汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)前輪離地分析

劉 洋，全 勇

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)車速達(dá)到一定值時(shí)，部分試驗(yàn)車會(huì)出現(xiàn)內(nèi)側(cè)前輪離開地面的現(xiàn)象，由于該現(xiàn)象不出現(xiàn)在駕駛者視野內(nèi)，使得駕駛者無法看到，但是車箱側(cè)傾角的非線性急劇變化會(huì)給駕駛者一種極其不安全的駕駛體驗(yàn)，降低駕駛舒適型，單側(cè)車輪著地會(huì)造成輪胎的不正常磨損，若在高速公路上進(jìn)行緊急變道也會(huì)產(chǎn)生很大的安全隱患，容易造成重大交通事故。本文主要對(duì)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)前輪內(nèi)側(cè)車輪離地現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因，制定相應(yīng)的改善措施，避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1　穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)前輪離地現(xiàn)象及評(píng)價(jià)

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)前輪離地現(xiàn)象是指按《GBT 6323-2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》中附錄D的定轉(zhuǎn)彎半徑法[1]進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)車速達(dá)到一定值時(shí)，內(nèi)側(cè)前輪開始離開地面（如圖1）。隨著車速繼續(xù)升高，離地距離也越來越大，直至達(dá)到輪胎的附著極限，車速達(dá)到最大。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有《QCT 480-1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》，評(píng)價(jià)指標(biāo)為側(cè)向加速度值、不足轉(zhuǎn)向度、車箱側(cè)傾度[2]。而前輪離地現(xiàn)象都無法很直觀的體現(xiàn)在這三項(xiàng)指標(biāo)中，即使出現(xiàn)前輪離地現(xiàn)象，按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終的總評(píng)價(jià)記分值依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60分，滿足該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此該現(xiàn)象主要靠有經(jīng)驗(yàn)的評(píng)價(jià)人員通過對(duì)駕駛安全性的主觀感受來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1　前輪離地現(xiàn)象

2　主要原因

首先分析車輛的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的側(cè)傾角-側(cè)向加速度變化曲線，如圖2所示，從數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)側(cè)向加速度增大到一定值時(shí)，大約0.65 g，車箱側(cè)傾角的變化斜率開始明顯增大，這也與觀察到的內(nèi)側(cè)前輪離地現(xiàn)象相吻合。

圖2　側(cè)傾角-側(cè)向角速度

如圖3所示，從KC數(shù)據(jù)中可以看出，前懸架側(cè)傾角剛度為1 829 N·m/deg，后懸架側(cè)傾角剛度為564.9 N·m/deg，前懸架側(cè)傾角剛度大約是后懸架的3.2倍。

圖3　前、后懸架側(cè)傾角剛度的KC試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)乘用車，前、后懸架側(cè)傾角剛度的比值一般為1.4～2.6[3]，表1示出一些國外轎車前、后懸架的側(cè)傾角剛度值。而前、后側(cè)傾角剛度又會(huì)影響前、后側(cè)傾力矩的分配，因此前、后側(cè)傾角剛度的不匹配是造成穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)內(nèi)側(cè)前輪離地現(xiàn)象的主要原因。

表1　一些國外轎車前、后懸架的側(cè)傾角剛度值[4]

3　原因分析

根據(jù)以上分析結(jié)果，主要從以下兩個(gè)方面來分析車輛側(cè)傾時(shí)，側(cè)傾角剛度對(duì)車輪垂向力的影響。

3.1　側(cè)傾時(shí)側(cè)傾力矩的前、后分配

汽車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向行使時(shí)，相對(duì)于懸架變形而言，車箱變形可忽略不計(jì)，因此整車只有一個(gè)側(cè)傾角φ，前、后懸架承受的側(cè)傾力矩分別為 Tf、Tr，前、后側(cè)傾角剛度分別為 Cf、Cr，則有：

所以，在前、后懸架上所分配的側(cè)傾力矩與其側(cè)傾角剛度成正比。對(duì)于該試驗(yàn)車，前懸架承受的側(cè)傾力矩約是后懸架的3.2倍，即總側(cè)傾力矩的76%，這個(gè)占比是比較大的。

3.2　側(cè)傾時(shí)垂直載荷在左、右輪上的重新分配

如圖4，在正常工作狀態(tài)下，汽車左、右車輪的垂直載荷大體上是相等的，但曲線行駛時(shí)，由于側(cè)傾力矩的作用，垂直載荷在左、右車輪上是不相等的，而作用于車輪的垂直載荷的大小等于地面對(duì)車輪的垂直反作用力的大小。

圖4　靜止時(shí)和側(cè)傾時(shí)車輪垂向受力簡化模型

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，車輛處于穩(wěn)態(tài)，對(duì)前軸進(jìn)行受力分析，根據(jù)力矩平衡：

要使內(nèi)側(cè)前輪不離地，需FfR2≥0，根據(jù)公式（1）和公式（2）可得：

對(duì)于該試驗(yàn)車，右前輪的輪荷為518 kg，前輪距為 1.525 m，根據(jù) KC試驗(yàn)數(shù)據(jù)知道 Cf=1 829 N·m/deg.在不考慮懸掛質(zhì)量質(zhì)心偏移以及非懸掛質(zhì)量的離心力引起的側(cè)傾力矩的情況下，要使內(nèi)側(cè)前輪不離地：φ≤（518× 9.8× 1.525/1829）deg=4.23 deg.也就是說，側(cè)傾角φ大于4.23 deg時(shí)，內(nèi)側(cè)前輪離地。這與從側(cè)傾角-側(cè)向角速度變化曲線中觀察到的是大致吻合的。

4　原因確認(rèn)

將前懸架的橫向穩(wěn)定桿拆除，前懸架的側(cè)傾角剛度大幅下降，重新進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，如圖5所示。該試驗(yàn)車為后驅(qū)車型，發(fā)現(xiàn)在極限狀態(tài)時(shí)，因?yàn)楹篁?qū)動(dòng)橋差速器的原因，內(nèi)側(cè)后輪出現(xiàn)打滑，內(nèi)側(cè)前輪未出現(xiàn)離地現(xiàn)象。因此進(jìn)一步確認(rèn)內(nèi)側(cè)前輪離地的主要原因?yàn)榍啊⒑髠?cè)傾角剛度不匹配，前軸側(cè)傾角剛度過大，后軸側(cè)傾角剛度過小。

圖5　拆除前橫向穩(wěn)定桿后的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

5　解決方案

了解穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)內(nèi)側(cè)前輪離地的主要原因后，比較容易針對(duì)性的采用不同的對(duì)策。影響側(cè)傾角剛度的因素有很多，在不考慮橡膠襯套的影響時(shí)，根據(jù)不同的懸架結(jié)構(gòu)，影響因素也有一些區(qū)別，本文根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及研究成果，針對(duì)前麥弗遜式獨(dú)立懸架，后縱置鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的車型，給出以下解決措施（見表1），其他懸架結(jié)構(gòu)形式的車型也可以類比分析。側(cè)傾角剛度對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性和平順性有較大的影響，因此在解決前輪離地問題時(shí)需要兼顧這些性能。

表1　評(píng)價(jià)及建議

鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的側(cè)傾角剛度與跨距的平方、鋼板彈簧剛度成正比，要提升側(cè)傾角剛度需要增大鋼板彈簧跨距和剛度，但鋼板彈簧的剛度過大，整車平順性會(huì)變差。因此本解決方案在對(duì)前、后懸架適當(dāng)匹配之后，通過在車身、驅(qū)動(dòng)橋上焊接支架，安裝后橫向穩(wěn)定桿，提升駕駛安全性的同時(shí)又保證了平順性。

理論上分析，減小側(cè)傾中心與質(zhì)心的高度差，改變輪距、彈性元件的跨距等措施均可改善前輪離地的現(xiàn)象，但懸架結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大，會(huì)加長開發(fā)周期。

6　結(jié)束語

本文通過分析前、后懸架側(cè)傾角剛度對(duì)車輪垂向載荷力的影響，提出方案消除穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)內(nèi)側(cè)前輪離地的現(xiàn)象。影響前、后懸架側(cè)傾角剛度的因素非常多，需要在開發(fā)初期，根據(jù)車輛的用途，綜合考慮懸架偏頻、側(cè)傾中心高度、側(cè)傾角、前后懸架側(cè)傾角剛度分配等的合理范圍，盡量避免類似的問題出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T6323.汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法[S].

[2]QC/T480.汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法[S].

[3]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[4]王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[5]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.