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，當(dāng)車速達(dá)到一定值時，部分試驗(yàn)車會出現(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。本文主要對穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時前輪內(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)象及評價

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，當(dāng)車速達(dá)到一定值時，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)的評價標(biāo)準(zhǔn)有《QCT 480-1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法》，評價指標(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，按評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，最終的總評價記分值依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于60分，滿足該評價標(biāo)準(zhǔn)。因此該現(xiàn)象主要靠有經(jīng)驗(yàn)的評價人員通過對駕駛安全性的主觀感受來進(jìn)行評價。

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，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，主要從以下兩個方面來分析車輛側(cè)傾時，側(cè)傾角剛度對車輪垂向力的影響。

3.1　側(cè)傾時側(cè)傾力矩的前、后分配

汽車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向行使時，相對于懸架變形而言，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%，這個占比是比較大的。

3.2　側(cè)傾時垂直載荷在左、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，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車輪的垂直反作用力的大小。

圖4　靜止時和側(cè)傾時車輪垂向受力簡化模型

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時，車輛處于穩(wěn)態(tài)，對前軸進(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，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，因?yàn)楹篁?qū)動橋差速器的原因，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，比較容易針對性的采用不同的對策。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，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需要兼顧這些性能。

表1　評價及建議

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，整車平順性會變差。因此本解決方案在對前、后懸架適當(dāng)匹配之后，通過在車身、驅(qū)動橋上焊接支架，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)改動較大，會加長開發(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)限值與評價方法[S].

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[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.