橫風對汽車穩定性影響的計算分析

趙守月 姜國彬 戴銳 盧祖秉

摘 要：本文基于線性二自由度汽車模型，考慮了懸架轉向效應對輪胎剛度的影響，建立了可以用于橫風穩定性分析的預測模型，并對某一車型進行計算預測和試驗驗證，試驗結果與計算預測結果吻合度較高，該模型可以用于車輛開發初期的橫風穩定性快速分析和預測。

關鍵詞：橫風穩定性；線性二自由度；懸架轉向效應；等效側偏剛度

中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：1005-2550（2018）05-0024-05

Abstract： Based on two freedom vehicle model， take the influence of suspension steering effect to tire cornering power into account， build a vehicle stability forcast model to analyse the wind influence， and also have a contrast with the test result， the result shows that the forcast model accuracy is good， so it can be apply to do quick analysis and forcast during vehicle develop initial stage.

Key Words： side wind stability； two freedom vehicle model； suspension steering effect；

equivalent cornering power

1 概述

高速行駛的汽車在與大貨車會車或超車、駛出隧道、以及經過大橋等場景下，經常會受到自然界中橫向風的作用，車輛的行駛狀態受到干擾，產生側傾、橫向速度、橫擺角速度等影響，偏離行駛軌道，駕駛員需要操作方向盤維持車輛直線行駛。如果影響超過一定限值，會使駕駛員感到車輛行駛不穩定，引起駕駛員害怕焦慮的情緒，長途行駛時會導致駕駛員過早地疲勞，誘發交通事故。因此研究橫風對車輛穩定性的影響，并對其影響進行預測，是有重要意義的。本文在經典線性二自由度汽車模型的基礎上，考慮懸架轉向效應的影響，對橫風側向力、側傾力矩、橫擺力矩的影響進行計算分析，計算出橫風對汽車穩定性的影響，并對計算結果進行了試驗確認。結果表明計算模型具有較高的精度，今后在車輛開發過程中，對車輛橫風穩定性的預測及目標設定具有一定的指導意義。

2 建立線性二自由度汽車模型

為了分析橫風對汽車穩定性的影響，建立線性二自由度汽車模型，如圖1所示，由于汽車在橫風作用下產生的橫擺運動是被動響應，因此定義前輪的初始轉角為0。對于此簡化模型，認為汽車只有沿y軸的側向運動和繞z軸的橫擺運動兩個自由度，忽略轉向系統的影響，由橫風引起汽車行駛方向的變化，即質心側偏角β的變化；忽略懸架的作用，認為汽車車廂只做相對于地面的平面運動，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角和繞x軸的側傾角均為零；汽車沿x軸的前進速度u視為不變；驅動力不大，不考慮地面切向力對輪胎特性的影響；汽車的側向加速度限定在0.4G以下，輪胎的側偏特性處于線性范圍，忽略左右輪胎由于載荷的變化引起的輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用。

（4）3 橫風影響下的等效側偏剛度

當汽車經過橫風區時，受到橫風氣流的影響，汽車會受到橫風的側向力、側傾力矩和橫擺力矩，如圖2所示。側向力和側傾力矩會使車廂發生側傾和橫向速度，橫擺力矩會使汽車橫擺運動，同時產生的離心力也會使車廂發生側傾。這些力或力矩會通過車體作用到懸架上，進而引起懸架上力的變化。

在操控穩定性領域，懸架控制車輪定位角的變化，懸架的變化會使車輪定位角發生變化，一般主要考慮車輪外傾角和前束角。由于車輪外傾角對輪胎側偏剛度的影響較小，本文只考慮橫風下懸架對車輪前束角變化的影響，即懸架的轉向效應。

懸架的轉向效應主要包括側傾轉向效應和變形轉向效應，兩者分別在汽車發生側傾、受橫向力的時候產生。懸架轉向效應會改變輪胎的側偏剛度，改變后的側偏剛度就是上文中提到的輪胎等效側偏剛度。

懸架的側傾轉向效應如圖3所示，車廂發生向一側的側傾運動時，該側車輪對應的懸架產生壓縮行程，另一側車輪對應的懸架產生拉升行程，

車輪在運動的過程中發生微小的轉向角δ（為簡化描述這里假設左右輪的轉向角相同），此現象稱為側傾轉向。通常取使車輛產生不足轉向的變化為正，使車輛產生過多轉向的變化為負。

懸架的變形轉向效應如圖4所示。變形轉向一般由兩方面原因，一方面，輪胎受到的側向力Fy一般作用于輪心偏后位置，側向力會使車輪產生一個繞主銷的轉動力矩，使車輪發生轉動；另一方面，由于懸架擺臂和轉向拉桿襯套的影響，側向力Fy會使車輪發生位移，如果懸架擺臂襯套剛度s1與轉向拉桿襯套剛度s2不同，車輪在發生位移的同時也會發生轉動。兩者合成，使車輪發生轉角γ，此現象稱為懸架的變形轉向，這種變化的符號定義與上述側傾轉向相同。

對于普通家用車，一般都會通過對懸架特性的設定，使懸架的側傾轉向和變形轉向趨向于不足轉向特性，提升汽車在轉向或變道時的穩定性。

懸架側傾轉向系數和變形轉向系數，兩者都可以通過車輛多體動力學模型仿真得到，通過車輛的KC實驗也可以得到實測值。

根據懸架轉向效應，可以得出輪胎在懸架轉向效應修正后的側偏剛度，以后輪為例進行分析，如圖5所示。

綜合式（4）和式（11），即可建立汽車的橫風影響預測工具，預測汽車不同車速、不同風速影響下的橫擺角速度和橫向加速度。

4 橫風穩定性影響計算和試驗