基于ADAMS的汽車跑偏影響因素分析

彭濤楊志強李亭唐俊車綿劉建文

（1.天津一汽夏利汽車股份有限公司產品開發中心；2.泛亞汽車技術中心有限公司；3.中國汽車工程研究院股份有限公司）

GB 7258《機動車運行安全技術條件》中明確規定，機動車應具有穩定的直線行駛能力[1]。這不僅要求汽車在轉向或側向風干擾時能夠主動回正，而且要求在轉向回正后能夠自行保持直線行駛。然而，當前市場反饋的汽車跑偏問題屢見不鮮，汽車跑偏成為影響汽車性能水平和品質的重要方面，也是關乎人們生命和財產安全的重大隱患。文章從力學和運動學角度深入探討相關因素對汽車跑偏的影響機理，并基于車輛ADAMS動力學模型，對車輪外傾、前束、主銷后傾、主銷內傾、簧載質量及制動力等參數對汽車跑偏的靈敏度進行了分析。對于從根本上解決跑偏問題，預防和減少因汽車跑偏引起的交通事故的發生具有重要意義。

1 汽車跑偏定義及評判標準

1.1 汽車跑偏定義

汽車跑偏分為行駛跑偏和制動跑偏2種典型情況，是汽車使用過程中一種較常見的故障。行駛跑偏是指汽車在正常平坦路面上直線行駛時，駕駛員將方向盤自由地置于中間位置，而汽車自行向左或向右偏離汽車縱軸線方向的現象。汽車行駛跑偏是汽車使用過程中一種較常見的故障。制動跑偏是當駕駛員采取制動措施時，由于左側和右側車輪制動力不平衡導致汽車自行向左或向右偏離汽車縱軸線方向的現象。汽車跑偏時均伴隨著方向盤自行向左或向右轉動現象。當汽車行駛或制動跑偏時，方向盤會有規律地向左或向右轉動，此時駕駛員需要在方向盤上施加一個矯正力以保證方向盤和前輪處于直線行駛狀態，這會增加駕駛員操縱負擔，容易使駕駛員疲勞，并且由于直線行駛時車輪始終存在轉向趨勢，導致轉向系統部件和輪胎磨損加快，長此以往會進一步造成側滑現象，從而很容易導致交通事故的發生。

1.2 汽車跑偏評判標準

工程實際中無法保證汽車完全對稱，并且存在制造和裝配誤差，因此幾乎所有車輛都存在跑偏現象，只是跑偏程度有大小之分，因此需要有相關標準作為評判汽車跑偏的依據。

對于汽車行駛跑偏的評判，業內普遍認可低速和高速2種標準，如不滿足該標準要求可視作跑偏，相關情況，如表1所示。

表1 汽車行駛跑偏評判標準

對于汽車制動跑偏的評判，根據文獻[1]中的規定：制動過程中機動車的任何部位（不計入車寬的部位除外）不超出規定寬度的試驗通道的邊緣線。對于普通乘用車，其評判標準為汽車以50 km/h初速度開始制動后，汽車任何部位不超出2.5 m的跑道，因此汽車制動跑偏評判標準是根據汽車整體與跑道相對位置定義的，與汽車寬度有較大關系[1]。

2 汽車跑偏影響因素分析

汽車跑偏是一個系統性問題。常見的引起汽車跑偏的原因主要包括四輪定位參數匹配不當、汽車載荷分配不均、零部件設計和制造缺陷、裝配不當、輪胎胎壓及動不平衡、道路不平坦及附著系數不均勻等[2-3]。汽車跑偏的直接原因是系統本身運動和受力的不對稱性，從這個角度講，四輪定位參數匹配、簧載質量和車輪受力分配是最直接的影響因素，因此重點對這些因素進行分析[4]。

2.1 外傾角

外傾角是通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與汽車縱向平面的夾角。車輪外傾角可防止發生車橋因承載變形而出現的車輪內傾現象，減小車輪磨損。

如圖1所示，車輪外傾會產生滾錐效應，如果車輪左右兩側外傾角相等（αl=αr），此時外傾角差值為0，則車輪左右兩側處于平衡狀態，不發生轉向；當兩者不相等時，左右兩側會呈現失衡狀態。當右側車輪外傾角大于左側時（αr＞αl），右側車輪接觸點與車輪形成滾錐頂點O的距離（rr）小于左側車輪接觸點與車輪形成滾錐頂點O′的距離（rl），此時在左右兩側車輪縱向位移相同的情況下，右側車輪繞O轉動的角度必定大于左側車輪繞O′轉動的角度，即右側車輪向右轉動趨勢明顯，因此整車會呈現右偏現象。

2.2 前束角

前束角是通過車輪中心的車輪平面和xy平面的交線與汽車縱向平面的夾角。車輪前束可避免外傾導致的車輪向外滾動和滑動的現象發生，并消除輪胎磨損產生的不良后果。

如果車輪左右兩側前束角相等，此時前束角差值為0，則前束角形成的車輪轉角為0，汽車不發生轉向；一旦兩者不相等，則左右兩側車輪的轉向運動就會失衡，此時汽車會發生向左或右轉向的現象。圖2示出車輪在左右前束角不等時的運動狀態，圖2中利用前束差將汽車簡化為單軌模型。由此分析，當前輪左右兩側前束差為正值時，汽車轉向中心點在右側，汽車有向右的轉向趨勢，反之當前輪前束差為負值時，汽車有向左的轉向趨勢；當后輪前束差為正值時，汽車轉向中心點在左側，汽車有向左的轉向趨勢，反之當后輪前束差為負值時，汽車有向右的轉向趨勢。

2.3 主銷內傾角

主銷內傾角是指在汽車橫向平面內，主銷軸線與地面垂直線的夾角。轉向輪接地點與轉向主銷軸延長線和地面的交點之間的橫向距離為主銷偏距，主銷偏距與車輪縱向力產生使車輪發生偏轉的力矩。一般非獨立懸架不存在實際的主銷，但可利用轉向運動幾何關系確定虛擬主銷，例如典型麥弗遜懸架的主銷是減振器上支點與前擺臂外點的連線。

一般情況下，當左右車輪主銷內傾角相等時，主銷偏距亦相等，左右兩側車輪縱向力分別產生大小相等、方向相反的力矩，此時車輪能保持直線行駛。在主銷內傾角不相等的情況下，車輪易產生不平衡的偏轉力矩，導致汽車跑偏。

2.4 主銷后傾角

主銷后傾角為汽車縱向平面內，主銷軸線與地面垂直線的夾角。轉向主銷軸延長線和地面的交點與轉向輪接地點之間的縱向距離為主銷后傾拖距。車輪側向力與主銷后傾拖距會產生使車輪沿主銷偏轉的力矩。如果左右車輪主銷后傾角不一致，則側向力產生的主銷回正力矩不相等，這種情況下易發生車輪轉向失衡，導致車輪跑偏。

2.5 簧載質量

簧載質量對跑偏的影響主要是由于左右兩側減振器通過轉向節對轉向器兩端施加的不平衡力造成的。如圖3所示，簧載質量對左右兩側減振器施加作用力F在汽車橫向平面內分別產生Fsinφ的分力（φ為減振器與汽車縱向平面的夾角），該作用力會對轉向拉桿左右兩側分別產生方向相反、大小為Fdsinφ的作用力矩（d為作用力臂），該力矩對轉向橫拉桿產生向內的推動作用。顯然，當左右兩側簧載質量相等時，轉向橫拉桿作用力矩平衡，轉向器不會帶動方向盤轉動；反之，當左右兩側簧載質量不相等時，轉向橫拉桿作用力矩失衡，并向簧載質量較小的一側運動，此時轉向器會帶動方向盤反向轉動，導致汽車跑偏。

2.6 車輪縱向力

車輪縱向力對汽車跑偏的影響實際上是分析車輪縱向力對質心作用力矩的平衡問題，它是保證汽車直線行駛的重要方面，所以應盡量使4個車輪上的力對質心的作用力矩平衡。簧載質量不平衡會造成車輪垂直方向受力不均，從而導致輪胎的滾動阻力不平衡并對質心產生橫擺力矩，但由于正常情況下輪胎的滾動阻力較小，橫擺力矩相對較小，因此這種情況一般不會引起汽車跑偏。同樣，如果汽車左右兩側車輪驅動力或制動力不均衡、胎壓不等、附著系數不一致或道路有橫向坡度，甚至零部件裝配導致的受力不均等都可能會引起質心橫擺增大，導致汽車跑偏，橫擺力矩的方向決定汽車的跑偏方向。

3 汽車跑偏ADAMS仿真分析

3.1 整車ADAMS建模及驗證

以某型號乘用車為研究對象，利用ADAMS/Car建立整車多體動力學模型[5]。整車模型，如圖4所示，主要包括麥弗遜式前懸架、雙橫臂式獨立后懸架、動力總成系統、轉向系統、制動系統和輪胎等。

因模型驗證是仿真分析的重要方面，故依據GB/T 6323.1-94《汽車操縱穩定性試驗方法-蛇形試驗方法》驗證模型正確性[6]。試驗時汽車行駛速度和方向盤轉角隨時間變化曲線，如圖5所示；同樣條件下測試得到的汽車行駛軌跡與ADAMS仿真結果對比情況，如圖6所示。

由圖5和圖6可見，相同條件下，利用ADAMS建立的多體動力學模型仿真得到的汽車行駛軌跡與實車測試結果具有較好的一致性，誤差在5%以內。因此可認為仿真模型具有較高的可信性，可作為下一步研究的依據。

3.2 ADAMS仿真分析

利用整車ADAMS模型仿真不同條件下汽車跑偏情況。仿真工況定義為：汽車在平坦、干燥路面（附著系數 0.7）上直線行駛，速度為 80 km/h，距離為 100 m，定義汽車向右跑偏為正方向；制動時汽車行駛速度為50 km/h。相關因素對汽車跑偏的影響，如圖7所示。

圖7中涉及的差值均定義左側大于右側為正，反之為負。由圖7可見，四輪定位參數、簧載質量和制動力的不對稱導致了汽車跑偏，汽車跑偏量隨相關參數基本呈線性變化趨勢，并且前束差變化對汽車跑偏量影響較大，簧載質量影響相對較小；從汽車跑偏的方向規律看，汽車向外傾角、簧載質量和制動力較大的一側跑偏，而向前束、主銷內傾和主銷后傾較小的一側跑偏，這與前述分析一致。單純對比四輪定位對汽車跑偏的影響，不同參數的靈敏度，如圖8所示。

由圖8可知，相比較而言，車輪前束差對汽車跑偏影響最大，貢獻量接近80%，應在汽車制造過程中重點控制；其次，外傾角也是影響跑偏的重要因素；主銷內傾角和主銷后傾角影響雖然相對較小，但卻是影響汽車轉向回正性能的重要參數，也應合理設計和重點控制。

4 結論

文章建立了包含麥弗遜式前懸架、雙橫臂式獨立后懸架、動力總成系統、轉向系統、制動系統和輪胎總成的ADAMS模型并通過實際試驗驗證了模型的準確性，為后續對汽車跑偏和動力學性能分析提供了可靠依據。文章利用ADAMS仿真分析了車輪外傾、前束、主銷后傾、主銷內傾、簧載質量以及縱向力對汽車跑偏的影響，總結了汽車跑偏量隨相關因素的變化規律。通過靈敏度分析區分了影響汽車跑偏的主次因素，深化了對汽車跑偏現象的理解和認識，為汽車設計和制造中如何避免和改善汽車跑偏問題提供了參考。