乘用車懸架參數(shù)對制動跑偏性能影響的研究

王博文

摘 要：車輛在制動過程中如果發(fā)生跑偏，希望通過合理的懸架參數(shù)設(shè)定來抑制跑偏現(xiàn)象。本文選取了兩個懸架參數(shù)，首先通過理論分析研究它們對制動跑偏性能的影響，隨后找到與這兩個懸架參數(shù)敏感度高的懸架零部件，通過改變零件狀態(tài)調(diào)整兩個懸架參數(shù)值，再借助carsim仿真和整車試驗的方法對理論分析進(jìn)行驗證。最終得出車輛懸架參數(shù)及懸架零部件如何影響制動跑偏性能，為前期的設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：制動跑偏；懸架特性參數(shù)；carsim仿真；制動跑偏試驗

中圖分類號：U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0029-06

Abstract： Vehicle drift may appear while braking， and some suspension parameters need to be set reasonably to reduce the level of brake pull. This article choose two related parameters and study their effect on the brake pull performance by theoretic analysis firstly. Meanwhile suspension components which have high effects on the parameters will be found and adjusted to set different values of two parameters. Then carsim simulation and test can be used to validate the theoretic analysis result. Finally the conclusion how suspension parameters and components effect on the brake pull performance can be found， which can provide references for platform development and design in the early stage.

Key Words： brake pull； suspension parameters； Carsim simulation； brake pull test

1 引言

汽車制動跑偏，是指汽車在制動時自動偏向一方，很可能造成嚴(yán)重事故。造成汽車制動跑偏的原因很多，包括了制動器、懸架系統(tǒng)、前輪定位和輪胎等因素。其中大部分原因都是車輛狀態(tài)與正常狀態(tài)不一致，如同軸左右制動力不等，懸架系統(tǒng)損壞變形，轉(zhuǎn)向節(jié)松曠及前束調(diào)整不當(dāng)?shù)萚1]，車輪定位參數(shù)不對稱也是造成車輛制動跑偏的一個重要原因[2]。本文以乘用車為基礎(chǔ)，重點研究麥弗遜懸架系統(tǒng)特性參數(shù)對車輛制動跑偏的影響，即當(dāng)車輛由于各種原因發(fā)生制動跑偏時，這些懸架參數(shù)的變化如何抑制或放大制動跑偏的現(xiàn)象。研究結(jié)論可以指導(dǎo)懸架及底盤系統(tǒng)的前期設(shè)計，在早期對車輛的性能有更深入的理解。

懸架系統(tǒng)總成的特性參數(shù)主要是指懸架的K&C;特性參數(shù)和車輪及懸架的幾何定位參數(shù)靜態(tài)設(shè)計值。所謂K&C;特性可以分為K（kinematic）特性和C（compliance）特性。K特性即懸架運動學(xué)特性，是指車輪在垂直方向上往復(fù)運動的過程中由于懸架導(dǎo)向機構(gòu)的作用而導(dǎo)致車輪平面和輪心點產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，表示只與懸架連桿有關(guān)的彈簧變形過程；C特性即懸架彈性運動學(xué)特性，是指地面作用于輪胎上的力和力矩所導(dǎo)致的車輪平面和輪心產(chǎn)生角位移和線位移變化的特性，施加力導(dǎo)致的變形跟懸架系統(tǒng)的彈簧、橡膠襯套以及零部件的變形有關(guān)。車輪定位參數(shù)靜態(tài)設(shè)計值是指車輪前束角和車輪外傾角的設(shè)計名義值，懸架幾何定位參數(shù)是指主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、主銷偏置距、主銷后傾拖距等設(shè)計名義值[3]。

在split μ（左右輪路面附著系數(shù)不同）路面制動實驗中，不同的主銷偏置拖距（scrub radius/mm）會影響車輛制動跑偏偏移量[4]。圖1中的scrub radius定義為正值。在車輛制動過程中，懸架系統(tǒng)受力情況與K&C;試驗中縱向力加載工況類似，因此C特性參數(shù)縱向力轉(zhuǎn)向率（brake force steer/Deg/KN）也會對制動跑偏有直接的影響，制動時前輪有toe-out（前束變小）趨勢時定義其為正值。本文也將主要研究這兩個參數(shù)與制動跑偏的關(guān)系。

本文首先通過理論分析得到兩個懸架系統(tǒng)參數(shù)如何影響車輛制動跑偏穩(wěn)定性；再借助仿真分析的方法找到對兩個參數(shù)影響度較大的懸架零件，通過改變零件狀態(tài)改變車輛制動跑偏性能。借助Carsim軟件建立實車模型，模擬制動跑偏工況分析車輛在不同的懸架參數(shù)下制動跑偏的差異；再通過不同的懸架零件狀態(tài)改變懸架參數(shù)，實車上進(jìn)行試驗驗證，從而總結(jié)出兩個懸架K&C;參數(shù)如何影響車輛制動跑偏性能，為今后的底盤架構(gòu)設(shè)計的前期開發(fā)提供參考。

2 理論分析

假設(shè)車輛受到左右兩個方向的制動力不同（FxL < FxR），會以車輛質(zhì)心為中心產(chǎn)生一個橫擺力矩Myaw（>0）使車輛向右跑偏（定義順時針方向轉(zhuǎn)動為正）。當(dāng)Scrub radius值為負(fù)時，左右車輪分別產(chǎn)生一個大小不同方向相反的轉(zhuǎn)向力矩，綜合后在車輛上形成一個總的轉(zhuǎn)向力矩Msteer。

Msteer剛好可以與整車的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車輛的制動跑偏效應(yīng)（如圖2所示）。同理，當(dāng)scrub radius值為正時，Msteer > 0，轉(zhuǎn)向效應(yīng)會放大制動跑偏趨勢。

同樣，車輛左右兩邊受到不同的制動力（FxL < FxR），當(dāng)brake force steer為負(fù)時，轉(zhuǎn)向前輪產(chǎn)生toe-in趨勢，左右車輪分別產(chǎn)生一個大小不同方向相反的車輪轉(zhuǎn)角（定義順時針方向轉(zhuǎn)動為正），綜合后在車輛上形成轉(zhuǎn)向效應(yīng)。

δ產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向效應(yīng)剛好可以與整車的橫擺力矩Myaw相抵消，因此可以抑制車輛的制動跑偏效應(yīng)（如圖3所示）。同理，當(dāng)brake force steer值為正時，δ > 0，轉(zhuǎn)向效應(yīng)會放大制動跑偏趨勢。

3 懸架零件對懸架參數(shù)scrub radius和brake force steer的影響

通過前文的描述，在不改變懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以直接調(diào)整前輪距來改變Scrub Radius值。輪距的調(diào)整可以通過改變車輪偏距wheel offset的值來實現(xiàn)。Wheel offset定義為車輪安裝面與車輪中心的距離（圖4），wheel offset值越小，車輪越向外側(cè)移動，scrub radius值即變大，如果scrub radius初始狀態(tài)值為負(fù)，通過不斷地調(diào)整可以使之變正。在輪轂與車輪的安裝面上添加墊片，可以來減小wheel offset，使scrub radius越來越大直至變正。

影響brake force steer的因素有很多，根據(jù)經(jīng)驗分析主要分為以下兩類：硬點位置和襯套剛度。硬點位置方面，通過仿真分析可以找到對brake force steer有較大影響的幾個關(guān)鍵硬點，但是改變硬點坐標(biāo)會影響KC其它參數(shù)性能，同時還存在與周邊零件干涉的風(fēng)險，故暫不考慮此方案。

襯套剛度方面，可以調(diào)整與Ride & Handling性能相關(guān)的控制臂襯套剛度（bushing stiffness）來改變brake force steer。研究控制臂前襯套和控制臂后襯套，發(fā)現(xiàn)控制臂后襯套的剛度對brake force steer的敏感性較高（表1）。可以通過改變控制臂后襯套剛度的方式來改變brake force steer的值。

4 方案設(shè)計

選取某在售成品車型作為研究的基準(zhǔn)，原車狀態(tài)下scrub radius初始值為-10mm，為了能夠全面反映其影響，再分別調(diào)整其為0mm和+10mm，研究制動跑偏有何變化。brake force steer以原車狀態(tài)為基準(zhǔn)，上、下調(diào)整其值研究對制動跑偏的影響。根據(jù)本文第2部分的研究，可以通過更換不同剛度的控制臂后襯套來實現(xiàn)brake force steer值的調(diào)整。控制臂后襯套的選取如表2所示。

更換幾組控制臂后襯套分別進(jìn)行K&C;試驗，隨著bushing剛度的增加，brake force steer的值也增加（偏正趨勢），如表3所示：

在實驗中，分別取三組控制臂后襯套和車輪，構(gòu)造實驗輪次共9次如表4所示：

在實驗和仿真分析中，設(shè)定制動跑偏的初始車速為100km/h，分別執(zhí)行0.2g，0.4g和0.6g減速度的制動。人為地在車輛制動系統(tǒng)中將左前和右前車輪的制動力調(diào)整為不同（0.9：1）使車輛發(fā)生制動跑偏現(xiàn)象，再記錄不同的brake force steer和scrub radius組合如何影響制動跑偏。

5 Carsim仿真分析懸架參數(shù)對制動跑偏的影響

CarSim是一種專業(yè)的車輛動力學(xué)仿真軟件，能準(zhǔn)確模擬車輛對駕駛員操作行為、空氣動力學(xué)以及路面激勵的響應(yīng)，在車輛操縱穩(wěn)定性、平順性、燃料經(jīng)濟性、動力性等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。carsim建模的核心是參數(shù)化建模，主要是針對車輛基本參數(shù)、懸架K特性、懸架C特性和輪胎特性建模。本文基于某乘用車的K&C;測試數(shù)據(jù)建立整車模型。圖5介紹了在carsim中建立車輛模型的主要過程。

車輛模型中，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里可以直接修改scrub radius；在前懸架C特性參數(shù)中，通過“Toe/Fx coefficient”修改brake force steer。按照前文的設(shè)計方案，模型中其它參數(shù)皆不變，用不同的brake force steer和scrub radius組合進(jìn)行仿真。由于carsim軟件條件限制，制動時的方向盤力矩不準(zhǔn)確，只作為參考；制動時設(shè)置方向盤轉(zhuǎn)角始終為0，相當(dāng)于方向盤處于鎖死狀態(tài)。用制動后車輛的側(cè)向位移作為跑偏指標(biāo)，最終的仿真結(jié)果如表5所示。在左右制動力相同的情況下，車輛基本不發(fā)生跑偏，在左右制動力不同的情況下，可以發(fā)現(xiàn)不同的scrub radius和brake force steer下側(cè)向偏移量不相同，并且有一定的規(guī)律，后面會繼續(xù)分析。

6 試驗驗證懸架參數(shù)對制動跑偏的影響

與仿真不同，使左右制動力按比例分配的方法需要單獨加工一個比例閥來調(diào)節(jié)一側(cè)車輪的管路壓力。該裝置可以接在ABS模塊左前輪制動管路壓力輸出口后，按照90%的比例調(diào)節(jié)管路壓力，使得左前輪制動力為右前輪制動力的90%，人為地使車輛制動時發(fā)生跑偏。試驗操作需采集并監(jiān)測橫、縱向車速，側(cè)向、縱向加速度，航向角，橫擺角速度和側(cè)向位移等通道數(shù)據(jù)。

制動跑偏試驗中，需要通過零件的更換來調(diào)整brake force steer和scrub radius值。根據(jù)前文的分析，可以使用不同規(guī)格的車輪來實現(xiàn)不同的wheel offset，從而得到幾組不同的scrub radius值。再更換已經(jīng)加工好的控制臂后襯套（集成在控制臂中），得到幾組不同的brake force steer值。按照之前設(shè)計的方案選取不同的組合分別進(jìn)行試驗采集數(shù)據(jù)。試驗工況與仿真工況類似，都是車輛滑行到100km/h時開始制動，用制動后車輛的側(cè)向位移偏移量作為最終的指標(biāo)。與仿真不同的是，試驗中鎖死方向盤的方法不容易操作，重復(fù)性差，因此采用制動時撒手的辦法，方向盤沒有力矩輸入的條件下測量制動跑偏量。將試驗的結(jié)果進(jìn)行處理，得到不同懸架狀態(tài)的制動跑偏量如表6所示：

7 結(jié)論

從試驗和仿真結(jié)果看，brake force steer和scrub radius變化對制動跑偏的影響與理論分析結(jié)果有同樣的趨勢。在brake force steer相同的情況下，scrub radius越大制動跑偏越嚴(yán)重，因此scrub radius偏負(fù)對制動跑偏有一定的抑制作用。相似的，在scrub radius相同的情況下，brake force steer越大，即控制臂后襯套剛度越高，制動跑偏越嚴(yán)重。設(shè)計懸架參數(shù)時可以使Brake force steer偏負(fù)一些，這樣有利于抑制制動跑偏。同時可以發(fā)現(xiàn)，仿真與試驗可以較好地對應(yīng)，在前期的設(shè)計開發(fā)中可以應(yīng)用仿真的手段來分析類似的問題。

在底盤懸架系統(tǒng)前期的設(shè)計開發(fā)中，brake force steer和scrub radius的值是受很多因素決定的，制動跑偏只是其中的一個方面。如果在前期的開發(fā)中，其中一個參數(shù)值由于各種限制原因不得不取在有可能發(fā)生制動跑偏風(fēng)險的范圍內(nèi)，則可以通過調(diào)整另外的參數(shù)值來彌補這一風(fēng)險，這在前期架構(gòu)開發(fā)中具有很重要的意義。

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