某乘用車車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

吳利廣 王晗 景立新 蒙啟恩

（中國汽車技術(shù)研究中心）

隨著汽車領(lǐng)域的發(fā)展以及對(duì)汽車技術(shù)的深入研究，專家學(xué)者對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的研究也進(jìn)一步加深。在車輛行駛過程中有很多因素可以影響到汽車的操縱穩(wěn)定性，以往的研究主要集中在行駛系、轉(zhuǎn)向系等方面[1]，但不能忽略的是，汽車是由多個(gè)部分組成的整體，汽車的操縱穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)集成的問題，所以只單獨(dú)研究行駛系、轉(zhuǎn)向系等底盤系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響顯然是不夠全面的，對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的研究要以整車為基礎(chǔ)。文章以車身扭轉(zhuǎn)剛度為切入點(diǎn)，研究車身扭轉(zhuǎn)剛度不同對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響[2]。

1 操縱穩(wěn)定性

操縱穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)汽車的重要指標(biāo)，它不僅影響著駕駛時(shí)的操縱方便程度，也是決定高速行駛安全性的性能之一，其好壞程度受多方面的影響[3]。

車身性能的考核指標(biāo)主要是彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度（彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)在整車體系下評(píng)價(jià)會(huì)更合理），而車身的扭轉(zhuǎn)剛度與汽車操縱穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)比較緊密。扭轉(zhuǎn)剛度的大小對(duì)汽車底盤的操穩(wěn)、行駛在凹凸路面上車體的抗變形能力影響都比較大，所以文章主要研究車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)整車操穩(wěn)性能的影響。

汽車在行駛過程中，由于車身各部分所受的外力不同，車身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，導(dǎo)致車身發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，圖1示出車身受力簡圖。

圖1 車身受力簡圖

車身的變形程度與車身結(jié)構(gòu)受到的力的大小和結(jié)構(gòu)本身的扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)，車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力，即：

式中：GJ——車身的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/（°）；

T——扭矩，N·m；

L——軸距，mm。

軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角（θ）與梁的撓度之間的關(guān)系為：

2 模型建立

ADAMS/Car多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件具有豐富的建模功能和強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)解算能力，由此可以建立規(guī)模龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)級(jí)的仿真模型以便對(duì)汽車進(jìn)行整車性能的仿真分析。ADAMS/Car軟件開發(fā)模塊具有更強(qiáng)的專業(yè)性，利用該軟件進(jìn)行懸架性能參數(shù)對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性影響的研究，建模和仿真都更簡單精確[4-6]。

利用ADAMS/Car動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某乘用車進(jìn)行建模，如圖2所示[6-7]。整車模型軸距為2 665 mm，前后輪距為1 560 mm，前懸架類型為麥弗遜，后懸架類型為多連桿，整車整備質(zhì)量為1 546 kg。為了模擬車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化，建立車身模型為2個(gè)part，其中前懸架與車身連接點(diǎn)通過通訊器與一個(gè)part相連，后懸架與車身連接點(diǎn)通過通訊器與另一個(gè)part相連，且2個(gè)part用bushing單元連接，利用bushing單元來模擬車身的扭轉(zhuǎn)剛度。

圖2 某乘用車的ADAMS/Car模型

3 分析仿真

為了研究車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，考慮車身扭轉(zhuǎn)剛度的常見數(shù)值，并將其設(shè)置為4種不同的數(shù)據(jù)：8 000，12 000，16 000，20 000 N·m/（°），分別用Body8000，Body12000，Body16000，Body20000 表示。

在整車操縱穩(wěn)定性分析中，轉(zhuǎn)向角階躍工況、角脈沖工況、雙移線工況、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況等是分析操縱穩(wěn)定性的典型工況。文章選取轉(zhuǎn)向角階躍和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)2個(gè)工況進(jìn)行仿真，對(duì)比不同工況及不同車身扭轉(zhuǎn)剛度下，整車操穩(wěn)性能的表現(xiàn)，找出車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)操穩(wěn)性能影響的規(guī)律。

3.1 轉(zhuǎn)向角階躍工況

設(shè)置工況為轉(zhuǎn)向角階躍工況[8-9]，仿真時(shí)間為8 s，車速為100 km/h，轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角為20°。4個(gè)典型的參數(shù)仿真結(jié)果，如圖3所示。各個(gè)參數(shù)極值，如表1所示。

圖3 轉(zhuǎn)向角階躍工況典型的整車參數(shù)仿真曲線

表1 轉(zhuǎn)向角階躍工況各參數(shù)極值仿真結(jié)果

從圖3可以看出，車身扭轉(zhuǎn)剛度越大，橫擺角速度、車身側(cè)傾角及側(cè)向加速度的超調(diào)越小，汽車更加穩(wěn)定；且隨著車身扭轉(zhuǎn)剛度的增大，汽車的橫擺角速度、側(cè)向加速度等響應(yīng)時(shí)間縮短，汽車響應(yīng)更快，操控性更好。

3.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真

文章一步驗(yàn)證了定轉(zhuǎn)彎半徑工況[10-12]，設(shè)置仿真工況半徑為30 m，側(cè)向速度在30 s內(nèi)從10 km/h加速到50 km/h。部分仿真結(jié)果，如圖4所示。各個(gè)參數(shù)的極值，如表2所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況部分仿真曲線

表2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況各參數(shù)極值仿真結(jié)果

由圖4和表2可知，車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)不足轉(zhuǎn)向度也有比較大的影響。這是由于車身在扭轉(zhuǎn)時(shí)，由于扭轉(zhuǎn)剛度的不同，前后懸架的側(cè)傾角度有差異，導(dǎo)致前后懸架側(cè)傾時(shí)引起的前束角變化不同，從而引起汽車不足轉(zhuǎn)向度的變化。

4 結(jié)論

文章利用ADAMS/Car軟件對(duì)整車進(jìn)行仿真，分析多種工況，對(duì)比車身扭轉(zhuǎn)剛度的不同對(duì)汽車操穩(wěn)的影響，得出汽車車身扭轉(zhuǎn)剛度越大，汽車行駛越穩(wěn)定，汽車的操縱穩(wěn)定性越好，主要體現(xiàn)在以下三方面。

1）隨著車身扭轉(zhuǎn)剛度增大，轉(zhuǎn)向角階躍工況的橫擺角速度、側(cè)傾角及側(cè)向加速度等參數(shù)的極值變小，曲線的波動(dòng)趨于平緩，超調(diào)變小，整車的操縱穩(wěn)定性變好；

2）車身的扭轉(zhuǎn)剛度越大，側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間、橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間及側(cè)傾角響應(yīng)時(shí)間越短，汽車響應(yīng)越靈敏，操控性越好；

3）車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)汽車的不足轉(zhuǎn)向特性有影響，在前期設(shè)計(jì)車輛不足轉(zhuǎn)向特性時(shí)要充分考慮這一點(diǎn)，同時(shí)，樣車各階段（尤其是騾子車階段）的性能試驗(yàn)時(shí)也需要考慮車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響。