橫向穩(wěn)定桿對攪拌車穩(wěn)態(tài)響應的影響

秦嚴彬，陳鵬飛，王敏，馮金枝

1.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.上海理工大學機械工程學院，上海 200093

0 引言

汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響汽車駕駛的操縱方便程度，而且也決定了汽車行駛的安全性。懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部件之一，它對汽車的平順性、行駛安全性起到關鍵作用[1]。由于攪拌運輸車的質心高與前橋板簧匹配等原因，在行駛過程中往往存在側傾角剛度不足以及側傾穩(wěn)定性差等問題。最常用的解決方案就是加裝橫向穩(wěn)定桿，增加了懸架的側傾角剛度，提高了車輛的轉彎工況抗側傾能力。前后橫向穩(wěn)定桿的不同匹配方式，影響前后軸不同的側傾角剛度，要保證車輛的不足轉向，必須滿足車輛的前懸架側傾角剛度不小于后懸架側傾角剛度[2]。

1 橫向穩(wěn)定桿對汽車穩(wěn)態(tài)響應影響的理論分析

當左右車輪垂向等幅跳動時，橫向穩(wěn)定桿不起作用；當車身側傾，左右車輪有垂向相對位移時，橫向穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉，產生側傾的阻力矩，起到穩(wěn)定車身的作用。因此選擇合適的前后懸架的側傾角剛度值，有助于使汽車獲得所需要的不足轉向特性[3]。

圖1 車輪垂直載荷轉移對輪胎側偏剛度影響

一個車橋具有較大的側傾角剛度，其在側向加速度較大時，總的側偏剛度就降低較多，相應的使得車橋的側偏角增大得多。所以前橋側傾角剛度大于后橋利于不足轉向[2]。

2 車輛模型仿真與驗證

根據整車參數，利用Trucksim軟件快速建立整車參數化模型。比如懸架剛度、阻尼與K&C特性等進行參數設置，可以仿真車輛對駕駛員，路面及空氣動力學輸入的響應，主要用來預測和仿真整車的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性、動力性和經濟性，同時被廣泛應用于現代汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)。穩(wěn)態(tài)回轉仿真結果與試驗結果重合度較高，驗證了模型的精確性，可用于后續(xù)仿真研究。

無穩(wěn)定桿狀態(tài)下原車穩(wěn)態(tài)回轉試驗值與仿真值對比見表1。由表的仿真結果可以看出，無穩(wěn)定桿狀態(tài)下車輛穩(wěn)態(tài)回轉數據與仿真結果接近，驗證了動力學模型的精確性，可用于后續(xù)研究。

表1 無穩(wěn)定桿狀態(tài)下原車穩(wěn)態(tài)回轉試驗值與仿真值對比 單位:(°)/(m·s-2)

3 橫向穩(wěn)定桿匹配研究與試驗驗證

3.1 橫向穩(wěn)定桿匹配仿真分析

對6個方案的穩(wěn)態(tài)回轉進行仿真分析，研究橫向穩(wěn)定桿對整車操縱穩(wěn)定性的影響，橫向穩(wěn)定桿在不同布置下的穩(wěn)態(tài)回轉指標對比見表2。一橋、二橋、后橋及三橋均加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側傾度對比如圖2至圖5所示。由圖和表可知，最經濟有效的方案是一橋加穩(wěn)定桿，提高穩(wěn)態(tài)轉向特性，操穩(wěn)性能提升明顯且物料成本低。

表2 橫向穩(wěn)定桿在不同布置下的穩(wěn)態(tài)回轉指標對比 單位:(°)/(m·s-2)

圖2 一橋加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側傾度對比

圖3 二橋加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側傾度對比

圖4 后橋加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側傾度對比

圖5 三橋均加穩(wěn)定桿與無穩(wěn)定桿側傾度對比

圖2至圖5的仿真結果為穩(wěn)態(tài)回轉工況下，車身側傾角與側向加速度的變化。曲線1為車輛無穩(wěn)定桿狀態(tài)下的側傾度變化，曲線2為增加穩(wěn)定桿之后的狀態(tài)變化。由圖可以看出，增加橫向穩(wěn)定桿對于車身側傾控制有明顯變化；前橋增加橫向穩(wěn)定桿對于車輛的穩(wěn)態(tài)響應控制起到的作用最好，符合第1節(jié)的理論研究；一、二橋都增加穩(wěn)定桿沒有比一橋增加穩(wěn)定桿的性能提升有更大的優(yōu)化。所以為了使車輛具有更好的抗側傾和不足轉向特性，在第一橋增加穩(wěn)定桿更有效并且具有相對較低的成本。

3.2 橫向穩(wěn)定桿匹配方案試驗驗證

表3為滿載狀態(tài)下攪拌車增加一、二橋穩(wěn)定桿時車身側傾度試驗結果，圖6至圖9分別為左轉及右轉試驗的穩(wěn)態(tài)回轉試驗結果。

表3 滿載狀態(tài)下攪拌車增加一、二橋穩(wěn)定桿時車身側傾度試驗結果 單位:(°)/(m·s-2)

圖6 穩(wěn)態(tài)回轉試驗結果(左轉試驗1)

圖7 穩(wěn)態(tài)回轉試驗結果(左轉試驗2)

圖8 穩(wěn)態(tài)回轉試驗結果(右轉試驗1)

圖9 穩(wěn)態(tài)回轉試驗結果(右轉試驗2)

由穩(wěn)態(tài)回轉試驗結果可知，左轉與右轉原車無穩(wěn)定桿不足轉向度為0.75、1.11(°)/(m·s-2)，車身側傾度為1.6、1.7(°)/(m·s-2)；增加前兩橋橫向穩(wěn)定桿后，左轉與右轉不足轉向度為0.48、0.55(°)/(m·s-2)，滿足JT/T1178.1—2018標準要求0～1(°)/(m·s-2)，車身側傾度為1.29、1.18(°)/(m·s-2)。不足轉向度與側傾度降低，整車穩(wěn)態(tài)轉向特性得到提高。

從試驗數據整理結果可以看出，在一、二橋增加穩(wěn)定桿后，車輛側傾度提升25%左右，車輛的抗側傾能力明顯變好。不足轉向度提高30%以上，具有更好的不足轉向特性。

4 結論

(1)基于穩(wěn)態(tài)回轉操穩(wěn)工況仿真分析與試驗驗證，驗證了所建立的動力學模型的精確性，可用于后續(xù)攪拌車操縱穩(wěn)定性與平順性仿真研究。

(2)仿真結果、試驗驗證與理論研究結論一致：原車不帶橫向穩(wěn)定桿的整車側傾角與不足轉向特性都較差；前橋增加橫向穩(wěn)定桿對于車輛穩(wěn)態(tài)轉向特性有很大提升，提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。