在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中，側(cè)傾中心高度（RCH）對(duì)輪胎的外傾補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生影響見圖3。一般來說，外傾補(bǔ)償越大越好，如果外傾補(bǔ)償?shù)扔?00%，說明在輪胎發(fā)生側(cè)傾時(shí)，輪胎始終垂直于地面，這樣可以保持很好的抓地力。側(cè)傾中心高度對(duì)外傾補(bǔ)償?shù)挠绊戁厔?shì)由具體懸架導(dǎo)向桿系的位置決定。圖3 側(cè)傾中心與外傾補(bǔ)償2. 側(cè)傾時(shí)的輪荷轉(zhuǎn)移車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，由于離心力的作用，會(huì)產(chǎn)生側(cè)傾力矩，此時(shí)載荷在左右車輪上發(fā)生轉(zhuǎn)移。輪荷的轉(zhuǎn)移會(huì)影響車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化。在計(jì)算各個(gè)車輪的垂直載荷時(shí)，首先把作用在車身質(zhì)心位置處的離心力分配到前后懸架的側(cè)傾中心Ofront和Orear上，公式1 式1中，L為軸距，a、b為前后側(cè)傾中心據(jù)質(zhì)心的距離。前后懸架作用于車身的恢復(fù)力矩為，公式2 Tf=Krf+r , Tr=Krrr式2中，Krf、Krr為前后懸架側(cè)傾角剛度；r為車身側(cè)傾角?？梢缘玫角皯壹茏笥臆囕喌孛娲怪狈戳Φ淖兓浚? 式3中，F(xiàn)zf1、Fzfr為左右車輪地面垂直反力變化量，hf為前懸架側(cè)傾中心高度，Bf為前輪距，F(xiàn)ufy為前懸架非簧載質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，huf為前懸架非簧載質(zhì)量質(zhì)心離地面的高度。由圖4可以看出，側(cè)向力一定時(shí)，側(cè)傾中心高度越大，左右車輪載荷轉(zhuǎn)移越大。圖4 側(cè)傾中心高度不同時(shí)的垂直力變化3. 側(cè)傾中心高度與車輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)在車輛做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，大的輪荷轉(zhuǎn)移將使輪胎側(cè)偏角增大。因此，若增大前懸架側(cè)傾中心高度，將增大車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)；若增大后懸架的側(cè)傾中心高度，將增大車輛的過度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。圖5所示為穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到的前后輪胎側(cè)偏角之差與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線。曲線的斜率可以表示車輛的不足轉(zhuǎn)向度。由圖上可以看出，后軸側(cè)傾中心高度越高，不足轉(zhuǎn)向度越小。圖5 后軸側(cè)傾中心高度不同時(shí)前后側(cè)偏角之差在利用MSC.Adams做計(jì)算時(shí)，采用調(diào)整后懸架上控制臂內(nèi)點(diǎn)的高度來調(diào)整側(cè)傾中心高度。這種懸架幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)整會(huì)影響懸架垂直線剛度和側(cè)傾角剛度。由于在這一節(jié)中只考察側(cè)傾中心高度的影響，通過調(diào)整彈簧剛度和橫向穩(wěn)定桿直徑對(duì)懸架剛度進(jìn)行了補(bǔ)償，保證仿真計(jì)算結(jié)果不受其他因素影響。另外，研究表明側(cè)傾中心高度只是懸架的幾何特性，由幾何結(jié)構(gòu)決定，是懸架的固有特性，所以在懸架設(shè)計(jì)初期就可以對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化并凍結(jié)。側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼懸架的側(cè)傾角剛度是指側(cè)傾時(shí)，單位車身轉(zhuǎn)角下懸架系統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力矩?？梢杂霉奖硎?：公式4 懸架側(cè)傾角剛度可以用線剛度近似計(jì)算得到，公式5 其中，k為懸架線剛度，B為輪距。懸架線剛度主要由彈簧剛度和橫向穩(wěn)定桿和桿端橡膠襯套對(duì)垂向剛度的貢獻(xiàn)組成。側(cè)傾阻尼指側(cè)傾時(shí)單位側(cè)傾角速度下懸架給車身系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力矩，可以由類似定義得到。側(cè)傾阻尼主要由減振器、襯套和系統(tǒng)摩擦組成。車身側(cè)傾角及側(cè)傾角速度是評(píng)價(jià)車輛操縱穩(wěn)定性和平順性的重要參數(shù)。過大的側(cè)傾角會(huì)使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全，也會(huì)使乘客感到不舒適。而如果側(cè)傾角過小，即側(cè)傾角剛度過大，在單側(cè)車輪遇到凸起或者凹坑時(shí)，會(huì)影響輪胎的隨地性能，車身感受到的沖擊也會(huì)比較劇烈。而且側(cè)傾角數(shù)值本身也會(huì)影響車輛的橫擺角速度響應(yīng)性能。根據(jù)定義可知，一定側(cè)向加速度，即側(cè)傾力矩一定時(shí)，側(cè)傾剛度變大，側(cè)傾角會(huì)變小，側(cè)傾剛度變小，側(cè)傾角會(huì)變大；側(cè)傾阻尼變大，側(cè)傾角速度變小，側(cè)傾阻尼變小，側(cè)傾角速度會(huì)增大。以此規(guī)律，可以調(diào)整橫向穩(wěn)定桿、減振器等相關(guān)部件來得到合適的側(cè)傾角和側(cè)傾角速度。圖6所示為調(diào)整前懸架橫向穩(wěn)定桿直徑，使側(cè)傾剛度為1.42e+006Nmm/deg、1.06e+006Nmm/deg、7.19e+005Nmm/deg，以同一車速做ISO雙移線仿真試驗(yàn)，得到的車身側(cè)傾角曲線。曲線顯示，側(cè)傾剛度越大，側(cè)傾角峰值越小。圖6 前懸架不同側(cè)傾剛度時(shí)車身側(cè)傾角 圖7所示為調(diào)整前懸架減振器阻尼，使阻尼分別增大為原來的2倍、4倍，以相同的車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和起躍速度做轉(zhuǎn)向盤角階躍仿真試驗(yàn)，得到的車身側(cè)傾角速度曲線。曲線顯示，阻尼越大，側(cè)傾角速度峰值越小。圖7 前懸架不同減振器阻尼時(shí)車身側(cè)傾角速度結(jié)論討論了車輛幾個(gè)主要側(cè)傾因素：側(cè)傾中心、側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼，及其對(duì)懸架和整車性能