某乘用車車身扭轉剛度對操縱穩定性的影響

吳利廣 王晗 景立新 蒙啟恩

（中國汽車技術研究中心）

隨著汽車領域的發展以及對汽車技術的深入研究，專家學者對車輛操縱穩定性的研究也進一步加深。在車輛行駛過程中有很多因素可以影響到汽車的操縱穩定性，以往的研究主要集中在行駛系、轉向系等方面[1]，但不能忽略的是，汽車是由多個部分組成的整體，汽車的操縱穩定性是一個系統集成的問題，所以只單獨研究行駛系、轉向系等底盤系統對汽車操縱穩定性的影響顯然是不夠全面的，對汽車操縱穩定性的研究要以整車為基礎。文章以車身扭轉剛度為切入點，研究車身扭轉剛度不同對整車操縱穩定性的影響[2]。

1 操縱穩定性

操縱穩定性是評價汽車的重要指標，它不僅影響著駕駛時的操縱方便程度，也是決定高速行駛安全性的性能之一，其好壞程度受多方面的影響[3]。

車身性能的考核指標主要是彎曲剛度和扭轉剛度（彎曲和扭轉模態在整車體系下評價會更合理），而車身的扭轉剛度與汽車操縱穩定性關聯比較緊密。扭轉剛度的大小對汽車底盤的操穩、行駛在凹凸路面上車體的抗變形能力影響都比較大，所以文章主要研究車身扭轉剛度對整車操穩性能的影響。

汽車在行駛過程中，由于車身各部分所受的外力不同，車身產生扭轉力矩，導致車身發生扭轉變形，圖1示出車身受力簡圖。

圖1 車身受力簡圖

車身的變形程度與車身結構受到的力的大小和結構本身的扭轉剛度有關，車身結構的扭轉剛度為單位扭轉角所受到的力，即：

式中：GJ——車身的扭轉剛度，N·m/（°）；

T——扭矩，N·m；

L——軸距，mm。

軸間相對扭轉角（θ）與梁的撓度之間的關系為：

2 模型建立

ADAMS/Car多體系統動力學分析軟件具有豐富的建模功能和強大的動力學解算能力，由此可以建立規模龐大、機構復雜、系統級的仿真模型以便對汽車進行整車性能的仿真分析。ADAMS/Car軟件開發模塊具有更強的專業性，利用該軟件進行懸架性能參數對車輛操縱穩定性影響的研究，建模和仿真都更簡單精確[4-6]。

利用ADAMS/Car動力學軟件對某乘用車進行建模，如圖2所示[6-7]。整車模型軸距為2 665 mm，前后輪距為1 560 mm，前懸架類型為麥弗遜，后懸架類型為多連桿，整車整備質量為1 546 kg。為了模擬車身扭轉剛度的變化，建立車身模型為2個part，其中前懸架與車身連接點通過通訊器與一個part相連，后懸架與車身連接點通過通訊器與另一個part相連，且2個part用bushing單元連接，利用bushing單元來模擬車身的扭轉剛度。

圖2 某乘用車的ADAMS/Car模型

3 分析仿真

為了研究車身扭轉剛度對操縱穩定性的影響，考慮車身扭轉剛度的常見數值，并將其設置為4種不同的數據：8 000，12 000，16 000，20 000 N·m/（°），分別用Body8000，Body12000，Body16000，Body20000 表示。

在整車操縱穩定性分析中，轉向角階躍工況、角脈沖工況、雙移線工況、穩態回轉工況等是分析操縱穩定性的典型工況。文章選取轉向角階躍和穩態回轉2個工況進行仿真，對比不同工況及不同車身扭轉剛度下，整車操穩性能的表現，找出車身扭轉剛度對操穩性能影響的規律。

3.1 轉向角階躍工況

設置工況為轉向角階躍工況[8-9]，仿真時間為8 s，車速為100 km/h，轉向盤最大轉角為20°。4個典型的參數仿真結果，如圖3所示。各個參數極值，如表1所示。

圖3 轉向角階躍工況典型的整車參數仿真曲線

表1 轉向角階躍工況各參數極值仿真結果

從圖3可以看出，車身扭轉剛度越大，橫擺角速度、車身側傾角及側向加速度的超調越小，汽車更加穩定；且隨著車身扭轉剛度的增大，汽車的橫擺角速度、側向加速度等響應時間縮短，汽車響應更快，操控性更好。

3.2 穩態回轉仿真

文章一步驗證了定轉彎半徑工況[10-12]，設置仿真工況半徑為30 m，側向速度在30 s內從10 km/h加速到50 km/h。部分仿真結果，如圖4所示。各個參數的極值，如表2所示。

圖4 穩態回轉工況部分仿真曲線

表2 穩態回轉工況各參數極值仿真結果

由圖4和表2可知，車身扭轉剛度對不足轉向度也有比較大的影響。這是由于車身在扭轉時，由于扭轉剛度的不同，前后懸架的側傾角度有差異，導致前后懸架側傾時引起的前束角變化不同，從而引起汽車不足轉向度的變化。

4 結論

文章利用ADAMS/Car軟件對整車進行仿真，分析多種工況，對比車身扭轉剛度的不同對汽車操穩的影響，得出汽車車身扭轉剛度越大，汽車行駛越穩定，汽車的操縱穩定性越好，主要體現在以下三方面。

1）隨著車身扭轉剛度增大，轉向角階躍工況的橫擺角速度、側傾角及側向加速度等參數的極值變小，曲線的波動趨于平緩，超調變小，整車的操縱穩定性變好；

2）車身的扭轉剛度越大，側向加速度響應時間、橫擺角速度響應時間及側傾角響應時間越短，汽車響應越靈敏，操控性越好；

3）車身扭轉剛度對汽車的不足轉向特性有影響，在前期設計車輛不足轉向特性時要充分考慮這一點，同時，樣車各階段（尤其是騾子車階段）的性能試驗時也需要考慮車身扭轉剛度的影響。