基于汽車“麋鹿試驗”性能的底盤關鍵技術研究

劉逸涵

摘 要：本文介紹了麋鹿試驗的測試方法，通過Carsim仿真分析，揭示了麋鹿試驗過程中車身側傾角、輪胎受力以及車輪定位參數的變化規律。通過分析車身的側傾原理、輪胎的動力學特性、以及懸架的K&C特性，簡要總結了影響汽車麋鹿試驗性能的底盤關鍵技術。

關鍵詞：麋鹿試驗;Carsim;車身側傾;輪胎動力學;K&C

1 引言

在北歐和北美地區，汽車經常為了避讓出其不意跳到公路上的麋鹿而發生危險。為了測試車輛的緊急避險能力，人們模擬高速避險的情形，按照標準設置地樁，以一定的車速在規定的路線內通過。最終以車輛能成功通過麋鹿試驗的最高車速來評價其緊急避險能力。

麋鹿試驗的試驗場地為平坦、干燥的瀝青或混凝土路面，根據車輛的寬度設定圖1所示的地樁，根據車輛類型加載一定的乘客和行李。試驗前確保車輛四輪定位參數、轉向系統、懸架系統和輪胎都符合該車技術條件，并對輪胎進行預熱。試驗過程：車輛以某一速度駛入路徑，松開油門踏板按照地樁的路線行駛，過程中不得碰到地樁，逐次提高駛入速度直到極限，再進行兩次后得到最高通過車速。

2 麋鹿試驗Carsim仿真分析

CarSim是針對車輛動力學的仿真軟件，可仿真整車的操縱穩定性、制動性等。本文用CarSim軟件對某中型SUV進行麋鹿試驗仿真，先對整車參數、轉向、懸架和輪胎等進行建模，其次根據試驗標準對速度、轉向和路面條件等進行設置，最終得到仿真動畫、相關指標結果曲線。

2.1 車身側傾角

根據車身側傾角曲線可知車輛在緊急變更車道時產生較大的車身側傾角，并在第二次變道時達到最大。

2.2 輪胎受力情況

車輛快速轉彎過程中，往往前輪受力較大，因此本文以左前輪為例，提取垂向力和側向力曲線。試驗過程中，車輛激烈轉彎行駛，輪胎垂向載荷變化量非常大，輪胎側向力也在第二次變道時達到最大值。

2.3 輪胎定位參數

車輛左前輪的外傾角和前束角變化規律見圖2，車輛在緊急變線行駛時，前輪外傾角和前束角都發生很大變化，結束后恢復初始值。

3 影響麋鹿試驗性能的因素

3.1 車身側傾角

車身在側向力作用下繞側傾軸線的轉角稱為車身側傾角。車身側傾角是操縱穩定性的一個重要參數，側傾角過大會使駕駛員感到不穩定、不安全，側傾角過小則無法給駕駛員反饋有效的車輛運動狀態，它是影響麋鹿試驗的重要因素。車身側傾角取決于側傾力矩與整車側傾角剛度的大小。

3.1.1 側傾力矩的大小

側傾力矩主要由簧上質量的離心力引起，設簧上質量為m，質心處的側向加速度為ay，車身側傾軸線為L，質心距離側傾軸線的距離為h。

側傾力矩為

M=Fy*h=m*ay*h

由此可知側傾力矩的大小與簧上質量、質心距側傾軸線的距離、質心處側向加速度的大小成正比[1]。

3.1.2 側傾角剛度的大小

側傾角剛度是側傾時懸架系統給車身總的彈性恢復力偶矩與側傾角的比值，主要由彈簧、橫向穩定桿、擺臂橡膠軸套和輪胎組成。彈簧、穩定桿與軸套并聯構成懸架側傾角剛度，并與輪胎串聯構成整車側傾角剛度。其中，彈簧和穩定桿需是等效剛度，橡膠軸套的等效剛度因懸架結構的不同而異。

綜上可知，車身側傾角的大小等于側傾力矩與側傾角剛度的比值，合理設計側傾軸線、質心高度、簧上質量及側傾角剛度，才能保證車輛在麋鹿試驗中保持良好的性能。

3.2 輪胎動力學特性

車輛行駛中，輪胎是唯一與地面接觸的部件。車輛的前輪通常既是驅動輪又是轉向輪，激烈轉彎中承受載荷很大，當輪胎縱向力和側向力的合力超過輪胎承受極限時，車輛將無法按預想軌跡行駛、甚至失控。因此，輪胎是影響車輛麋鹿試驗性能的重要因素。

3.2.1 輪胎側偏特性

側偏特性是輪胎力學特性的重要部分，側偏力-側偏角關系曲線見圖3。當側偏角不超過4°時，側偏力和側偏角成線性，零處的斜率為輪胎的側偏剛度。在8°左右時，側偏力達到飽和，輪胎即將側滑，若側偏角繼續增加，側偏力達到附著極限并下降，輪胎側滑[2]。

麋鹿試驗中，側向加速度和橫擺角速度較大，輪胎側偏角已超出線性區域，并有較大的車身側傾角和軸荷轉移量，輪胎垂向載荷如圖3突然增加或減小，此時輪胎的側偏剛度也會產生較大變化[3]。因此，輪胎側偏性能、輪胎與懸架的匹配度是車輛麋鹿試驗性能好壞的重要因素。

3.2.2 不同輪胎的麋鹿試驗通過速度

分別用1#、2#、3#輪胎，規格235/55 R20，在該SUV上做麋鹿試驗，其它條件不變，多組測試得到通過速度，見表1。3#輪胎側偏剛度最大，通過速度最高;1#輪胎側偏剛度最小，通過速度最低。

3.3 懸架K&C特性

影響麋鹿試驗性能的主要K特性是Roll Steer和Roll Camber，即側傾轉向和側傾外傾; C特性是Compliance Steer，即柔性轉向。

3.3.1 側傾轉向：

在側向力作用下車身發生側傾，引起車輪轉向角或前束角的變動，稱為側傾轉向。

根據某麥弗遜懸架的側傾轉向曲線的斜率，是量化側傾轉向的重要指標，斜率大則側傾過程前束角變化大，不足轉向量的增量就大，增加車輛的不足轉向度。外側車輪的前束減小，內側車輪的前束增加，這種變化特性，增加了汽車的不足轉向量，使汽車轉彎行駛時更安全穩定，稱為不足側傾轉向，反之為過度側傾轉向[4]。

麋鹿試驗中若車輛不足轉向度增量太大，則更容易產生“推頭”現象，不利于靈活避險。當然出現過度側傾轉向，車輛急變線時容易甩尾失控。因此，具有適度較小的側傾轉向有利于提高車輛的麋鹿試驗性能。

3.3.2 側傾外傾：

車輪外傾角在車身側傾時的變化叫做側傾外傾。外傾角變化有兩個影響：一，影響輪胎的側偏特性;二，影響輪胎的側向附著能力。

由輪胎六分力試驗可知，不同外傾角下輪胎的側偏特性有所不同。通常情況下，隨著外傾角的增大，輪胎側偏剛度會降低[3]，因此懸架的側傾外傾變化不宜過大。

車輛轉向行駛時，隨著外傾角的增加，側向附著性能降低，若要保持高的附著能力，急轉彎時外側車輪應盡量垂直地面，使胎面與地面有良好的接觸。因此，K特性中，外側車輪的外傾角應具有適度的弱負變化趨勢，隨著側傾角度的增加，外側車輪的外傾角減小。

懸架的側傾轉向和側傾外傾特性，主要取決于懸架硬點和桿系結構設計，合理的結構布置能使懸架運動過程中前束角和外傾角有理想的變化趨勢，從而提高麋鹿試驗性能。

3.3.3 柔性轉向

影響麋鹿試驗的重要C特性是Compliance Steer，即柔性轉向。麋鹿試驗中輪胎受到側向力，側向力使懸架中襯套變形，車輪前束角會發生變化。引起柔性轉向的主要因素是橡膠襯套的變形，因此，襯套的剛度設計決定了柔性轉向的特性和程度。與側傾轉向的原理類似，前束變化應使汽車趨于不足轉向的趨勢，有利于提高麋鹿試驗性能。

4 結論

本文通過Carsim動力學仿真，得出了車輛麋鹿試驗過程中整車和輪胎的運動規律和受力情況，又通過懸架運動學特性理論分析，得到了影響車輛麋鹿試驗性能的關鍵因素如下：

1.車身側傾角的大小;

2.輪胎的動力學特性;

3.懸架K&C特性中的側傾轉向、側傾外傾和柔性轉向。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論.第5版[M]. 機械工業出版社，2009.

[2]彭旭東，郭孔輝，單國玲. 汽車輪胎側偏特性影響因素的試驗研究[J]. 汽車工程，2004，26（6）：675-677.

[3]許男. 復合工況下輪胎穩態模型研究[D]. 吉林大學，2012.

[4] Habibi H，Shirazi K H，Shishesaz M. Roll steer minimization of McPherson-strut suspension system using genetic algorithm method[J]. Mechanism & Machine Theory， 2008，43（1）：57-67.