某純電動(dòng)汽車車輪偏距對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響研究

徐衡，王夢(mèng)妮，向成相

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司 成都研究院，四川 成都 610110）

前言

近年來，電動(dòng)汽車成為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向，受到了全球汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注。電動(dòng)汽車不僅在節(jié)能環(huán)保方面顯示出巨大的優(yōu)越性，更具有扭矩響應(yīng)快、加速快等動(dòng)力性方面的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)車的動(dòng)力電池具有體積、質(zhì)量大的特點(diǎn)，對(duì)于整車的轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性產(chǎn)生了不利的影響，由此對(duì)轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性能的優(yōu)化提升成為電動(dòng)車動(dòng)力學(xué)性能開發(fā)中非常重要的一環(huán)。汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定性能的能力[1]。本文從某平臺(tái)純電汽車車輛動(dòng)力學(xué)性能前期實(shí)際開發(fā)需求出發(fā)，基于汽車動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，以車輛方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度響應(yīng)等特征量來表征其行駛性能特性的方式，通過主觀評(píng)價(jià)并結(jié)合客觀測(cè)試來分析研究當(dāng)車輛其他基礎(chǔ)參數(shù)不變時(shí)，車輪偏距變化對(duì)整車轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性能的影響。

1 車輪偏距對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)影響基本原理

車輪偏距是指輪輞的安裝孔內(nèi)側(cè)面到輪輞中心線的距離，分為正偏距、負(fù)偏距、零偏距。主銷偏移距是主銷軸線與地面交點(diǎn)和車輪中心線與地面交點(diǎn)之間的距離（如圖1所示），當(dāng)主銷軸線與地面交點(diǎn)在車輪中心線與地面交點(diǎn)的內(nèi)側(cè)，則為正，反之為負(fù)。

圖1 主銷偏移距示意

當(dāng)主銷軸線與地面的交點(diǎn)和輪胎在地面上的印跡中心重合時(shí)，偏矩為零，此時(shí)制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力對(duì)主銷軸線無轉(zhuǎn)矩作用。

當(dāng)左右車輪上制動(dòng)力不相等時(shí)，負(fù)的主銷偏移距具有抵抗汽車改變行駛方向的能力。如圖2所示，若汽車右前輪上作用的制動(dòng)力FB,R大于左前輪上的制動(dòng)力FB,L，此時(shí)汽車上會(huì)作用一個(gè)試圖使車輛向右轉(zhuǎn)的不平衡力矩。由于存在負(fù)的主銷偏移距，即主銷軸線與地面的交點(diǎn)A位于輪胎接地印跡中心的外側(cè)，兩前輪的制動(dòng)力還會(huì)對(duì)車輪作用一個(gè)繞A點(diǎn)的力矩，此力矩作用到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，通過轉(zhuǎn)向桿系產(chǎn)生彈性形變而使右前輪沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度aR，使左前輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度aL，并且aR>aL。這兩個(gè)角度就是輪胎側(cè)偏角，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的側(cè)向力FL,R和FL,L，且FL,R>FL,L，從而使汽車向左轉(zhuǎn)向。因此，汽車上述兩個(gè)轉(zhuǎn)向作用相互抵消，有助于維持車輛的直線行駛[2]。

圖2 負(fù)主銷偏移距對(duì)行駛性能的影響分析

當(dāng)主銷偏移距為正時(shí)（如圖3所示），就不具有這種維持直線行駛的特性，不平衡的制動(dòng)力引起的側(cè)向力總是會(huì)加劇車輛向某一方向轉(zhuǎn)向行駛。同時(shí)，隨著主銷偏移距的逐漸增大，地面沖擊力對(duì)方向盤的影響也會(huì)隨之逐漸增大。

圖3 正主銷偏移距對(duì)行駛性能的影響分析

由圖1可知，主銷偏移距會(huì)隨主銷后傾角或車輪偏距的調(diào)整而變化，主銷內(nèi)傾角不變時(shí)，當(dāng)增大車輛輪距，即減小車輪偏距時(shí)，主銷偏移距會(huì)隨之增大。為了更深入研究車輪偏距對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，本文在實(shí)車為負(fù)主銷偏移距的基礎(chǔ)狀態(tài)下，保持主銷內(nèi)傾角等基礎(chǔ)參數(shù)不變，通過逐漸減小車輪偏距，分析車輛由負(fù)主銷偏移距逐漸向正主銷偏移距增大（如圖4）時(shí)各種狀態(tài)下車輛的行駛性能特性。

圖4 主銷偏距變化示意

2 主觀評(píng)價(jià)

以某純電緊湊型SUV作為研究對(duì)象，對(duì)車輛（半載）在A、B、C、D四種車輪偏距值參數(shù)狀態(tài)下進(jìn)行車輛行駛性能的主觀評(píng)價(jià)，四種參數(shù)狀態(tài)見表1。

表1 各車輪偏距參數(shù)值 單位：mm

2.1 評(píng)價(jià)內(nèi)容及方法

轉(zhuǎn)向以轉(zhuǎn)向干擾評(píng)價(jià)為主，評(píng)價(jià)內(nèi)容主要分為兩項(xiàng)：第一項(xiàng)，車輛以低速（50km/h以下）通過鵝卵石路、比利時(shí)路、斜鋼索路、單邊減速坎、扭曲路面、綜合路面等特征路面時(shí)（圖5所示），判斷方向盤是否有打手感覺及感覺強(qiáng)弱程度（wheel fight）和方向盤振動(dòng)干擾大小程度及可控性（rut wander）；第二項(xiàng)，在平整干燥的瀝青或者水泥路面上，方向盤向左或者向右保持90o轉(zhuǎn)角，以全油門從靜止?fàn)顟B(tài)加速啟動(dòng)車輛，在啟動(dòng)加速瞬間感受評(píng)價(jià)方向盤扭力轉(zhuǎn)向強(qiáng)弱（torque steer）。

圖5 主觀評(píng)價(jià)特征路面

操縱穩(wěn)定性主要以制動(dòng)時(shí)的車輛操穩(wěn)性能評(píng)價(jià)為主，評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有三項(xiàng)：第一項(xiàng)，關(guān)閉ESP，在圓廣場(chǎng)以80km/h速度圍繞半徑30m的圓行駛，并進(jìn)行不同程度的制動(dòng)（車輪抱死前），判斷制動(dòng)過程中車輛的控制性，是否有過度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)（break in turn）；第二項(xiàng)，關(guān)閉ABS，在干瀝青路（附著系數(shù)0.75） 以100km/h行駛速度進(jìn)行0.6g減速度的制動(dòng)以及在濕水泥路（附著系數(shù)0.4）以80km/h行駛速度進(jìn)行0.4g減速度的制動(dòng)，判斷車輛在高低附路面高速行駛時(shí)，中等強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)的行駛穩(wěn)定性；第三項(xiàng)，開啟ABS，在濕對(duì)開路（濕瀝青/濕花崗巖，附著系數(shù)0.45/0.25）以100km/h行駛速度進(jìn)行緊急制動(dòng)，判斷制動(dòng)過程中車輛的行駛穩(wěn)定性以及行駛方向的控制性。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

A車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時(shí)路、斜鋼索路、單邊過減速坎等，無明顯轉(zhuǎn)向干擾；過扭曲路，方向盤擺動(dòng)幅度較大，但回饋力矩較弱，無明顯打手情況，保持轉(zhuǎn)向方向非常容易；在綜合路段上，行經(jīng)車轍及坑洼，無明顯車輪側(cè)向干擾造成的轉(zhuǎn)向干擾；（2）圍繞半徑30m圓進(jìn)行繞圓行駛，在不同制動(dòng)強(qiáng)度制動(dòng)時(shí)（車輪抱死前）車輛狀態(tài)穩(wěn)定，無過度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動(dòng)車輛時(shí)，方向盤無明顯扭力轉(zhuǎn)向，保持方向非常容易；（4）在高低附路面及濕對(duì)開路面進(jìn)行直線行駛緊急制動(dòng)時(shí)，車輛穩(wěn)定性保持較好。

B車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時(shí)路無明顯轉(zhuǎn)向干擾，但斜鋼索路、單邊過減速坎時(shí)出現(xiàn)較明顯轉(zhuǎn)向干擾，轉(zhuǎn)向打手回饋力相對(duì)A較強(qiáng)，但仍能較容易控制方向盤；扭曲路評(píng)測(cè)時(shí)，方向盤擺動(dòng)幅度更大，回饋力矩明顯加強(qiáng)，相對(duì)A需要更大手力保持方向盤穩(wěn)定；在綜合路段上，行經(jīng)車轍及坑洼，車輪側(cè)向干擾較明顯，需要一定力維持方向盤；（2）進(jìn)行半徑30m繞圓制動(dòng)評(píng)估，各程度制動(dòng)時(shí)（車輪抱死前）車輛穩(wěn)定性一般，出現(xiàn)輕微過度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，但未過度轉(zhuǎn)向；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動(dòng)車輛時(shí)，方向盤扭力反饋較A無明顯變化，行駛方向非常容易控制；（4）在高低附路面制動(dòng)時(shí)車輛較穩(wěn)定，濕對(duì)開路面制動(dòng)出現(xiàn)輕微跑偏，但較易控制。

C車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時(shí)路轉(zhuǎn)向干擾輕微，在斜鋼索路、單邊過減速坎時(shí)較B出現(xiàn)更明顯方向盤打手；過扭曲路，相對(duì)B力矩回饋更強(qiáng)，需要更大手力來保持方向盤穩(wěn)定；行經(jīng)車轍和坑洼路面時(shí)，車輪側(cè)向力干擾明顯，相對(duì)B需要更多手力來保持行駛方向穩(wěn)定；（2）繞圓行駛，進(jìn)行不同程度制動(dòng)時(shí)（車輪抱死前）車輛開始略有失穩(wěn)，已經(jīng)出現(xiàn)輕微過度轉(zhuǎn)向；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動(dòng)車輛時(shí)，轉(zhuǎn)向手力較B無明顯區(qū)別，能很容易保持行駛方向；（4）高低附路面制動(dòng)時(shí)，車輛出現(xiàn)跑偏趨勢(shì)，濕對(duì)開路面制動(dòng)出現(xiàn)較B更明顯橫擺角速度響應(yīng)，需要輸入較大的方向盤轉(zhuǎn)角來控制車身的穩(wěn)定性。

D車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時(shí)路較C有更明顯的轉(zhuǎn)向干擾，斜鋼索路、單邊過減速坎、扭曲路時(shí)方向盤擺動(dòng)幅度非常大，較C力矩回饋更大，較難控制方向盤的穩(wěn)定；通過車轍或坑洼路面時(shí)，車輪側(cè)向力干擾相對(duì)C更明顯；（2）圓廣場(chǎng)進(jìn)行不同程度轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)（車輪未抱死）車輛已經(jīng)明顯失穩(wěn)，過度轉(zhuǎn)向較C更加明顯，但還能較輕松控制車輛不失控；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動(dòng)車輛時(shí)，方向盤能很容易保持住方向，其扭力反饋與A、B、C三種狀態(tài)的表現(xiàn)無明顯差異；（4）高低附路面制動(dòng)時(shí)，車輛跑偏趨勢(shì)與C狀態(tài)趨同，但在濕對(duì)開路面制動(dòng)時(shí)車輛明顯跑偏，橫擺角較大，已經(jīng)較難保持車輛行駛的穩(wěn)定性。

2.3 主觀評(píng)價(jià)結(jié)論

在整車其他基礎(chǔ)參數(shù)不變的情況下，調(diào)整車輪偏距，在方向盤轉(zhuǎn)角為90o啟動(dòng)加速時(shí)的轉(zhuǎn)向性能影響不大，但在不規(guī)則特征路面上（扭曲路、坑洼、單邊過減速坎等）對(duì)方向盤轉(zhuǎn)向干擾影響較大，尤其當(dāng)偏距調(diào)整到30.8mm時(shí)，已經(jīng)較難控制路面對(duì)方向盤的轉(zhuǎn)向干擾；隨著偏距的減小，彎道制動(dòng)時(shí)車輛的穩(wěn)定性越來越差，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)；偏距調(diào)整對(duì)車輛在高低附路面高速情況下制動(dòng)穩(wěn)定性影響較輕微，但對(duì)濕對(duì)開路面上的高速緊急制動(dòng)穩(wěn)定性影響是明顯的，當(dāng)偏距為29.3mm，車輛已經(jīng)出現(xiàn)不易控的跑偏，表現(xiàn)出較嚴(yán)重的行駛安全缺陷。

3 客觀測(cè)試分析

在主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)工程開發(fā)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)方向盤在90o轉(zhuǎn)角時(shí)加速啟動(dòng)、高低附路面中等強(qiáng)度制動(dòng)以及濕對(duì)開路面緊急制動(dòng)的轉(zhuǎn)向操穩(wěn)特征量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步來量化表征車輪偏距的變化對(duì)車輛轉(zhuǎn)向操穩(wěn)特性的影響。測(cè)試采用數(shù)據(jù)采集儀、測(cè)力方向盤以及非接觸式光學(xué)傳感器等設(shè)備（圖6所示）。

圖6 客觀測(cè)試設(shè)備

3.1 轉(zhuǎn)彎加速啟動(dòng)

測(cè)試主要分析從靜止到加速啟動(dòng)瞬間方向盤力矩突變峰值的大小，該特征值越大說明轉(zhuǎn)彎加速啟動(dòng)瞬間方向盤控制越困難。為了進(jìn)一步細(xì)化表征不同車輪偏距下特征值，將在兩種動(dòng)力模式下（經(jīng)濟(jì)和運(yùn)動(dòng)）分別按前軸軸荷差異20kg、30kg和40kg進(jìn)行測(cè)試。

3.1.1 測(cè)試結(jié)果與分析

方向盤向左或向右轉(zhuǎn)90o，從靜止全油門加速車輛，當(dāng)車速達(dá)到5kph～15kph時(shí)，方向盤力矩會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)車輪偏距不同工況下的轉(zhuǎn)向加速啟動(dòng)力矩特征曲線（如圖7）提取的峰值力矩值來對(duì)比分析不同偏距對(duì)車輛加速啟動(dòng)的影響。每種工況各進(jìn)行三次有效試驗(yàn)，取三次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果如表2。從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，無論動(dòng)力模式是ECO還是Sport，以及前軸左右軸荷差異從20kg到40kg，車輪偏距從45mm減小到29.3mm時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩都無明顯變化。

圖7 啟動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩特征曲線

表2 不同車輪偏距轉(zhuǎn)彎啟動(dòng)轉(zhuǎn)向力矩測(cè)試結(jié)果

3.2 高低附路面中等強(qiáng)度制動(dòng)

測(cè)試提取方向盤修正角度峰值和側(cè)向加速度峰值作為衡量車輛在中等強(qiáng)度制動(dòng)過程中的行駛穩(wěn)定性的特征值，特征值越大說明車輛制動(dòng)時(shí)行駛穩(wěn)定性越差。分別以前軸左右軸荷差異20kg、30kg和40kg三種工況進(jìn)行測(cè)試分析。

3.2.1 高附路面制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

車輛以100km/h為行駛初速度，以在0.15s內(nèi)達(dá)到0.6g制動(dòng)減速度進(jìn)行制動(dòng)，提取方向盤修正角度時(shí)間歷程曲線以及側(cè)向加速度時(shí)間歷程曲線中的峰值點(diǎn)（圖8）來對(duì)比分析高附制動(dòng)時(shí)不同車輪偏矩對(duì)車輛制動(dòng)行駛穩(wěn)定性的影響。

圖8 高附路面制動(dòng)行駛性能特征曲線

每種工況各進(jìn)行三次有效試驗(yàn)，取三次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，如表3所示。高附制動(dòng)時(shí)，車輛偏距由45mm調(diào)整到29.3mm，前軸軸荷差由20kg增大到40kg時(shí)，方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值和側(cè)向加速度峰值有增大趨勢(shì)，但增大量較小，整體來說，偏距調(diào)整對(duì)車輛高附路面制動(dòng)行駛穩(wěn)定性影響較小。

表3 不同車輪偏距高附制動(dòng)方向盤修正角度峰值及側(cè)向加速度峰值測(cè)試結(jié)果

3.2.2 低附路面制動(dòng)測(cè)試結(jié)果及分析

車輛以80km/h為行駛初速度，以在0.15s內(nèi)達(dá)到0.4g制動(dòng)減速度進(jìn)行制動(dòng)，提取方向盤修正角度時(shí)間歷程曲線以及側(cè)向加速度時(shí)間歷程曲線中的峰值點(diǎn)（圖9）來對(duì)比分析低附制動(dòng)時(shí)不同車輪偏矩對(duì)車輛制動(dòng)行駛穩(wěn)定性的影響。

圖9 低附路面制動(dòng)行駛性能特征曲線

每種工況各進(jìn)行三次有效試驗(yàn)，取三次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果如表4所示。低附制動(dòng)時(shí)，方向盤修正角度、側(cè)向加速度大小整體上處于較小范圍，雖然車輛偏距由45mm調(diào)整到29.3mm，前軸軸荷差由20kg增大到40kg時(shí)，方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值和側(cè)向加速度峰值有增大趨勢(shì)，所以偏距調(diào)整對(duì)車輛低附路面制動(dòng)行駛穩(wěn)定性有一定的影響。

表4 不同車輪偏距低附制動(dòng)方向盤修正角度峰值及側(cè)向加速度峰值測(cè)試結(jié)果

3.3 濕對(duì)開路面制動(dòng)

車輛以100km/h的初速度在濕對(duì)開路面進(jìn)行緊急制動(dòng)（觸發(fā)ABS），由于左右車輪路面附著系數(shù)不同，左右車輪地面制動(dòng)力差異較大，在進(jìn)入制動(dòng)初始階段，車輛總會(huì)有向某個(gè)方向跑偏的趨勢(shì)，期間需要通過不斷修正方向盤轉(zhuǎn)角來保持車輛直線行駛軌跡，方向盤修正角度越大，說明車輛跑偏越嚴(yán)重，制動(dòng)穩(wěn)定性越差。

3.3.1 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)四種車輪偏距的工況測(cè)試時(shí)，記錄制動(dòng)過程中方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)間歷程曲線，從曲線中提取方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值以及方向盤轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)值作為評(píng)價(jià)不同偏距的車輛在濕對(duì)開路面制動(dòng)的行駛穩(wěn)定性以及保持直線行駛的難易程度。圖10為方向盤轉(zhuǎn)角特征曲線及特征值提取示意，對(duì)三次有效試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果取平均，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。車輛偏距從45mm調(diào)整到29.3mm，方向盤修正轉(zhuǎn)角增大趨勢(shì)明顯，增大幅值大約25%，說明濕對(duì)開路面進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，隨著車輪偏距的減小，為了維持車輛正常行駛所需要的方向盤修正轉(zhuǎn)角越大，即車輛的行駛穩(wěn)定性隨著車輪偏距的減小而逐漸降低。

圖10 濕對(duì)開路面制動(dòng)行駛性能特征曲線

表5 不同車輪偏距濕對(duì)開路制動(dòng)方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值及穩(wěn)態(tài)值測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）當(dāng)車輛其他基礎(chǔ)參數(shù)不變時(shí)，對(duì)不同車輪偏距車輛轉(zhuǎn)向特性、制動(dòng)操控穩(wěn)定性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，當(dāng)車輛從基準(zhǔn)車輪偏距45mm逐漸降低到29.3mm時(shí)，車輛轉(zhuǎn)向干擾、操穩(wěn)特性都出現(xiàn)較明顯的衰減。

（2）結(jié)合主觀評(píng)價(jià)，利用客觀測(cè)試設(shè)備，對(duì)不同車輪偏距下的車輛行駛性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致。車輪偏距減小對(duì)轉(zhuǎn)彎加速啟動(dòng)的轉(zhuǎn)向特性影響很小，但對(duì)制動(dòng)行駛穩(wěn)定性影響較大，隨著車輪偏距的減小，制動(dòng)行駛穩(wěn)定性隨之降低。