车辆侧倾仿真分析

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1、车辆侧倾仿真分析车辆侧倾仿真分析作者：杨亚娟     文章来源：奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院    　利用MSC.Adams研究了侧倾中心高度、侧倾刚度及侧倾阻尼等车辆侧倾因素对整车不足转向度、侧倾响应等性能的影响。该方法也可用于悬架其他K&C性能的分析，为汽车悬架的设计和性能提升提供仿真支持。车辆的侧倾运动性能是车辆性能的一个重要部分，关系到操纵稳定性、乘坐舒适性和安全性。车辆侧倾性能因素主要包括侧倾中心高度、侧倾角刚度及侧倾阻尼等。侧倾中心高度在车辆转向时对轮胎抓地能力、左右轮载荷转移及转向性能等很多车辆性能均有重要的影响。由于侧倾中心高度由悬架的几何机构决定，

2、在设计初期确定之后，后期很难更改，所以对它的理论分析和优化就显得尤为重要。国内外很多汽车企业的工程师们都对侧倾中心高度进行过深入的研究。侧倾刚度和侧倾阻尼的作用比较明朗，由于侧倾角和侧倾角速度是重要的车辆操控稳定性和平顺性的评价指标，并且对其它指标如横摆角速度、侧向加速度也有影响，因此，侧倾刚度和侧倾阻尼的研究也不容忽视。下面利用MSC.Software公司的多体动力学软件MSC.Adams对这些参数及其对车辆性能的影响进行详细的计算和分析。仿真模型案例为一款前后均配置独立悬架的中高级轿车。前悬架为双叉臂式，后悬架为多连杆式。前后均有抗侧倾横向稳定杆。Adams计算模

3、型如图1所示。图1 前后悬架及整车Adams仿真模型 侧倾中心在前后轴轮心的横向垂直平面内，车辆在横向力作用下车身侧倾的瞬时回转中心称为侧倾中心。前后侧倾中心的连线称为侧倾轴线，是车身相对于地面转动的瞬时轴线。侧倾中心距地面的高度称为侧倾中心高度。车辆转向时，车身绕侧倾轴线进行回转。严格说来侧倾中心的概念只在侧倾起始状态有意义。侧倾中心高度对前后轴侧偏角、外倾角都有影响，进而影响车辆的转向性能和轮胎抓地能力。侧倾中心的位置由悬架的导向机构决定，可以通过几何图解法得到。以算例中的前悬架——双叉臂独立悬架为例。图2所示为双叉臂独立悬架的瞬时旋转轴线，上控制臂和下控制臂两个

4、平面的交线形成一条瞬时旋转轴线，该轴线与轮胎接地点可以形成一个平面。左右两平面的交线与轮心处横向垂直面的交点就是悬架的几何侧倾中心。图2 双叉臂悬架瞬时旋转轴线 1.侧倾中心高度与外倾补偿在转向运动中，侧倾中心高度（RCH）对轮胎的外倾补偿会产生影响见图3。一般来说，外倾补偿越大越好，如果外倾补偿等于100%，说明在轮胎发生侧倾时，轮胎始终垂直于地面，这样可以保持很好的抓地力。侧倾中心高度对外倾补偿的影响趋势由具体悬架导向杆系的位置决定。图3 侧倾中心与外倾补偿 2. 侧倾时的轮荷转移车辆转向时，由于离心力的作用，会产生侧倾力矩，此时载荷在左右车轮上发生转移。轮荷的转

5、移会影响车辆稳态响应的变化。在计算各个车轮的垂直载荷时，首先把作用在车身质心位置处的离心力分配到前后悬架的侧倾中心Ofront和Orear上，公式1式1中，L为轴距，a、b为前后侧倾中心据质心的距离。前后悬架作用于车身的恢复力矩为，公式2Tf=Krf+φr,Tr=Krrφr式2中，Krf、Krr为前后悬架侧倾角刚度；φr为车身侧倾角。可以得到前悬架左右车轮地面垂直反力的变化量，公式3式3中，Fzf1、Fzfr为左右车轮地面垂直反力变化量，hf为前悬架侧倾中心高度，Bf为前轮距，Fufy为前悬架非簧载质量产生的离心力，huf为前悬架非簧载质量质心离地面的高度。由图4可以

6、看出，侧向力一定时，侧倾中心高度越大，左右车轮载荷转移越大。 图4 侧倾中心高度不同时的垂直力变化 3.侧倾中心高度与车辆稳态响应在车辆做转向运动时，大的轮荷转移将使轮胎侧偏角增大。因此，若增大前悬架侧倾中心高度，将增大车辆的不足转向趋势；若增大后悬架的侧倾中心高度，将增大车辆的过度转向趋势。图5所示为稳态回转试验得到的前后轮胎侧偏角之差与侧向加速度的关系曲线。曲线的斜率可以表示车辆的不足转向度。由图上可以看出，后轴侧倾中心高度越高，不足转向度越小。图5 后轴侧倾中心高度不同时前后侧偏角之差 在利用MSC.Adams做计算时，采用调整后悬架上控制臂内点的高度来调整侧倾

7、中心高度。这种悬架几何结构的调整会影响悬架垂直线刚度和侧倾角刚度。由于在这一节中只考察侧倾中心高度的影响，通过调整弹簧刚度和横向稳定杆直径对悬架刚度进行了补偿，保证仿真计算结果不受其他因素影响。另外，研究表明侧倾中心高度只是悬架的几何特性，由几何结构决定，是悬架的固有特性，所以在悬架设计初期就可以对它进行优化并冻结。侧倾刚度和侧倾阻尼悬架的侧倾角刚度是指侧倾时，单位车身转角下悬架系统给车身总的弹性恢复力矩。可以用公式表示4：公式4悬架侧倾角刚度可以用线刚度近似计算得到，公式5其中，k为悬架线刚度，B为轮距。悬架线刚度主要由弹簧刚度和横向稳定杆和杆端橡