基于ADAMS 的汽車側(cè)傾影響因素分析

臧宏海 楊志強

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

隨著汽車保有量的不斷增加，環(huán)境和安全問題日益嚴重，逐漸引起各國政府和相關(guān)行業(yè)組織的重視，相關(guān)的政策和標(biāo)準相繼制定[1-2]。其中GB/T 30677《輕型汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能要求及試驗方法》是評價電子穩(wěn)定系統(tǒng)的重要標(biāo)準之一。文章搭建基于ADAMS 的整車仿真模型，利用該模型實現(xiàn)了前后剛度匹配以及零部件分析等，提前識別和規(guī)避不能通過GB/T 30677 法規(guī)的風(fēng)險。

1 整車側(cè)傾機理分析

按照GB/T 30677 規(guī)定：在電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）工作狀態(tài)下，汽車應(yīng)滿足橫擺角速度衰減要求，如圖1 所示。

圖1 用于評價橫向穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)向盤位置和橫擺角速度信息

其中轉(zhuǎn)向盤輸入角度（δ）的確定是按照試驗車以（80±2）km/h 的速度，13.5（°）/s 的角速度逐漸增加轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，直至側(cè)向加速度達到約0.5g。將試驗中汽車產(chǎn)生3.0 m/s2的側(cè)向加速度時的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角作為基準轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，記作A。

一般當(dāng)輸入轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δ 達到5A 及以上，但不大于6.5A 或者300°，則每組試驗的最后一次試驗的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值為6.5A 或270°的較大值；如果其中任何一次試驗的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值（最大為6.5A）大于300°，則每組試驗的最后一次試驗的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值為300°[3]，A 值一般可以根據(jù)平臺車型預(yù)估或者試測獲得，再加一定的修正余量，作為后續(xù)驗證的輸入，文章暫定A 為40°，仿真時 δ 取值為 200°。

按照圖1 所示轉(zhuǎn)向盤輸入時，力的傳遞路徑為：轉(zhuǎn)向盤-＞轉(zhuǎn)向器-＞輪胎，由此質(zhì)心處產(chǎn)生側(cè)向力，產(chǎn)生前懸側(cè)傾，然后車身整體側(cè)傾，產(chǎn)生后懸側(cè)傾，使得后輪與地面接觸力降低，產(chǎn)生離地趨勢。側(cè)傾中心軸線如圖2 所示，側(cè)傾產(chǎn)生，如圖3 所示。

圖2 側(cè)傾中心軸線圖

圖3 側(cè)傾產(chǎn)生示意圖

1.1 前懸分析

前輪外側(cè)車輪如果發(fā)生過度側(cè)傾，后輪的內(nèi)側(cè)車輪會產(chǎn)生上抬趨勢。因此，高速急打轉(zhuǎn)向盤時，抑制側(cè)傾導(dǎo)致的前輪下沉量是改善方向之一。具體措施包括：提高前懸側(cè)傾剛度、提高前懸側(cè)傾中心高度、提高前懸減振器的阻尼力。

1.2 后懸分析

通過減振器和彈簧連接簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量，當(dāng)高速急打轉(zhuǎn)向盤時，簧上部分由于離心力作用產(chǎn)生側(cè)傾扭矩和側(cè)傾趨勢，依靠輪胎抓地力、彈簧和減振器阻尼力抑制側(cè)傾趨勢。通過降低彈簧剛度、減振器阻尼力以及后懸側(cè)傾剛度，可以減輕后輪離地趨勢。

2 后輪離地判斷標(biāo)準

工程實際中存在著制造和裝配誤差，汽車在急打轉(zhuǎn)向盤時，當(dāng)車速達到80 km/h，會存在后輪離地以及整車失穩(wěn)趨勢。目前行業(yè)內(nèi)沒有針對后輪離地的判斷標(biāo)準，如果在汽車下線后再進行實車評價，一旦不能滿足GB/T 30677 的試驗要求，后期整改會付出很大的代價。

當(dāng)前判斷后輪離地的方法主要是在標(biāo)準場地，按照GB/T 30677 的試驗要求進行主觀評價，當(dāng)感受后輪抓地力減小，支撐安全感降低，同時車外觀測發(fā)現(xiàn)后輪離地，即終止GB/T 30677 試驗，判斷試驗結(jié)果不合格。

3 汽車后輪離地影響因素分析

常見的引起汽車后輪離地的原因主要包括：前、后懸架匹配不當(dāng)，汽車載荷分配不合理，零部件設(shè)計和制造不合格，裝配不合適等。汽車急打轉(zhuǎn)向盤后輪離地的直接因素是前后懸架剛度不匹配，側(cè)傾中心設(shè)計不合理。當(dāng)汽車急打轉(zhuǎn)向盤，車速達到80 km/h 時，如何保證汽車姿態(tài)在合理范圍，汽車運行在安全范圍，是進行GB/T 30677 試驗的重要前提之一。在進行該試驗時，如果出現(xiàn)后輪離地現(xiàn)象，汽車處于危險狀態(tài)，該試驗結(jié)果無效。

3.1 懸架剛度

根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)和運動學(xué)相關(guān)理論可知，影響懸架剛度的主要因素為：彈簧剛度、彈簧安裝杠桿比、緩沖塊剛度和襯套剛度等。

一般懸架剛度越大，懸架越硬，越有利于操縱穩(wěn)定性，但是不利于平順性；剛度過小，則懸架較軟，不利于操縱穩(wěn)定性，但有利于平順性。前后懸架的偏頻匹配影響汽車在行駛過程中的前后俯仰感。

3.2 側(cè)傾剛度

對于不同的懸架形式，影響其側(cè)傾剛度的因素不同。比如麥弗遜懸架，彈簧剛度及杠桿比、穩(wěn)定桿剛度是主要影響因素。整車側(cè)傾剛度增加有利于操縱穩(wěn)定性，控制整車側(cè)傾角的大小，但是如果側(cè)傾剛度過大或者前、后側(cè)傾剛度分配不合理，就會造成側(cè)傾時車身扭曲，影響操穩(wěn)性能。

汽車的側(cè)傾剛度指產(chǎn)生單位側(cè)傾角時，懸架給車身的彈性恢復(fù)力矩。汽車的總體設(shè)計中要求：側(cè)向加速度為0.4 g 時，商用車車身的側(cè)傾角為6°～7°，乘用車為2.5～4°。乘坐側(cè)傾剛度過小而側(cè)傾角過大的汽車，乘員會缺乏舒適感和安全感；而側(cè)傾剛度過大，則會減弱駕駛員的路感[4]。

3.3 側(cè)傾剛度分配

側(cè)傾剛度分配主要影響前、后軸荷分配，前、后側(cè)傾控制，不足轉(zhuǎn)向度的大小。一般前、后側(cè)傾剛度的分配與前、后軸荷分配接近，并且保證具有一定的不足轉(zhuǎn)向度。

前軸側(cè)傾剛度分配越大，越有利于不足轉(zhuǎn)向，在同等的側(cè)傾力矩作用下，側(cè)傾角越小，車身姿態(tài)越穩(wěn)定。

3.4 側(cè)傾中心高

對于不同的懸架形式，影響側(cè)傾中心高的因素不同。比如麥弗遜懸架，其側(cè)傾中心高取決于下臂的長度及滑柱的角度。對于雙橫臂懸架，則取決于上、下臂的長度及上、下臂內(nèi)，外點的相對高度，如圖4 所示。

圖4 側(cè)傾中心示意圖

理論上，側(cè)傾軸線越高，越能抑制車身的側(cè)傾趨勢，并且，能盡量控制側(cè)傾時前、后輪載荷的轉(zhuǎn)移量，以保證汽車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。但是側(cè)傾軸線過高，會影響輪胎磨損和直線行駛穩(wěn)定性，所以合適的側(cè)傾中心分配是動力學(xué)重要的控制指標(biāo)。

3.5 其他因素

其他因素，比如：輪距、軸距、簧載質(zhì)量以及質(zhì)心中心高等，都對于車身控制有較大的影響。但是由于前期策劃造型等的限制，這些因素不能輕易改變，所以文章主要分析懸架剛度、側(cè)傾剛度、側(cè)傾剛度分配、側(cè)傾中心高等對于后輪離地的影響。

4 汽車后輪離地ADAMS 仿真分析

4.1 整車ADAMS 建模

以某型號乘用車為研究對象，利用ADAMS/Car 建立整車多體動力學(xué)模型，如圖5 所示，主要包括麥弗遜式前懸架、扭力梁式后懸架、動力總成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和輪胎等。

圖5 整車多體動力學(xué)模型

4.2 ADAMS 仿真分析

根據(jù)GB/T 30677《輕型汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能要求及試驗方法》，搭建ADAMS 整車動力學(xué)模型進行仿真分析。搭建ADAMS 整車動力學(xué)模型進行仿真分析。仿真工況定義為：汽車在干燥路面上直線行駛，速度為80 km/h，按照圖6 所示輸入轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

圖6 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線

仿真后的后輪受力曲線，如圖7 所示。

圖7 后輪受力曲線

進行ADAMS 整車仿真，得到后輪受力曲線，如圖7 所示。從圖7 可以看出，模型對于200°的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角響應(yīng)，左后側(cè)車輪受力最小值大于0，約500 N，無離地現(xiàn)象發(fā)生，與實際試驗數(shù)據(jù)相一致。如果后側(cè)車輪受力為0 或較小時，具有后輪離地風(fēng)險，可按照上述分析方法進行調(diào)整優(yōu)化，直到輸出結(jié)果合格。

5 結(jié)論

文章建立了由麥弗遜式前懸架、扭力梁式后懸架、動力總成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和輪胎組成的ADAMS 模型，通過仿真驗證了優(yōu)化后輪離地現(xiàn)象的影響因素，提前規(guī)避了風(fēng)險，為實際通過GB/T 30677《輕型汽車電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)系統(tǒng)性能要求及試驗方法》試驗提供了參考，該方法可以有效降低開發(fā)成本。