K&C特性對整車不足轉向影響研究

黃迪青，徐霖，景晶

上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201800

0 引言

K&C特性即K(kinematic)特性和C(compliance) 特性。K特性即懸架運動學特性[1]，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。C特性即懸架彈性運動學特性[2]，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。

車輛不足轉向特性受懸架K&C特性、輪胎力學特性等影響[3-5]。本文通過對比分析的方法，針對相同輪胎的同一車型不同懸架類型的兩款車(麥弗遜-扭力梁和麥弗遜-多連桿)進行試驗，分析K&C特性對不足轉向的影響，并將K&C試驗結果導入Carsim軟件進行對比驗證。

1 底盤懸架K&C試驗

1.1 K&C試驗

K&C試驗的主要目的是研究車輛的操縱穩定性。操縱穩定性指汽車能按照駕駛員通過轉向系及轉向車輪給定的方向(直線或轉彎)行駛，且當受到外界干擾(路不平、側風、貨物或乘客偏載)時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的性能。車輛的操縱穩定性需要考慮到車輛的垂向、側向、縱向、橫擺、俯仰、側傾運動學。

1.2 不足轉向特性

不足轉向示意如圖1所示。

圖1 不足轉向示意

由圖1可知，不足轉向有利于操縱穩定性，轉向盤保持一個固定轉角不變，緩慢加速或以不同車速等速行駛時，不足轉向的汽車轉向半徑逐漸增大，中性轉向的汽車轉向半徑不變，而過度轉向的汽車轉向半徑逐漸減小。極限狀態下，不足轉向的車輛前軸相對于后軸先發生側滑(失去附著力)，即車輛在極限狀態下先發生“推頭”而不是“甩尾”。

2 試驗結果分析

2.1 輪跳工況對不足轉向的影響

不考慮側向力，汽車在轉彎過程中，由于質心受到離心作用，車身發生側傾，左右輪載荷發生轉移。外側車輪載荷增加，車輪懸架壓縮，外側車輪上跳。內側車輪載荷減少，車輪懸架拉升，內側車輪下跳。K&C試驗中側傾工況下的載荷變化曲線如圖2所示。

圖2 K&C試驗中側傾工況下的載荷變化曲線

輪跳工況時前懸外側車輪上跳，前束角產生負變化；內側車輪下跳，前束角正變化。內外側兩輪的前束角變化皆導致轉向輪回轉，即可發生不足轉向，有利于操縱穩定性。后懸同理，后懸外側車輪上跳，前束角產生正變化；內側輪下跳，前束角負變化，同樣發生不足轉向。如圖3所示，實線為不發生前束角變化，虛線為發生前束角變化的情況。由圖可知，前外輪上跳前束角呈負變化，前內輪下跳前束角呈正變化，后外輪上跳前束角呈正變化，后內輪下跳前束角呈負變化，四輪皆有利于不足轉向。輪跳工況下的兩試驗車前束角度的變化曲線如圖4所示，可以看到曲線1車型后軸前束梯度更大更有利于不足轉向。

圖3 前束角變化示意

圖4 輪跳工況下的兩試驗車前束角的變化曲線

為了保證操縱穩定性，有利于不足轉向，需要前后軸的外傾角變化上跳趨近于負外傾變化，且后軸相對于前軸外傾變化趨勢更大。在前后軸側傾角相同的前提下，后軸更大的負外傾變化會使車輪與地面的接觸面積更大，從而后軸的等效側偏剛度也就越大，側偏角越小，對不足轉向越有利。輪跳工況下的兩試驗車外傾角的變化曲線如圖5所示，可以看到曲線1車型后軸外傾角梯度更大更有利于不足轉向。

圖5 輪跳工況下的兩試驗車外傾角的變化曲線

2.2 側向力工況對不足轉向的影響

K&C試驗的側向力主要是車輛在轉向過程中由于車身橫擺，車身的離心力對應的4個輪胎受到的側向力。為了有利于不足轉向增加操縱穩定性，需要受側向力時外側前車輪前束角負變化，內側前車輪前束角正變化，外側后車輪前束角正變化，內側后車輪前束角負變化。側向力工況下的兩試驗車前束角的變化曲線如圖6所示，可以看到曲線1車型不足轉向性顯著優于曲線2車型。

圖6 側向力工況下的兩試驗車前束角的變化曲線

外傾變化影響比較大的還是側向力工況。轉彎時，側向力隨著轉向強度的增大而增大。為增加不足轉向，外側車輪的外傾角變化趨近于正外傾變化，內側車輪外傾角變化趨近于負外傾變化，且后軸相對于前軸外傾變化趨勢更大。后軸變化趨勢大于前軸，保證后輪的側向力受外傾影響而減小的量大于前輪，提高不足轉向性。側向力工況下的兩試驗車外傾角的變化曲線如圖7所示，兩車皆符合不足轉向趨勢，曲線1車型梯度稍大更有利于不足轉向。

圖7 側向力工況下的兩試驗車外傾角的變化曲線

2.3 回正力矩工況對不足轉向的影響

K&C試驗的回正力矩為車輛轉向過程時由于側向力不是作用于主銷接地點，側向力對車輪產生的回正力矩，如圖8所示。圖中主銷接地點與車輪接地點之間的偏移即為報告中的主銷拖距，皆為正值即主銷接地點在車輪接地點前。當汽車轉彎時，由于離心力的作用，地面對車輪的側向反力作用于車輪接地點，由于主銷拖距導致側向力作用點在主銷接地點的后面，使車輪有一個回正力矩，車輪有自動回正的趨勢，如圖9所示。

圖8 主銷示意

圖9 回正力矩示意

為了有利于不足轉向增加操縱穩定性，需要受回正力矩時外側前車輪前束角負變化，內側前車輪前束角正變化。回正力矩工況下的兩試驗車前束角的變化曲線如圖10所示，兩車皆符合不足轉向趨勢，曲線1車型梯度稍大更有利于不足轉向。

圖10 回正力矩工況下的兩試驗車前束角的變化曲線

2.4 縱向力工況對不足轉向的影響

K&C試驗中的縱向力為制動力及驅動力。為了增加操縱穩定性，需要牽引力(縱向力向前)時前輪前束角正變化，后輪前束角負變化。制動不平衡前束角中和趨勢示意如圖11所示。在行駛過程中，兩個前輪受到的制動力分別為FbL及FbR，當左前輪受到的制動力大于右前輪，車輛由于左右制動力不平衡產生橫擺力矩，發生左偏轉的趨勢。而制動力引起的前束角正變化趨勢，產生反向橫擺力矩將中和此偏轉趨勢，提高了車輛操縱穩定性。驅動力不平衡前束角中和趨勢示意如圖12所示，所引起的前束角負變化趨勢同樣中和了驅動力不平衡所產生的橫擺力矩，提高了操縱穩定性。諸多車輛皆參照此設計，縱向力工況下的兩試驗車前束角的變化曲線(提高操縱穩定性)如圖13所示。

圖11 制動力不平衡前束角中和趨勢示意

圖12 驅動力不平衡前束角中和趨勢示意

圖13 縱向力工況下的兩試驗車前束角的變化曲線(提高操縱穩定性)

縱向力工況下的兩試驗車前束角的變化曲線(提高直線行駛穩定性)如圖14所示。由圖可知，前后軸皆犧牲了一定的不足轉向特性，從而保證直線行駛穩定性。促使制動力(縱向力向后)時前輪前束角呈正變化，后輪前束角呈負變化。

圖14 縱向力工況下的兩試驗車前束角的變化曲線(提高直線行駛穩定性)

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

將兩輛試驗車輛以K&C試驗相同的車況進行客觀試驗。以70、50 km/h的車速勻速過彎，采集車輪支架以及上連接點的側向加速度，傳感器布點如圖15和圖16所示。

圖15 車輪支架傳感器布點

圖16 上連接點傳感器布點

3.2 試驗結果

車輪支架前后軸側向加速度對比如圖17所示，車輪支架不同車速后軸側向加速度對比如圖18所示，上連接點前后軸側向加速度對比如圖19所示,上連接點后軸側向加速度對比如圖20所示。由圖17至圖20可以看到，車輪支架及上連接點的前軸側向加速度接近，而后軸為扭力梁的試驗車的側向加速度顯著大于多連桿車輛，同時車速越大側向加速度越大。車輛過彎時后軸側向加速度越大，越不利于不足轉向，降低了操縱穩定性，與K&C試驗結果一致。

圖17 車輪支架前后軸側向加速度對比

圖18 車輪支架不同車速后軸側向加速度對比

圖19 上連接點前后軸側向加速度對比

圖20 上連接點后軸側向加速度對比

4 仿真分析

將K&C試驗結果生成Par文件并導入Carsim中進行仿真，結果如圖21所示。多連桿懸架車輛不足轉向性優于扭力梁懸架車輛，操縱穩定性更高，與試驗分析結果一致。

5 結束語

本文通過K&C試驗，探究整車不足轉向的規律及對操縱穩定性的影響。通過客觀實驗分析各情況下側向加速度的影響與K&C試驗結果進行對比。基于Carsim對試驗車的操縱穩定性進行仿真。仿真分析表明：多連桿懸架車輛不足轉向性能優于扭力梁懸架車輛，操縱穩定性更高，與試驗分析結果一致。