橫向穩(wěn)定桿對攪拌車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的影響

秦嚴(yán)彬，陳鵬飛，王敏，馮金枝

1.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093

0 引言

汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響汽車駕駛的操縱方便程度，而且也決定了汽車行駛的安全性。懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部件之一，它對汽車的平順性、行駛安全性起到關(guān)鍵作用[1]。由于攪拌運(yùn)輸車的質(zhì)心高與前橋板簧匹配等原因，在行駛過程中往往存在側(cè)傾角剛度不足以及側(cè)傾穩(wěn)定性差等問題。最常用的解決方案就是加裝橫向穩(wěn)定桿，增加了懸架的側(cè)傾角剛度，提高了車輛的轉(zhuǎn)彎工況抗側(cè)傾能力。前后橫向穩(wěn)定桿的不同匹配方式，影響前后軸不同的側(cè)傾角剛度，要保證車輛的不足轉(zhuǎn)向，必須滿足車輛的前懸架側(cè)傾角剛度不小于后懸架側(cè)傾角剛度[2]。

1 橫向穩(wěn)定桿對汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)影響的理論分析

當(dāng)左右車輪垂向等幅跳動(dòng)時(shí)，橫向穩(wěn)定桿不起作用；當(dāng)車身側(cè)傾，左右車輪有垂向相對位移時(shí)，橫向穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生側(cè)傾的阻力矩，起到穩(wěn)定車身的作用。因此選擇合適的前后懸架的側(cè)傾角剛度值，有助于使汽車獲得所需要的不足轉(zhuǎn)向特性[3]。

圖1 車輪垂直載荷轉(zhuǎn)移對輪胎側(cè)偏剛度影響

一個(gè)車橋具有較大的側(cè)傾角剛度，其在側(cè)向加速度較大時(shí)，總的側(cè)偏剛度就降低較多，相應(yīng)的使得車橋的側(cè)偏角增大得多。所以前橋側(cè)傾角剛度大于后橋利于不足轉(zhuǎn)向[2]。

2 車輛模型仿真與驗(yàn)證

根據(jù)整車參數(shù)，利用Trucksim軟件快速建立整車參數(shù)化模型。比如懸架剛度、阻尼與K&C特性等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以仿真車輛對駕駛員，路面及空氣動(dòng)力學(xué)輸入的響應(yīng)，主要用來預(yù)測和仿真整車的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、平順性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果重合度較高，驗(yàn)證了模型的精確性，可用于后續(xù)仿真研究。

無穩(wěn)定桿狀態(tài)下原車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)值與仿真值對比見表1。由表的仿真結(jié)果可以看出，無穩(wěn)定桿狀態(tài)下車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果接近，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的精確性，可用于后續(xù)研究。

表1 無穩(wěn)定桿狀態(tài)下原車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)值與仿真值對比 單位:(°)/(m·s-2)

3 橫向穩(wěn)定桿匹配研究與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 橫向穩(wěn)定桿匹配仿真分析

對6個(gè)方案的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真分析，研究橫向穩(wěn)定桿對整車操縱穩(wěn)定性的影響，橫向穩(wěn)定桿在不同布置下的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)指標(biāo)對比見表2。一橋、二橋、后橋及三橋均加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側(cè)傾度對比如圖2至圖5所示。由圖和表可知，最經(jīng)濟(jì)有效的方案是一橋加穩(wěn)定桿，提高穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，操穩(wěn)性能提升明顯且物料成本低。

表2 橫向穩(wěn)定桿在不同布置下的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)指標(biāo)對比 單位:(°)/(m·s-2)

圖2 一橋加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側(cè)傾度對比

圖3 二橋加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側(cè)傾度對比

圖4 后橋加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側(cè)傾度對比

圖5 三橋均加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側(cè)傾度對比

圖2至圖5的仿真結(jié)果為穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況下，車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度的變化。曲線1為車輛無穩(wěn)定桿狀態(tài)下的側(cè)傾度變化，曲線2為增加穩(wěn)定桿之后的狀態(tài)變化。由圖可以看出，增加橫向穩(wěn)定桿對于車身側(cè)傾控制有明顯變化；前橋增加橫向穩(wěn)定桿對于車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)控制起到的作用最好，符合第1節(jié)的理論研究；一、二橋都增加穩(wěn)定桿沒有比一橋增加穩(wěn)定桿的性能提升有更大的優(yōu)化。所以為了使車輛具有更好的抗側(cè)傾和不足轉(zhuǎn)向特性，在第一橋增加穩(wěn)定桿更有效并且具有相對較低的成本。

3.2 橫向穩(wěn)定桿匹配方案試驗(yàn)驗(yàn)證

表3為滿載狀態(tài)下攪拌車增加一、二橋穩(wěn)定桿時(shí)車身側(cè)傾度試驗(yàn)結(jié)果，圖6至圖9分別為左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果。

表3 滿載狀態(tài)下攪拌車增加一、二橋穩(wěn)定桿時(shí)車身側(cè)傾度試驗(yàn)結(jié)果 單位:(°)/(m·s-2)

圖6 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果(左轉(zhuǎn)試驗(yàn)1)

圖7 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果(左轉(zhuǎn)試驗(yàn)2)

圖8 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果(右轉(zhuǎn)試驗(yàn)1)

圖9 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果(右轉(zhuǎn)試驗(yàn)2)

由穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果可知，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)原車無穩(wěn)定桿不足轉(zhuǎn)向度為0.75、1.11(°)/(m·s-2)，車身側(cè)傾度為1.6、1.7(°)/(m·s-2)；增加前兩橋橫向穩(wěn)定桿后，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)不足轉(zhuǎn)向度為0.48、0.55(°)/(m·s-2)，滿足JT/T1178.1—2018標(biāo)準(zhǔn)要求0～1(°)/(m·s-2)，車身側(cè)傾度為1.29、1.18(°)/(m·s-2)。不足轉(zhuǎn)向度與側(cè)傾度降低，整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性得到提高。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果可以看出，在一、二橋增加穩(wěn)定桿后，車輛側(cè)傾度提升25%左右，車輛的抗側(cè)傾能力明顯變好。不足轉(zhuǎn)向度提高30%以上，具有更好的不足轉(zhuǎn)向特性。

4 結(jié)論

(1)基于穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)操穩(wěn)工況仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了所建立的動(dòng)力學(xué)模型的精確性，可用于后續(xù)攪拌車操縱穩(wěn)定性與平順性仿真研究。

(2)仿真結(jié)果、試驗(yàn)驗(yàn)證與理論研究結(jié)論一致：原車不帶橫向穩(wěn)定桿的整車側(cè)傾角與不足轉(zhuǎn)向特性都較差；前橋增加橫向穩(wěn)定桿對于車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有很大提升，提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。