乘用車懸架參數對制動跑偏性能影響的研究

王博文

摘 要：車輛在制動過程中如果發生跑偏，希望通過合理的懸架參數設定來抑制跑偏現象。本文選取了兩個懸架參數，首先通過理論分析研究它們對制動跑偏性能的影響，隨后找到與這兩個懸架參數敏感度高的懸架零部件，通過改變零件狀態調整兩個懸架參數值，再借助carsim仿真和整車試驗的方法對理論分析進行驗證。最終得出車輛懸架參數及懸架零部件如何影響制動跑偏性能，為前期的設計提供參考依據。

關鍵詞：制動跑偏；懸架特性參數；carsim仿真；制動跑偏試驗

中圖分類號：U461.6 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0029-06

Abstract： Vehicle drift may appear while braking， and some suspension parameters need to be set reasonably to reduce the level of brake pull. This article choose two related parameters and study their effect on the brake pull performance by theoretic analysis firstly. Meanwhile suspension components which have high effects on the parameters will be found and adjusted to set different values of two parameters. Then carsim simulation and test can be used to validate the theoretic analysis result. Finally the conclusion how suspension parameters and components effect on the brake pull performance can be found， which can provide references for platform development and design in the early stage.

Key Words： brake pull； suspension parameters； Carsim simulation； brake pull test

1 引言

汽車制動跑偏，是指汽車在制動時自動偏向一方，很可能造成嚴重事故。造成汽車制動跑偏的原因很多，包括了制動器、懸架系統、前輪定位和輪胎等因素。其中大部分原因都是車輛狀態與正常狀態不一致，如同軸左右制動力不等，懸架系統損壞變形，轉向節松曠及前束調整不當等[1]，車輪定位參數不對稱也是造成車輛制動跑偏的一個重要原因[2]。本文以乘用車為基礎，重點研究麥弗遜懸架系統特性參數對車輛制動跑偏的影響，即當車輛由于各種原因發生制動跑偏時，這些懸架參數的變化如何抑制或放大制動跑偏的現象。研究結論可以指導懸架及底盤系統的前期設計，在早期對車輛的性能有更深入的理解。

懸架系統總成的特性參數主要是指懸架的K&C;特性參數和車輪及懸架的幾何定位參數靜態設計值。所謂K&C;特性可以分為K（kinematic）特性和C（compliance）特性。K特性即懸架運動學特性，是指車輪在垂直方向上往復運動的過程中由于懸架導向機構的作用而導致車輪平面和輪心點產生角位移和線位移變化的特性，表示只與懸架連桿有關的彈簧變形過程；C特性即懸架彈性運動學特性，是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導致的車輪平面和輪心產生角位移和線位移變化的特性，施加力導致的變形跟懸架系統的彈簧、橡膠襯套以及零部件的變形有關。車輪定位參數靜態設計值是指車輪前束角和車輪外傾角的設計名義值，懸架幾何定位參數是指主銷內傾角、主銷后傾角、主銷偏置距、主銷后傾拖距等設計名義值[3]。

在split μ（左右輪路面附著系數不同）路面制動實驗中，不同的主銷偏置拖距（scrub radius/mm）會影響車輛制動跑偏偏移量[4]。圖1中的scrub radius定義為正值。在車輛制動過程中，懸架系統受力情況與K&C;試驗中縱向力加載工況類似，因此C特性參數縱向力轉向率（brake force steer/Deg/KN）也會對制動跑偏有直接的影響，制動時前輪有toe-out（前束變小）趨勢時定義其為正值。本文也將主要研究這兩個參數與制動跑偏的關系。

本文首先通過理論分析得到兩個懸架系統參數如何影響車輛制動跑偏穩定性；再借助仿真分析的方法找到對兩個參數影響度較大的懸架零件，通過改變零件狀態改變車輛制動跑偏性能。借助Carsim軟件建立實車模型，模擬制動跑偏工況分析車輛在不同的懸架參數下制動跑偏的差異；再通過不同的懸架零件狀態改變懸架參數，實車上進行試驗驗證，從而總結出兩個懸架K&C;參數如何影響車輛制動跑偏性能，為今后的底盤架構設計的前期開發提供參考。

2 理論分析

假設車輛受到左右兩個方向的制動力不同（FxL < FxR），會以車輛質心為中心產生一個橫擺力矩Myaw（>0）使車輛向右跑偏（定義順時針方向轉動為正）。當Scrub radius值為負時，左右車輪分別產生一個大小不同方向相反的轉向力矩，綜合后在車輛上形成一個總的轉向力矩Msteer。

Msteer剛好可以與整車的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車輛的制動跑偏效應（如圖2所示）。同理，當scrub radius值為正時，Msteer > 0，轉向效應會放大制動跑偏趨勢。

同樣，車輛左右兩邊受到不同的制動力（FxL < FxR），當brake force steer為負時，轉向前輪產生toe-in趨勢，左右車輪分別產生一個大小不同方向相反的車輪轉角（定義順時針方向轉動為正），綜合后在車輛上形成轉向效應。

δ產生的轉向效應剛好可以與整車的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車輛的制動跑偏效應（如圖3所示）。同理，當brake force steer值為正時，δ > 0，轉向效應會放大制動跑偏趨勢。

3 懸架零件對懸架參數scrub radius和brake force steer的影響

通過前文的描述，在不改變懸架結構參數的基礎上，可以直接調整前輪距來改變Scrub Radius值。輪距的調整可以通過改變車輪偏距wheel offset的值來實現。Wheel offset定義為車輪安裝面與車輪中心的距離（圖4），wheel offset值越小，車輪越向外側移動，scrub radius值即變大，如果scrub radius初始狀態值為負，通過不斷地調整可以使之變正。在輪轂與車輪的安裝面上添加墊片，可以來減小wheel offset，使scrub radius越來越大直至變正。

影響brake force steer的因素有很多，根據經驗分析主要分為以下兩類：硬點位置和襯套剛度。硬點位置方面，通過仿真分析可以找到對brake force steer有較大影響的幾個關鍵硬點，但是改變硬點坐標會影響KC其它參數性能，同時還存在與周邊零件干涉的風險，故暫不考慮此方案。

襯套剛度方面，可以調整與Ride & Handling性能相關的控制臂襯套剛度（bushing stiffness）來改變brake force steer。研究控制臂前襯套和控制臂后襯套，發現控制臂后襯套的剛度對brake force steer的敏感性較高（表1）。可以通過改變控制臂后襯套剛度的方式來改變brake force steer的值。

4 方案設計

選取某在售成品車型作為研究的基準，原車狀態下scrub radius初始值為-10mm，為了能夠全面反映其影響，再分別調整其為0mm和+10mm，研究制動跑偏有何變化。brake force steer以原車狀態為基準，上、下調整其值研究對制動跑偏的影響。根據本文第2部分的研究，可以通過更換不同剛度的控制臂后襯套來實現brake force steer值的調整。控制臂后襯套的選取如表2所示。

更換幾組控制臂后襯套分別進行K&C;試驗，隨著bushing剛度的增加，brake force steer的值也增加（偏正趨勢），如表3所示：

在實驗中，分別取三組控制臂后襯套和車輪，構造實驗輪次共9次如表4所示：

在實驗和仿真分析中，設定制動跑偏的初始車速為100km/h，分別執行0.2g，0.4g和0.6g減速度的制動。人為地在車輛制動系統中將左前和右前車輪的制動力調整為不同（0.9：1）使車輛發生制動跑偏現象，再記錄不同的brake force steer和scrub radius組合如何影響制動跑偏。

5 Carsim仿真分析懸架參數對制動跑偏的影響

CarSim是一種專業的車輛動力學仿真軟件，能準確模擬車輛對駕駛員操作行為、空氣動力學以及路面激勵的響應，在車輛操縱穩定性、平順性、燃料經濟性、動力性等領域有廣泛應用。carsim建模的核心是參數化建模，主要是針對車輛基本參數、懸架K特性、懸架C特性和輪胎特性建模。本文基于某乘用車的K&C;測試數據建立整車模型。圖5介紹了在carsim中建立車輛模型的主要過程。

車輛模型中，在轉向系統里可以直接修改scrub radius；在前懸架C特性參數中，通過“Toe/Fx coefficient”修改brake force steer。按照前文的設計方案，模型中其它參數皆不變，用不同的brake force steer和scrub radius組合進行仿真。由于carsim軟件條件限制，制動時的方向盤力矩不準確，只作為參考；制動時設置方向盤轉角始終為0，相當于方向盤處于鎖死狀態。用制動后車輛的側向位移作為跑偏指標，最終的仿真結果如表5所示。在左右制動力相同的情況下，車輛基本不發生跑偏，在左右制動力不同的情況下，可以發現不同的scrub radius和brake force steer下側向偏移量不相同，并且有一定的規律，后面會繼續分析。

6 試驗驗證懸架參數對制動跑偏的影響

與仿真不同，使左右制動力按比例分配的方法需要單獨加工一個比例閥來調節一側車輪的管路壓力。該裝置可以接在ABS模塊左前輪制動管路壓力輸出口后，按照90%的比例調節管路壓力，使得左前輪制動力為右前輪制動力的90%，人為地使車輛制動時發生跑偏。試驗操作需采集并監測橫、縱向車速，側向、縱向加速度，航向角，橫擺角速度和側向位移等通道數據。

制動跑偏試驗中，需要通過零件的更換來調整brake force steer和scrub radius值。根據前文的分析，可以使用不同規格的車輪來實現不同的wheel offset，從而得到幾組不同的scrub radius值。再更換已經加工好的控制臂后襯套（集成在控制臂中），得到幾組不同的brake force steer值。按照之前設計的方案選取不同的組合分別進行試驗采集數據。試驗工況與仿真工況類似，都是車輛滑行到100km/h時開始制動，用制動后車輛的側向位移偏移量作為最終的指標。與仿真不同的是，試驗中鎖死方向盤的方法不容易操作，重復性差，因此采用制動時撒手的辦法，方向盤沒有力矩輸入的條件下測量制動跑偏量。將試驗的結果進行處理，得到不同懸架狀態的制動跑偏量如表6所示：

7 結論

從試驗和仿真結果看，brake force steer和scrub radius變化對制動跑偏的影響與理論分析結果有同樣的趨勢。在brake force steer相同的情況下，scrub radius越大制動跑偏越嚴重，因此scrub radius偏負對制動跑偏有一定的抑制作用。相似的，在scrub radius相同的情況下，brake force steer越大，即控制臂后襯套剛度越高，制動跑偏越嚴重。設計懸架參數時可以使Brake force steer偏負一些，這樣有利于抑制制動跑偏。同時可以發現，仿真與試驗可以較好地對應，在前期的設計開發中可以應用仿真的手段來分析類似的問題。

在底盤懸架系統前期的設計開發中，brake force steer和scrub radius的值是受很多因素決定的，制動跑偏只是其中的一個方面。如果在前期的開發中，其中一個參數值由于各種限制原因不得不取在有可能發生制動跑偏風險的范圍內，則可以通過調整另外的參數值來彌補這一風險，這在前期架構開發中具有很重要的意義。

參考文獻：

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