橫向穩定桿對汽車穩態響應性能影響的仿真分析

孟杰，張凱

（常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟 215500）

橫向穩定桿對汽車穩態響應性能影響的仿真分析

孟杰，張凱

（常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟 215500）

運用汽車操縱穩定性能理論分析了橫向穩定桿對于汽車穩態響應性能的影響.利用ADAMS/Car仿真軟件建立了整車模型，通過改變懸架彈簧剛度實現橫向穩定桿的動力學等效，并進行了常半徑轉向的操作穩定性仿真試驗.試驗結果表明，通過安裝橫向穩定桿可以改善汽車的穩態響應，提高汽車的操作穩定性能.

橫向穩定桿；ADAMS/Car；操縱穩定性；穩態響應

橫向穩定桿（stabilizer bar），又稱防傾桿，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，增加了懸架的側傾角剛度，主要的作用是防止車身在轉彎時發生過大的橫向側傾，防止汽車橫向傾翻和改善平順性.當車身只作垂直運動時，兩側懸架變形相同，橫向穩定桿不起作用.當車身側傾時，兩側懸架跳動不一致，橫向穩定桿發生扭轉，桿身的彈力成為繼續側傾的阻力，起到橫向穩定的作用.

1 帶橫向穩定桿的汽車穩態響應模型

1.1 橫向穩定桿對汽車穩態響應的影響

汽車等速行駛時在前輪角階躍下進入的穩態響應就是等速圓周行駛.汽車的穩態響應有三種類型：中性轉向、不足轉向和過多轉向.由于過多轉向的汽車達到某一車速時，汽車會失去穩定性，極易產生側滑和翻轉，因此汽車都應具有適度的不足轉向特性.

當汽車增加橫向穩定桿時，會改變懸架總的側傾剛度，因此會顯著影響到汽車的穩態響應性能.

1.2 帶橫向穩定桿的汽車側偏特性分析

設車廂在側向力作用下繞側傾軸線的轉角稱為車廂側傾角Φr（見圖1）.車廂側傾角Φr由側傾力矩Mφr和懸架總的側傾剛度∑Kφr確定

汽車側傾力矩Mφr主要由三部分組成[1-2]：懸掛質量離心力引起的側傾力矩MφrI、懸掛質量重力引起的側傾力矩MφrII以及獨立懸架中非懸掛質量離心力引起的側傾力矩MφrIII，即

懸架總的側傾角剛度∑Kφr等于前、后懸架以及橫向穩定桿剛度之和

其中Kf為前懸架的側傾角剛度，kr為后懸架的側傾角剛度，k′為橫向穩定桿的側傾角剛度.

對于前懸架增加了橫向穩定桿的汽車，由側傾角Φr可求出前后懸架作用于車廂的恢復力矩為：

其中TφrI為前懸架的恢復力矩，TφrII為后懸架的恢復力矩，如圖2所示.

相對于沒有安裝橫向穩定桿的汽車，汽車的側傾角剛度增加，由公式（1）可知，汽車側傾角Φr減小.但由公式（4）和（5）知，后懸架的恢復力矩減小，同時可以通過設置合理的k′值，使得前懸架的恢復力矩增加，進而汽車前軸的垂直載荷變動量加大，導致前懸架側偏剛度下降，從而加強了汽車的轉向不足特性，汽車操縱穩定性能也趨于增加.

2 基于ADAM S/Car的汽車仿真模型驗證

圖1 車輛側傾示意圖

圖2 增加橫向穩定桿的車輛側傾示意圖

2.1 ADAMS/Car簡介[3-5]

ADAMS/Car是前MDI公司與奧迪、寶馬、雷諾和沃爾沃等公司合作開發的轎車專用分析軟件包，它允許汽車工程師建造汽車各個子系統的虛擬原型，輸出表示操縱穩定性、制動性、乘適性和安全性的性能參數.ADAMS/Car也已成為汽車仿真領域的權威軟件.本文利用ADAMS/Car建立了仿真模型，并將橫向穩定桿的作用進行仿真驗證.

2.2 仿真模型建立

本文利用ADAMS/Car自帶的MDI_Demo_Vehi?cle_It模型，通過修改前懸架彈簧的剛度以等效于是否安裝橫向穩定桿，實現對橫向穩定桿影響操縱穩定性的驗證.實體模型如圖3所示.

圖4、圖5所示的是ADAMS/Car自帶模型前懸架彈簧原始剛度以及修改后的剛度曲線圖.由曲線可知，原始剛度為125 N/mm，修改后的彈簧剛度為140 N/mm.

3 仿真試驗結果

圖3 整車仿真模型

在ADAMS/Car的汽車操縱穩定性仿真試驗中，常半徑轉向（Constant Radius Cornering）是最常用的分析方法.在分析過程中保持轉彎半徑不變，改變車速，從而得到不同側向加速度和前后輪側偏角[3].根據前后輪側偏角差曲線可判斷汽車轉向特性.圖3所示的是自帶模型以及修改后模型的車輛前后側偏角差值（δ1-δ2）與側向加速度的關系曲線.

4 結論

由圖6可知，懸架剛度修改之后，前后車輪的側偏角差值要高于原始模型，表明汽車的不足轉向特性得到加強，汽車的操作穩定性得到優化.同時表明ADAMS/Car具有精確仿真試驗的能力，因此可采用ADAMS/Car軟件建立參數化車輛模型，對各種設計參數不斷進行修改或優化設計，達到改進產品設計方案的目的[6].

圖4 原始彈簧剛度特性曲線

圖5 修改后彈簧剛度曲線

圖6 車輛前后側偏角差值（δ1-δ2）與側向加速度的關系曲線

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]郭孔輝.汽車操作動力學原理[M].南京：江蘇科學技術出版社，2011.

[3]范成建，熊光明.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應用與提高[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5]陳德民.ADAMS2005/2007虛擬樣機[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6]郭偉東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

Simulation and Analysis on the Effect of the Stabilizer Bar on the Automobile Steady State Response

MENG Jie,ZHANG Kai
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

The effect of the stabilizer bar on the automobile steady response is analyzed through the theory of au?tomobile steady response.And amodel of a whole vehicle is established utilizing ADAMS/Car.Besides,a dynam?ical equivalent of the stabilizer bar is built by modifying the spring stiffness of suspension,and a simulation test, which is called constant radius cornering,is executed.The test result shows that the stabilizer bar is able to prove the automobile steady response and improves the automobile handling stability,and that the ADAMS/Car software has the ability to execute accurate simulation test.

stabilizer bar;ADAMS/Car;handling stability;steady state response

TP/391.9

A

1008-2794（2012）08-0069-03

2012-02-01

蘇州市科技計劃項目“汽車半主動電磁懸架應用研究”（SYG201102）

孟杰（1981—），男，安徽廬江人，講師，碩士，研究方向：汽車系統動力學.