某純電動汽車車輪偏距對車輛動力學(xué)性能影響研究

徐衡，王夢妮，向成相

（威馬汽車科技集團有限公司 成都研究院，四川 成都 610110）

前言

近年來，電動汽車成為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向，受到了全球汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注。電動汽車不僅在節(jié)能環(huán)保方面顯示出巨大的優(yōu)越性，更具有扭矩響應(yīng)快、加速快等動力性方面的優(yōu)勢。電動車的動力電池具有體積、質(zhì)量大的特點，對于整車的轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性產(chǎn)生了不利的影響，由此對轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性能的優(yōu)化提升成為電動車動力學(xué)性能開發(fā)中非常重要的一環(huán)。汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定性能的能力[1]。本文從某平臺純電汽車車輛動力學(xué)性能前期實際開發(fā)需求出發(fā)，基于汽車動力學(xué)相關(guān)理論，以車輛方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度響應(yīng)等特征量來表征其行駛性能特性的方式，通過主觀評價并結(jié)合客觀測試來分析研究當車輛其他基礎(chǔ)參數(shù)不變時，車輪偏距變化對整車轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性能的影響。

1 車輪偏距對車輛動力學(xué)影響基本原理

車輪偏距是指輪輞的安裝孔內(nèi)側(cè)面到輪輞中心線的距離，分為正偏距、負偏距、零偏距。主銷偏移距是主銷軸線與地面交點和車輪中心線與地面交點之間的距離（如圖1所示），當主銷軸線與地面交點在車輪中心線與地面交點的內(nèi)側(cè)，則為正，反之為負。

圖1 主銷偏移距示意

當主銷軸線與地面的交點和輪胎在地面上的印跡中心重合時，偏矩為零，此時制動力和驅(qū)動力對主銷軸線無轉(zhuǎn)矩作用。

當左右車輪上制動力不相等時，負的主銷偏移距具有抵抗汽車改變行駛方向的能力。如圖2所示，若汽車右前輪上作用的制動力FB,R大于左前輪上的制動力FB,L，此時汽車上會作用一個試圖使車輛向右轉(zhuǎn)的不平衡力矩。由于存在負的主銷偏移距，即主銷軸線與地面的交點A位于輪胎接地印跡中心的外側(cè)，兩前輪的制動力還會對車輪作用一個繞A點的力矩，此力矩作用到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，通過轉(zhuǎn)向桿系產(chǎn)生彈性形變而使右前輪沿逆時針方向轉(zhuǎn)動一個角度aR，使左前輪沿順時針方向轉(zhuǎn)動一個角度aL，并且aR>aL。這兩個角度就是輪胎側(cè)偏角，產(chǎn)生對應(yīng)的側(cè)向力FL,R和FL,L，且FL,R>FL,L，從而使汽車向左轉(zhuǎn)向。因此，汽車上述兩個轉(zhuǎn)向作用相互抵消，有助于維持車輛的直線行駛[2]。

圖2 負主銷偏移距對行駛性能的影響分析

當主銷偏移距為正時（如圖3所示），就不具有這種維持直線行駛的特性，不平衡的制動力引起的側(cè)向力總是會加劇車輛向某一方向轉(zhuǎn)向行駛。同時，隨著主銷偏移距的逐漸增大，地面沖擊力對方向盤的影響也會隨之逐漸增大。

圖3 正主銷偏移距對行駛性能的影響分析

由圖1可知，主銷偏移距會隨主銷后傾角或車輪偏距的調(diào)整而變化，主銷內(nèi)傾角不變時，當增大車輛輪距，即減小車輪偏距時，主銷偏移距會隨之增大。為了更深入研究車輪偏距對車輛動力學(xué)性能的影響，本文在實車為負主銷偏移距的基礎(chǔ)狀態(tài)下，保持主銷內(nèi)傾角等基礎(chǔ)參數(shù)不變，通過逐漸減小車輪偏距，分析車輛由負主銷偏移距逐漸向正主銷偏移距增大（如圖4）時各種狀態(tài)下車輛的行駛性能特性。

圖4 主銷偏距變化示意

2 主觀評價

以某純電緊湊型SUV作為研究對象，對車輛（半載）在A、B、C、D四種車輪偏距值參數(shù)狀態(tài)下進行車輛行駛性能的主觀評價，四種參數(shù)狀態(tài)見表1。

表1 各車輪偏距參數(shù)值 單位：mm

2.1 評價內(nèi)容及方法

轉(zhuǎn)向以轉(zhuǎn)向干擾評價為主，評價內(nèi)容主要分為兩項：第一項，車輛以低速（50km/h以下）通過鵝卵石路、比利時路、斜鋼索路、單邊減速坎、扭曲路面、綜合路面等特征路面時（圖5所示），判斷方向盤是否有打手感覺及感覺強弱程度（wheel fight）和方向盤振動干擾大小程度及可控性（rut wander）；第二項，在平整干燥的瀝青或者水泥路面上，方向盤向左或者向右保持90o轉(zhuǎn)角，以全油門從靜止狀態(tài)加速啟動車輛，在啟動加速瞬間感受評價方向盤扭力轉(zhuǎn)向強弱（torque steer）。

圖5 主觀評價特征路面

操縱穩(wěn)定性主要以制動時的車輛操穩(wěn)性能評價為主，評價內(nèi)容主要有三項：第一項，關(guān)閉ESP，在圓廣場以80km/h速度圍繞半徑30m的圓行駛，并進行不同程度的制動（車輪抱死前），判斷制動過程中車輛的控制性，是否有過度轉(zhuǎn)向趨勢（break in turn）；第二項，關(guān)閉ABS，在干瀝青路（附著系數(shù)0.75） 以100km/h行駛速度進行0.6g減速度的制動以及在濕水泥路（附著系數(shù)0.4）以80km/h行駛速度進行0.4g減速度的制動，判斷車輛在高低附路面高速行駛時，中等強度制動時的行駛穩(wěn)定性；第三項，開啟ABS，在濕對開路（濕瀝青/濕花崗巖，附著系數(shù)0.45/0.25）以100km/h行駛速度進行緊急制動，判斷制動過程中車輛的行駛穩(wěn)定性以及行駛方向的控制性。

2.2 評價結(jié)果

A車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時路、斜鋼索路、單邊過減速坎等，無明顯轉(zhuǎn)向干擾；過扭曲路，方向盤擺動幅度較大，但回饋力矩較弱，無明顯打手情況，保持轉(zhuǎn)向方向非常容易；在綜合路段上，行經(jīng)車轍及坑洼，無明顯車輪側(cè)向干擾造成的轉(zhuǎn)向干擾；（2）圍繞半徑30m圓進行繞圓行駛，在不同制動強度制動時（車輪抱死前）車輛狀態(tài)穩(wěn)定，無過度轉(zhuǎn)向趨勢；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動車輛時，方向盤無明顯扭力轉(zhuǎn)向，保持方向非常容易；（4）在高低附路面及濕對開路面進行直線行駛緊急制動時，車輛穩(wěn)定性保持較好。

B車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時路無明顯轉(zhuǎn)向干擾，但斜鋼索路、單邊過減速坎時出現(xiàn)較明顯轉(zhuǎn)向干擾，轉(zhuǎn)向打手回饋力相對A較強，但仍能較容易控制方向盤；扭曲路評測時，方向盤擺動幅度更大，回饋力矩明顯加強，相對A需要更大手力保持方向盤穩(wěn)定；在綜合路段上，行經(jīng)車轍及坑洼，車輪側(cè)向干擾較明顯，需要一定力維持方向盤；（2）進行半徑30m繞圓制動評估，各程度制動時（車輪抱死前）車輛穩(wěn)定性一般，出現(xiàn)輕微過度轉(zhuǎn)向趨勢，但未過度轉(zhuǎn)向；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動車輛時，方向盤扭力反饋較A無明顯變化，行駛方向非常容易控制；（4）在高低附路面制動時車輛較穩(wěn)定，濕對開路面制動出現(xiàn)輕微跑偏，但較易控制。

C車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時路轉(zhuǎn)向干擾輕微，在斜鋼索路、單邊過減速坎時較B出現(xiàn)更明顯方向盤打手；過扭曲路，相對B力矩回饋更強，需要更大手力來保持方向盤穩(wěn)定；行經(jīng)車轍和坑洼路面時，車輪側(cè)向力干擾明顯，相對B需要更多手力來保持行駛方向穩(wěn)定；（2）繞圓行駛，進行不同程度制動時（車輪抱死前）車輛開始略有失穩(wěn)，已經(jīng)出現(xiàn)輕微過度轉(zhuǎn)向；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動車輛時，轉(zhuǎn)向手力較B無明顯區(qū)別，能很容易保持行駛方向；（4）高低附路面制動時，車輛出現(xiàn)跑偏趨勢，濕對開路面制動出現(xiàn)較B更明顯橫擺角速度響應(yīng)，需要輸入較大的方向盤轉(zhuǎn)角來控制車身的穩(wěn)定性。

D車輪偏距狀態(tài)：（1）鵝卵石路、比利時路較C有更明顯的轉(zhuǎn)向干擾，斜鋼索路、單邊過減速坎、扭曲路時方向盤擺動幅度非常大，較C力矩回饋更大，較難控制方向盤的穩(wěn)定；通過車轍或坑洼路面時，車輪側(cè)向力干擾相對C更明顯；（2）圓廣場進行不同程度轉(zhuǎn)彎制動時（車輪未抱死）車輛已經(jīng)明顯失穩(wěn)，過度轉(zhuǎn)向較C更加明顯，但還能較輕松控制車輛不失控；（3）保持方向盤90o轉(zhuǎn)向，從靜止全油門加速啟動車輛時，方向盤能很容易保持住方向，其扭力反饋與A、B、C三種狀態(tài)的表現(xiàn)無明顯差異；（4）高低附路面制動時，車輛跑偏趨勢與C狀態(tài)趨同，但在濕對開路面制動時車輛明顯跑偏，橫擺角較大，已經(jīng)較難保持車輛行駛的穩(wěn)定性。

2.3 主觀評價結(jié)論

在整車其他基礎(chǔ)參數(shù)不變的情況下，調(diào)整車輪偏距，在方向盤轉(zhuǎn)角為90o啟動加速時的轉(zhuǎn)向性能影響不大，但在不規(guī)則特征路面上（扭曲路、坑洼、單邊過減速坎等）對方向盤轉(zhuǎn)向干擾影響較大，尤其當偏距調(diào)整到30.8mm時，已經(jīng)較難控制路面對方向盤的轉(zhuǎn)向干擾；隨著偏距的減小，彎道制動時車輛的穩(wěn)定性越來越差，甚至出現(xiàn)失穩(wěn)；偏距調(diào)整對車輛在高低附路面高速情況下制動穩(wěn)定性影響較輕微，但對濕對開路面上的高速緊急制動穩(wěn)定性影響是明顯的，當偏距為29.3mm，車輛已經(jīng)出現(xiàn)不易控的跑偏，表現(xiàn)出較嚴重的行駛安全缺陷。

3 客觀測試分析

在主觀評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛動力學(xué)工程開發(fā)的實際經(jīng)驗，對方向盤在90o轉(zhuǎn)角時加速啟動、高低附路面中等強度制動以及濕對開路面緊急制動的轉(zhuǎn)向操穩(wěn)特征量進行測量，進一步來量化表征車輪偏距的變化對車輛轉(zhuǎn)向操穩(wěn)特性的影響。測試采用數(shù)據(jù)采集儀、測力方向盤以及非接觸式光學(xué)傳感器等設(shè)備（圖6所示）。

圖6 客觀測試設(shè)備

3.1 轉(zhuǎn)彎加速啟動

測試主要分析從靜止到加速啟動瞬間方向盤力矩突變峰值的大小，該特征值越大說明轉(zhuǎn)彎加速啟動瞬間方向盤控制越困難。為了進一步細化表征不同車輪偏距下特征值，將在兩種動力模式下（經(jīng)濟和運動）分別按前軸軸荷差異20kg、30kg和40kg進行測試。

3.1.1 測試結(jié)果與分析

方向盤向左或向右轉(zhuǎn)90o，從靜止全油門加速車輛，當車速達到5kph～15kph時，方向盤力矩會出現(xiàn)一個峰值點，根據(jù)每個車輪偏距不同工況下的轉(zhuǎn)向加速啟動力矩特征曲線（如圖7）提取的峰值力矩值來對比分析不同偏距對車輛加速啟動的影響。每種工況各進行三次有效試驗，取三次試驗的平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果如表2。從試驗結(jié)果對比分析可知，無論動力模式是ECO還是Sport，以及前軸左右軸荷差異從20kg到40kg，車輪偏距從45mm減小到29.3mm時，啟動轉(zhuǎn)向力矩都無明顯變化。

圖7 啟動轉(zhuǎn)向力矩特征曲線

表2 不同車輪偏距轉(zhuǎn)彎啟動轉(zhuǎn)向力矩測試結(jié)果

3.2 高低附路面中等強度制動

測試提取方向盤修正角度峰值和側(cè)向加速度峰值作為衡量車輛在中等強度制動過程中的行駛穩(wěn)定性的特征值，特征值越大說明車輛制動時行駛穩(wěn)定性越差。分別以前軸左右軸荷差異20kg、30kg和40kg三種工況進行測試分析。

3.2.1 高附路面制動試驗結(jié)果及分析

車輛以100km/h為行駛初速度，以在0.15s內(nèi)達到0.6g制動減速度進行制動，提取方向盤修正角度時間歷程曲線以及側(cè)向加速度時間歷程曲線中的峰值點（圖8）來對比分析高附制動時不同車輪偏矩對車輛制動行駛穩(wěn)定性的影響。

圖8 高附路面制動行駛性能特征曲線

每種工況各進行三次有效試驗，取三次試驗的平均值作為最終結(jié)果，如表3所示。高附制動時，車輛偏距由45mm調(diào)整到29.3mm，前軸軸荷差由20kg增大到40kg時，方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值和側(cè)向加速度峰值有增大趨勢，但增大量較小，整體來說，偏距調(diào)整對車輛高附路面制動行駛穩(wěn)定性影響較小。

表3 不同車輪偏距高附制動方向盤修正角度峰值及側(cè)向加速度峰值測試結(jié)果

3.2.2 低附路面制動測試結(jié)果及分析

車輛以80km/h為行駛初速度，以在0.15s內(nèi)達到0.4g制動減速度進行制動，提取方向盤修正角度時間歷程曲線以及側(cè)向加速度時間歷程曲線中的峰值點（圖9）來對比分析低附制動時不同車輪偏矩對車輛制動行駛穩(wěn)定性的影響。

圖9 低附路面制動行駛性能特征曲線

每種工況各進行三次有效試驗，取三次試驗的平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果如表4所示。低附制動時，方向盤修正角度、側(cè)向加速度大小整體上處于較小范圍，雖然車輛偏距由45mm調(diào)整到29.3mm，前軸軸荷差由20kg增大到40kg時，方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值和側(cè)向加速度峰值有增大趨勢，所以偏距調(diào)整對車輛低附路面制動行駛穩(wěn)定性有一定的影響。

表4 不同車輪偏距低附制動方向盤修正角度峰值及側(cè)向加速度峰值測試結(jié)果

3.3 濕對開路面制動

車輛以100km/h的初速度在濕對開路面進行緊急制動（觸發(fā)ABS），由于左右車輪路面附著系數(shù)不同，左右車輪地面制動力差異較大，在進入制動初始階段，車輛總會有向某個方向跑偏的趨勢，期間需要通過不斷修正方向盤轉(zhuǎn)角來保持車輛直線行駛軌跡，方向盤修正角度越大，說明車輛跑偏越嚴重，制動穩(wěn)定性越差。

3.3.1 測試結(jié)果及分析

對四種車輪偏距的工況測試時，記錄制動過程中方向盤轉(zhuǎn)角時間歷程曲線，從曲線中提取方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值以及方向盤轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)值作為評價不同偏距的車輛在濕對開路面制動的行駛穩(wěn)定性以及保持直線行駛的難易程度。圖10為方向盤轉(zhuǎn)角特征曲線及特征值提取示意，對三次有效試驗的測試結(jié)果取平均，試驗結(jié)果如表5所示。車輛偏距從45mm調(diào)整到29.3mm，方向盤修正轉(zhuǎn)角增大趨勢明顯，增大幅值大約25%，說明濕對開路面進行緊急制動時，隨著車輪偏距的減小，為了維持車輛正常行駛所需要的方向盤修正轉(zhuǎn)角越大，即車輛的行駛穩(wěn)定性隨著車輪偏距的減小而逐漸降低。

圖10 濕對開路面制動行駛性能特征曲線

表5 不同車輪偏距濕對開路制動方向盤修正轉(zhuǎn)角峰值及穩(wěn)態(tài)值測試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）當車輛其他基礎(chǔ)參數(shù)不變時，對不同車輪偏距車輛轉(zhuǎn)向特性、制動操控穩(wěn)定性進行主觀評價，當車輛從基準車輪偏距45mm逐漸降低到29.3mm時，車輛轉(zhuǎn)向干擾、操穩(wěn)特性都出現(xiàn)較明顯的衰減。

（2）結(jié)合主觀評價，利用客觀測試設(shè)備，對不同車輪偏距下的車輛行駛性能進行了測試，測試結(jié)果表明，主觀評價結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。車輪偏距減小對轉(zhuǎn)彎加速啟動的轉(zhuǎn)向特性影響很小，但對制動行駛穩(wěn)定性影響較大，隨著車輪偏距的減小，制動行駛穩(wěn)定性隨之降低。