汽車穩態回轉前輪離地分析

劉 洋，全 勇

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

在進行穩態回轉試驗時，當車速達到一定值時，部分試驗車會出現內側前輪離開地面的現象，由于該現象不出現在駕駛者視野內，使得駕駛者無法看到，但是車箱側傾角的非線性急劇變化會給駕駛者一種極其不安全的駕駛體驗，降低駕駛舒適型，單側車輪著地會造成輪胎的不正常磨損，若在高速公路上進行緊急變道也會產生很大的安全隱患，容易造成重大交通事故。本文主要對穩態回轉試驗時前輪內側車輪離地現象進行分析，找出產生該現象的主要原因，制定相應的改善措施，避免該現象的出現。

1　穩態回轉試驗前輪離地現象及評價

穩態回轉試驗前輪離地現象是指按《GBT 6323-2014汽車操縱穩定性試驗方法》中附錄D的定轉彎半徑法[1]進行穩態回轉試驗時，當車速達到一定值時，內側前輪開始離開地面（如圖1）。隨著車速繼續升高，離地距離也越來越大，直至達到輪胎的附著極限，車速達到最大。穩態回轉試驗的評價標準有《QCT 480-1999汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》，評價指標為側向加速度值、不足轉向度、車箱側傾度[2]。而前輪離地現象都無法很直觀的體現在這三項指標中，即使出現前輪離地現象，按評價標準進行評價，最終的總評價記分值依然遠遠大于60分，滿足該評價標準。因此該現象主要靠有經驗的評價人員通過對駕駛安全性的主觀感受來進行評價。

圖1　前輪離地現象

2　主要原因

首先分析車輛的穩態回轉試驗數據中的側傾角-側向加速度變化曲線，如圖2所示，從數據中可以看出，當側向加速度增大到一定值時，大約0.65 g，車箱側傾角的變化斜率開始明顯增大，這也與觀察到的內側前輪離地現象相吻合。

圖2　側傾角-側向角速度

如圖3所示，從KC數據中可以看出，前懸架側傾角剛度為1 829 N·m/deg，后懸架側傾角剛度為564.9 N·m/deg，前懸架側傾角剛度大約是后懸架的3.2倍。

圖3　前、后懸架側傾角剛度的KC試驗數據

對乘用車，前、后懸架側傾角剛度的比值一般為1.4～2.6[3]，表1示出一些國外轎車前、后懸架的側傾角剛度值。而前、后側傾角剛度又會影響前、后側傾力矩的分配，因此前、后側傾角剛度的不匹配是造成穩態回轉試驗內側前輪離地現象的主要原因。

表1　一些國外轎車前、后懸架的側傾角剛度值[4]

3　原因分析

根據以上分析結果，主要從以下兩個方面來分析車輛側傾時，側傾角剛度對車輪垂向力的影響。

3.1　側傾時側傾力矩的前、后分配

汽車進行穩態轉向行使時，相對于懸架變形而言，車箱變形可忽略不計，因此整車只有一個側傾角φ，前、后懸架承受的側傾力矩分別為 Tf、Tr，前、后側傾角剛度分別為 Cf、Cr，則有：

所以，在前、后懸架上所分配的側傾力矩與其側傾角剛度成正比。對于該試驗車，前懸架承受的側傾力矩約是后懸架的3.2倍，即總側傾力矩的76%，這個占比是比較大的。

3.2　側傾時垂直載荷在左、右輪上的重新分配

如圖4，在正常工作狀態下，汽車左、右車輪的垂直載荷大體上是相等的，但曲線行駛時，由于側傾力矩的作用，垂直載荷在左、右車輪上是不相等的，而作用于車輪的垂直載荷的大小等于地面對車輪的垂直反作用力的大小。

圖4　靜止時和側傾時車輪垂向受力簡化模型

穩態回轉試驗時，車輛處于穩態，對前軸進行受力分析，根據力矩平衡：

要使內側前輪不離地，需FfR2≥0，根據公式（1）和公式（2）可得：

對于該試驗車，右前輪的輪荷為518 kg，前輪距為 1.525 m，根據 KC試驗數據知道 Cf=1 829 N·m/deg.在不考慮懸掛質量質心偏移以及非懸掛質量的離心力引起的側傾力矩的情況下，要使內側前輪不離地：φ≤（518× 9.8× 1.525/1829）deg=4.23 deg.也就是說，側傾角φ大于4.23 deg時，內側前輪離地。這與從側傾角-側向角速度變化曲線中觀察到的是大致吻合的。

4　原因確認

將前懸架的橫向穩定桿拆除，前懸架的側傾角剛度大幅下降，重新進行穩態回轉試驗，如圖5所示。該試驗車為后驅車型，發現在極限狀態時，因為后驅動橋差速器的原因，內側后輪出現打滑，內側前輪未出現離地現象。因此進一步確認內側前輪離地的主要原因為前、后側傾角剛度不匹配，前軸側傾角剛度過大，后軸側傾角剛度過小。

圖5　拆除前橫向穩定桿后的穩態回轉試驗

5　解決方案

了解穩態回轉試驗內側前輪離地的主要原因后，比較容易針對性的采用不同的對策。影響側傾角剛度的因素有很多，在不考慮橡膠襯套的影響時，根據不同的懸架結構，影響因素也有一些區別，本文根據實際經驗及研究成果，針對前麥弗遜式獨立懸架，后縱置鋼板彈簧非獨立懸架的車型，給出以下解決措施（見表1），其他懸架結構形式的車型也可以類比分析。側傾角剛度對整車的操縱穩定性和平順性有較大的影響，因此在解決前輪離地問題時需要兼顧這些性能。

表1　評價及建議

鋼板彈簧非獨立懸架的側傾角剛度與跨距的平方、鋼板彈簧剛度成正比，要提升側傾角剛度需要增大鋼板彈簧跨距和剛度，但鋼板彈簧的剛度過大，整車平順性會變差。因此本解決方案在對前、后懸架適當匹配之后，通過在車身、驅動橋上焊接支架，安裝后橫向穩定桿，提升駕駛安全性的同時又保證了平順性。

理論上分析，減小側傾中心與質心的高度差，改變輪距、彈性元件的跨距等措施均可改善前輪離地的現象，但懸架結構改動較大，會加長開發周期。

6　結束語

本文通過分析前、后懸架側傾角剛度對車輪垂向載荷力的影響，提出方案消除穩態回轉試驗時內側前輪離地的現象。影響前、后懸架側傾角剛度的因素非常多，需要在開發初期，根據車輛的用途，綜合考慮懸架偏頻、側傾中心高度、側傾角、前后懸架側傾角剛度分配等的合理范圍，盡量避免類似的問題出現。

參考文獻：

[1]GB/T6323.汽車操縱穩定性試驗方法[S].

[2]QC/T480.汽車操縱穩定性指標限值與評價方法[S].

[3]王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2017.

[4]王霄鋒.汽車懸架和轉向系統設計[M].北京：清華大學出版社，2015.

[5]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2010.