整車不足轉向特性影響因素研究

景立新 姜清偉 李洋 吳利廣 李飛

摘 要：文章分析了懸架K&C特性、輪胎力學特性對車輛不足轉向特性的影響，其中懸架側傾轉向、側向力轉向、回正力矩轉向及輪胎側偏剛度對整車不足轉向特性有重要貢獻，而輪胎垂向載荷及復合工況下縱向滑移率則對輪胎側偏剛度有明顯影響，進而改變整車不足轉向特性，為底盤開發提供了重要的理論依據。

關鍵詞：輪胎力學特性;K&C;不足轉向特性

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）20-124-05

Abstract： This paper analyzes the influence of suspension K&C characteristics and tire mechanical characteristics on the understeer characteristics of the vehicle， in which the suspension roll steer， lateral force steer， aligning moment steer and tire cornering stiffness make an important contribution to the understeer characteristics of the vehicle， while the tire vertical load and longitudinal force under compound conditions have an obvious impact on the tire cornering stiffness， thus changing the understeer characteristics of the vehicle.

Keywords： Tire mechanical characteristics; K&C; Understeer characteristics

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）20-124-05

前言

整車不足轉向特性是車輛操穩性能的重要參數之一，也是底盤性能開發的重要依據。影響不足轉向特性的主要參數包括前后軸荷分配，懸架K&C特性，輪胎剛度特性等。

懸架K&C特性作為懸架準靜態特性表征，其中側傾轉向、側傾外傾、側向力轉向、側向力外傾、回正力矩轉向、回正力外傾等參數主要影響車輛的不足轉向特性。

輪胎作為車輛與地面接觸的唯一部件，除空氣作用力以外，實現車輛各種運動的外力均由輪胎產生[1][2]，車輛的響應特性很大程度上取決于輪胎側偏剛度，同時側偏剛度對整車不足轉向特性也有顯著影響。

1 不足轉向特性

整車的不足轉向特性分為不足轉向及過度轉向，不足轉向的表現為當固定方向盤轉角，車輛的轉彎半徑隨車速的提高而增大，對應的前軸側偏角大于后軸側偏角，此時車輛雖喪失部分轉向能力，但車輛可控，處于穩定狀態;而過度轉向則相反，轉彎半徑隨車速的提高而減小，車輛不可控，處于失穩狀態。

由計算結果可以看出，實車測試結果與計算結果基本一致。后軸等效側偏柔度受后懸K&C的影響不大，主要為輪胎本身側偏柔度;而后軸等效側偏柔度越小，車輛的響應越快，穩定性越好，因此希望輪胎的側偏柔度盡量小，即側偏剛度盡量大;前軸等效側偏柔度受前懸K&C的影響較大，整車的不足轉向度很大比例是由前懸架K&C特性提供;由于前后軸荷接近，輪胎側偏剛度相差不大，輪胎對不足轉向梯度的影響較小。

在懸架K&C特性中，側傾轉向、側向力轉向、回正力矩轉向對整車不足轉向度影響顯著，在設計開發中需要嚴格控制。

1.4 輪胎非線性對不足轉向度的影響

1.4.1 載荷轉移對不足轉向度的影響

在車輛側傾過程中，左右車輪的垂直載荷將重新分配，外輪載荷增大，內輪載荷減小，同時由于前后懸架側傾角基本一致，側傾剛度大的一軸左右載荷轉移也將增大。由于輪胎側偏剛隨垂直載荷非線性變化，左右載荷轉移越大，左右側輪胎共同產生的軸側偏剛度越小，這也是在底盤設計中通過增加前懸架側傾剛度來增大整車不足轉向度的原理基礎。

以該車型為例，在以0.2g轉向時，整車的側傾力矩為Wa*ay*h，按照前后懸架側傾剛度6：4的分配比例，前懸架垂向載荷變化為Wa*ay*h*0.6/T=1000N，后懸架垂向載荷變化666N，如圖5。

此時整車的不足轉向度增大了0.04deg/g，輪胎側偏剛度隨垂向載荷變化非線性趨勢越明顯，前后懸架側傾剛度分配比例偏離1：1越多，實際不足轉向度與靜態計算值偏差越大。

1.4.2 縱向滑移率對不足轉向度的影響

受輪胎附著摩擦橢圓的影響[6]，縱向滑移對輪胎側偏剛度有較大影響[7][8][9]，進而影響整車不足轉向度。隨著電動車越來越多，尤其是后驅電動車，由于驅動時電機扭矩較大，容易出現縱向滑移，導致側偏剛度較小，甚至出現甩尾工況。

ABS制動防抱死系統在車輛制動過程中將車輪的滑移率控制在10%～30%的范圍內（目前主流ABS泵生產廠商，比如博世ABS 8.0容許的滑移率為15%～20%），TCS驅動力控制系統在驅動過程中將車輪的滑轉率控制在10%～30%之間，在汽車起步或加速中，當電腦監測到驅動輪的滑轉率大于30%時，便向發動機發出指令減小驅動力，發動機便會減少噴油量，從而減小發動機轉矩輸出，使驅動輪的滑轉差回到10%～30% 之間，保證車輪始終擁有較大的附著力。

通過在輪胎特性試驗臺上固定側偏角縱滑試驗（結果見圖6）和固定縱向滑移率側偏試驗（結果見圖7），可以獲得不同滑移率下輪胎側偏特性的變化。由試驗可看出，當滑移率為10%時縱向力達到最大值，之后為減小趨勢，側向力在滑移率小于4%的區域變化不大，而在滑移率為10%、20%時已分別減小50%和70%。以上文對應車輛為例，車輛為電動后驅，當驅動滑移率10%時，輪胎側偏剛度減小50%，輪荷除以側偏剛度獲得的側偏柔度將為原來的2倍，輪胎對整車的不足轉向貢獻由0.1deg/g變化為-2.5deg/g，整車的不足轉向度也將有1.93變為-0.67deg/g，此時車輛已為過度轉向，很容易出現甩尾失控。

為了驗證縱向滑移率對不足轉向特性的影響，建立某車型的整車Carsim仿真模型，仿真工況為10秒內實現0-108 Km/h加速，加速度為0.3g，分別以前輪驅動、后輪驅動、四輪驅動進行，后輪的驅動比例為0%、100%、50%，仿真結果見圖8-10，可以看出前后縱向滑移對整車不足轉向特性有重要影響。

而對于制動工況，前后車輛均有滑移，且由于車輛設計時前軸的制動百分比要大于后軸，即使考慮制動載荷轉移也要保證前軸滑移率大于后軸滑移率，前軸先于后軸側滑。

2 試驗臺架

懸架K&C特性由SPMM懸架試驗臺測試獲得，該試驗臺具有一個中央平臺和四個車輪平臺[10]，中央平臺可實現車輛的整體Bounce、Pitch、Roll運動，車輪平臺可實現各個車輪的側向、縱向、轉動運動，傳感器測量各工況下車輪定位參數的變化，臺架見圖11。輪胎特性參數由Flat Trac輪胎特性試驗臺測試獲得，該試驗臺為平帶式，可實現高速（250km/ h）輪胎力學特性測試[11]，測試的典型工況有側偏工況、縱滑工況、復合工況、瞬態工況、垂向剛度、滾動半徑、原地轉向等，試驗臺架見圖12。

3 結論

本文系統性的分析了影響車輛動力學性能的懸架特性及輪胎力學特性，通過懸架K&C特性、輪胎剛度特性分析整車不足轉向度，為底盤開發中的各系統目標制定提供了依據。

輪胎側偏剛度隨垂向載荷為非線性變化，且非線性趨勢越明顯，前后懸架側傾剛度分配比例偏離1：1越多，實際不足轉向度與靜態計算值偏差越大，為底盤調校中側傾穩定桿的匹配提供了理論依據。

受輪胎摩擦橢圓影響，在輪胎縱向有滑移時，其側偏剛度將明顯變化，進而引起軸等效側偏柔度及不足轉向度顯著變化，為車輛開發尤其是后驅電動車型開發提供重要參考。

參考文獻

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[10] ABD Corporation.SPMM OUTLINE SPECIFICATION SP20010 issue3.http：//www.abd.uk.com.

[11] MTS Flat Trac Tire Test System User Manual. MTS System company.