横抽稳定杆对平顺性和操纵稳定性的影响分析

横向稳定杆对平顺性和操纵稳定性的影响分析Analysisforanti-rollbaraffectingrideandhandlingofvehicle彭旭阳董益亮（重庆长安汽车工程研究院CAE所)摘要：针对某SUV侧倾角刚度偏硬，不足转向度稍大，遇到凹坑或凸起路面时车身左右冲击严重的问题，应用MSCADAMS/CAR软件，建立了该车虚拟样机模型，对悬架K&C特性和整车稳态回转特性进行仿真与试验结果的对比分析，验证了模型的准确性。分析了引起问题的原因，提出了调整前后悬架侧倾角刚度的方法，并在虚拟样机上进行了验证。由仿真结果可得：前横向稳定杆直径由φ25mm减小到φ23mm，后横向稳定杆直径由φ22mm增加到φ24mm时，坏路面行驶冲击减弱，整车不足转向度和侧倾角刚度更加合理，同时对其它平顺性和操纵稳定性影响较小。关键词：侧倾角刚度，不足转向，MSCADAMS/CAR，虚拟样机，横向稳定杆Abstract:aimingattherollratewastoohighforsomepeople,theundersteerlevelwasabittoohighandtheridingwasbadonoff-roadofaSUV,avirtualprototypeofthevehiclewasbuiltusingMSCADAMS/CARsoftware，thevirtualprototypewascorrectedbycomparingthesimulationandtestresultsofK&Candsteadycirculartests.Bystudyingtheproblems,aversionregulatingrollrateoffrontandrearsuspensionwasputforward,andwasvalidatedinthevirtualprototype.Theresultsshowthatwhenthediameteroffrontanti-rollbarismodifiedfrom25to23andthediameterofrearanti-rollbarismodifiedfrom22to24,theabruptjerksofthebodysidetosideisweakened,theundersteerandrollrateoftheSUVismorereasonable,andthesechangesareweaktoelseperformancesofrideandhandling.KeyWords:rollrate,understeer,MSCADAMS/CAR,virtualprototype,anti-rollbar1概述为改善汽车行驶平顺性，悬架垂直刚度设置都很低，但因为悬架的侧倾角刚度和悬架垂直刚度之间是正比关系，所以减小垂直刚度的同时使侧倾角刚度也减小，并使车厢侧倾角增加，结果车厢中的乘员会感到不舒适，降低了行车安全感。解决这一矛盾的主要方法就是在汽车上设置横向稳定杆，有了横向稳定杆，就可以在不增加悬架垂直刚度的情况下，增大悬架的侧倾角刚度。横向稳定杆能改变前后悬架侧倾角刚度分配和总侧倾角刚度，从而改善整车的操纵稳定性，另外它还影响车身侧倾时单侧车轮悬架的垂直刚度，对整车平顺性能产生影响。某SUV平顺性和操纵稳定性主观评价得：该车悬架侧倾角刚度偏硬，不足转向度偏高，遇到凹坑或凸起路面时车身左右冲击严重。针对该问题，本文首先建立了该车的虚拟样机模型，并进行试验验证，然后对问题进行分析，提出解决方案，最后在虚拟样车上对方案进行验证，结果证明了方案的可行性。2模型建立应用MSCADAMS/CAR软件，建立SUV整车虚拟样机模型（图1），该模型主要包括前后悬架、转向系统和轮胎模型等。前悬为麦弗逊悬架，后悬为多连杆悬架，在建模过程中，充分考虑弹性和阻尼元件的力学特性，连接处橡胶衬套的刚度、阻尼，缓冲块间隙、刚度，螺旋弹簧刚度和减震器阻尼，他们对整车操纵稳定性和平顺性都有很大影响，这些参数主要通过试验手段获得。前后横向稳定杆采用梁单元建模，几何信息来源于横向稳定杆CAD实体数据。转向器为齿轮齿条式结构，装有液压助力转向装置，转向器扭杆刚度和阀压特性通过试验获得，经过适当处理导入转向系统模型。目前，轮胎力学模型主要分为轮胎理论模型、轮胎经验模型和半经验模型3类，本文采用了PAC2002半经验轮胎模型。图1整车虚拟样机模型3模型验证对前后悬架K&C特性及整车平顺性和操纵稳定性进行仿真与试验结果的对比，验证模型的准确性。限于篇幅，本文只对前后悬架的部分垂向特性和整车稳态回转特性进行对比验证。3.1悬架平行轮跳动特性图2～图5为前后悬架平行轮跳动仿真与试验结果的部分特性对比，可以看出，经过校正后的悬架模型仿真与试验结果非常吻合，悬架模型满足工程分析要求。图2前轮跳动前束角变化图3前轮跳动外倾角变化图4后轮跳动前束角变化图5后轮跳动外倾角变化3.2整车稳态回转特性对稳态回转特性进行仿真与试验结果的对比，见图6、图7，虚线代表试验结果，实线代表仿真结果，仿真与试验结果非常吻合，整车模型精度满足工程分析要求。该车具有较强的不足转向特性（图6），整个侧向加速度范围内，车身侧倾角随侧向加速度的变化都是线性的，侧倾角增益相对较小，悬架侧倾角刚度偏硬（图7）。图6方向盘转角随侧向加速度变化曲线图7侧倾角随侧向加速度变化曲线4问题分析主观评价结果表明该车悬架侧倾角刚度偏高，遇到凹坑或凸起路面时车身左右冲击严重，平顺性能差，因此应该降低悬架总的侧倾角刚度，选择合适的侧倾时单侧车轮悬架的垂直刚度。该车前横向稳定杆直径φ=25mm，通过悬架K&C分析计算得，侧倾时单侧车轮悬架的垂直刚度k=73N/mm，应用公式：mkf21其中m为悬挂质量，计算得单侧悬挂固有频率f1.95Hz，和其它同类车型相比，侧倾时单侧悬架垂直刚度偏硬，取悬挂固有频率f1.78Hz，则侧倾时前悬架垂直刚度k=60N/mm，计算得横向稳定杆直径φ=23mm；该车后横向稳定杆直径φ=22mm，侧倾时单侧悬架垂直刚度k=42，单侧悬挂固有频率f1.61Hz，和其它同类车型相比，悬架偏软，取悬挂固有频率f1.73Hz，则侧倾时后悬架垂直刚度k=49N/mm，计算得后横向稳定杆直径φ=24mm。悬架K&C特性仿真计算，得改进前后前悬架侧倾角刚度分别为1431Nm/°、1240Nm/°，后悬架侧倾角刚度分别为778Nm/°、837Nm/°，前后悬架侧倾角刚度比由65：35下降到60：40，总侧倾角刚度由2209Nm/°下降到2077Nm/°，降幅5.97%，整车不足转向度减小，侧倾角刚度下降。5方案验证以上分析可得：前横向稳定杆直径由φ25mm减小到φ23mm，后横向稳定杆直径由φ22mm增加到φ24mm，平顺性和操纵稳定性主观评价出现的问题将得到改善。下面对横向稳定杆改进前后整车平顺性和操纵稳定性做仿真分析，在虚拟样机上验证方案的可行性。5.1平顺性脉冲输入试验参照GB/T5902-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》，汽车以不同车速匀速通过一个长为400mm，高为60mm的三角形凸块，同时记录质心处侧倾方向、垂向和横向的加速度时间历程。为反映单车轮遇到凹坑或凸起路面的工况，汽车将单轮驶过三角形凸块。表1为改进前后质心处各向最大加速度（绝对值）对比结果，可以看出，改进后质心处各向最大加速度值均减小，侧倾方向和横向减小更为明显，因此改进后遇到凹坑或凸起路面时车身左右冲击将减小。表1质心处各向最大加速度（绝对值）20km/h30km/h40km/h侧倾/2s横向/2sm垂向/2sm侧倾/2s横向/2sm垂向/2sm侧倾/2s横向/2sm垂向/2sm改进前688.062.833.73633.352.384.18521.721.753.60改进后648.572.603.67610.622.194.09508.671.643.58减少量5.74%8.13%1.61%3.59%7.98%2.15%2.50%6.29%0.56%5.2稳态回转试验参照ISO4138《稳态定圆行驶试验方法》，汽车以最低稳定车速按给定半径圆周行驶，然后缓慢加速，并修正方向盘转角，使汽车始终沿定圆行驶，直到出现不稳定状态为止。试验主要考察量为方向盘转角、车身侧倾角、方向盘作用力矩以及前后轮侧偏角随侧向加速度的变化关系。图8为改进前后方向盘转角随侧向加速度变化曲线，线性范围内方向盘转角随侧向加速度的增益由改进前的33°/g下降到29°/g，侧倾角随侧向加速度增益由改进前的5.1°/g增加到5.5°/g，见图9。改进后不足转向度减小，侧倾角增益增加，稳态回转特性得到改善。图8方向盘转角随侧向加速度变化曲线图9侧倾角随侧向加速度变化曲线5.3方向盘角阶跃输入试验参照ISO7401《车辆侧向运动的瞬态响应试验方法》，试验车速100km/h，方向盘起跃时间0.2s。不同方向盘转角输入，改进前后横摆角速度和侧向加速度阶跃响应结果对比见表2，在中低侧向加速度范围内，改进前后阶跃响应没有什么变化，大方向盘转角输入，高侧向加速度范围，改进后阶跃响应时间稍有增加，但超调量略有减小，因此改进后对整车瞬态响应影响小。表2方向盘阶跃输入响应结果对比横摆角速度侧向加速度稳态侧向加速度/2sm90%响应时间/s峰值响应时间/s超调量90%响应时间/s峰值响应时间/s超调量改进前20.150.315.25%0.320.548.06%改进后20.150.315.25%0.320.548.06%改进前40.130.2922.60%0.3150.549.12%改进后40.1350.321.33%0.320.558.48%改进前60.1050.2744.71%0.270.5613.23%改进后60.110.2939.89%0.280.6212.68%5.4方向盘转角脉冲输入试验参照ISO7401《车辆侧向运动的瞬态响应试验方法》，试验车速100km/h，脉冲宽度0.4s，最大侧向加速度3.472sm。改进前后横摆角速度幅频特性和相频特性见图10、图11，改进后整车瞬态频响特性变化小，数据处理结果见表3。00.10.20.30.40.50.60.700.511.522.533.544.55频率/Hz增益改进前改进后-60-50-40-30-20-10000.20.40.60.811.2横摆角速度相频特性相位角/。改进前改进后图10横摆角速度幅频特性图11横摆角速度相频特性表3方向盘脉冲输入横摆角速度频响特性结果共振频率/Hz共振增幅比80﹪通频带宽/Hz0.2Hz相位滞后角/°0.6Hz相位滞后角/°改进前1.121.232.052.811.7改进后1.121.272.112.811.96结束语前后悬架侧倾角刚度分配不合理，总侧倾角刚度偏大是该SUV平顺性和操纵稳定性不理想的原因，通过调整前后横向稳定杆的直径可以改善侧倾角刚度偏硬，不足转向度偏大，遇到凹坑或凸起路面时车身左右冲击严重的问题。在设计开发初期，通过虚拟样机技术，能快速的针对问题进行分析计算，提出改进方案，从而加快了整车开发进度，提高了设计水平。7参考文献1王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004.8.2陈立平，张云清，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.3王国权,等.虚拟试验技术[M].北京：电子工业出版社,2004.142-143.4郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社,1991.11-24.5《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册.试验篇.北京：人民交通出版社，2000.12.