2003年8月重庆大学学报Aug .2003
第26卷第8期
Journal of Chongqing University
Vol .26 No .8
文章编号:1000-582X (2003)08-0010-04
①
褚志刚1，邓兆祥1，胡玉梅1，朱 明1，李 伟2
(1.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044;2.重庆长安有限责任公司汽车技术中心，重庆 400023)
摘 要：以多体系统动力学理论为基础，以某微型汽车为工程实例，建立了包含车架、转向系、前后悬架和差速器5大总成的某麦弗逊前悬架汽车稳态转向特性整车动力学分析模型，研究了螺旋弹簧刚度和横
向稳定杆直径等悬架刚度参数对汽车稳态转向特性的影响规律。分析结果表明，增加前螺旋弹簧刚度和横向稳定杆直径能明显提高该车的稳态转向特性，但稳态转向特性得分值增量却逐渐下降。因此，合理选择前悬架刚度参数是提高麦弗逊前悬架汽车稳态转向特性的有效途径。
关键词：多体动力学；稳态转向特性；汽车系统动力学；麦弗逊悬架中图分类号:U461.6
文献标识码:A
稳态转向特性是汽车系统动力学中最重要的性能之一。而稳态转向特性的影响因素较多，如整车质量
分布、前后轴距、前后轴的侧偏刚度匹配等。在整车质量分布和前后轴距一定的情况下，改变轮胎气压、轮胎结构形式、汽车驱动形式、车轮的载荷分配、转向轮的车轮外倾角等对前后轴侧偏刚度匹配都有明显影响[1-2]
。国内外大量文献在分析上述参数对汽车稳态转向特性的影响时都借助于理论分析给出定性结论，而定量的分析结论和方法很少报道。
麦弗逊独立悬架在实际变形过程中，车轮外倾角等定位角度会相应的发生明显变化，影响前轴的侧偏刚度。而前螺旋弹簧刚度和横向稳定杆直径是影响曲线行驶汽车左右车轮外倾角的重要参数。本文利用多体系统动力学方法[3-4]，以某微型汽车为工程实例，建立满足稳态转向特性分析的整车多体系统动力学分析模型，研究了前悬架螺旋弹簧刚度和横向稳定杆直径对汽车稳态转向特性的影响。
1 整车分析模型及评价方法
图1为利用多体系统动力学分析软件ADAM S 建
立的整车多体动力学分析模型[5]。由图可见，模型由车架、转向系、前悬架、后悬架、差速器5大总成构成。共包括35个多体动力学部件,45个约束铰链,14个运动自由度，分别为车身的俯仰自由度、侧倾自由度、横
摆自由度及3个平动自由度，前悬架左右车轮的上下跳动自由度，各个车轮的转动自由度，后悬架系统上下
跳动自由度，转向盘的转动自由度[6]。
图1 整车多体动力学分析模型
仿真分析按GB /T6323.6-94进行，该车装备质量、实验人员及仪器质量均达到汽车产品规定的满载状态，且静态初始转弯半径为15m 。分析时对主减速器从动齿轮施加一等加速度运动激励，使汽车由静止状态缓慢均匀加速，实际的激励方程为:
Angular _celeration (time )=1rad /s 2
其次，在转向盘上施加一瞬时转动激励，使汽车产生突然转动。为了克服由于数值积分引起的求解发散问题，实际施加的激励方程为:
Angular _displacement (time )=step (time ,3,0,4,3.
①
收稿日期:2003-03-12
作者简介：褚志刚(1978-)，男，江苏扬州人，重庆大学博士研究生，主要从事汽车系统动力学、虚拟样机技术方面的研究。
6)
其中“step ()”函数为ADAM S 软件的阶跃函数。图形表示如图2所示
。
图2 转向柱阶跃激励示意图
《汽车操纵稳定性指标限值和评价方法》中规定汽车稳态转向特性的优劣，按照稳态回转试验的综合评价计分值大小衡量，且稳态转向特性具有“否决权”。具体的衡量指标采用中性转向点的侧向加速度值a n 、不足转向度U 、车身侧倾度K φ进行评价计分,Na n 、N U 、N K 分别为对应于a n 、U 、K φ的评价得分值,N W 为稳态回转试验的综合评价计分值。其中中性转向点侧向加速度得分值Na n 为具有“否决权”的指标。
参照GB6323.6-1994，在仿真分析过程直接测量以下基本参数:1)汽车横摆角速度ωr ;2)汽车前进车速μ;3)车身侧倾角φ;4)汽车纵向加速度a y ，然后利用上述基本参数计算得到:5)转弯半径R ;6)侧向加速度a x ;7)前后轮侧偏角差(α1-α2)。具体的计算公式如下:
R =μ/ωr ⑴a x =μ×ωr
⑵(α1-α2)=360°2π×L ×1R 0-1R
⑶
2 前螺旋弹簧刚度的影响分析防刺手套
表1列出了不同前螺旋弹簧刚度下的计算结果。
图3所示为不同前螺旋弹簧刚度下的前后轴侧偏角差特性、图4为不同前螺旋弹簧刚度下的车身侧倾角特性。
从图3和表1可见，随着前螺旋弹簧刚度的改变，中性转向点的侧向加速度和不足转向度也相应改变，这是由于在其他条件不变的情况下，改变前麦弗逊悬架螺旋弹簧刚度，螺旋弹簧的变形也随之改变，相应的车轮外倾角也发生改变，前轴的侧偏刚度也发生变化，进而改变了汽车的稳态转向特性。前螺旋弹簧刚度由
30N /mm 增加至32.5N /mm ，中性转向点的侧向加速度
值及其评价得分值也相应由5.32和62.7增加至5.99和
68.3，得分值增量为5.6；但当前螺旋弹簧刚度增加到32.5N /mm 后，随着前螺旋弹簧刚度的继续增加，中性转向点的侧向加速度增加很小。表1和图3还表明，不足转向度与中性转向点的侧向加速度有着一致的变化规律。
图3 不同前螺旋弹簧刚度时前后轴侧偏角差特性
表1 不同前螺旋弹簧刚度下的计算结果
弹簧刚度K
30.032.5
35.0
玻璃压延机37.5
侧向加速度a n 5.3215.9916.0386.077不足转向度U 0.4330.4940.4870.481车身侧倾度K φ
0.2920.2780.2730.271N a n 62.768.368.769.0评价计分N U
100.0100.0100.0100.0N K 100.0100.0100.0100.0平均得分N
87.6
89.4
89.6
89.7
图4 不同前螺旋弹簧刚度时车厢侧倾角特性
从图4和表1可见，随着前螺旋弹簧刚度的增加，车身侧倾度有所下降，即车身侧倾角变小，造成这种现象的
原因前螺旋弹簧刚度的增加，汽车的侧倾角刚度增加。但总体而言，车厢侧倾角的变化不大。
图5为各种前螺旋弹簧刚度下汽车具有不足转向特性的行驶轨迹图，曲线的终了位置对应于汽车具有瞬时中性转向特性的时刻，即不足转向向过度转向的转折点，因此，该时刻的侧向加速度为中性转向点对应
11
第26卷第8期 褚志刚等：麦弗逊悬架刚度对汽车稳态转向特性的影响
的侧向加速度。比较A 、B 、C 、D 可见，随着螺旋弹簧刚度的增加，汽车达到中性转向特性以前的行驶轨迹越长，汽车不足转向的极限速度越大，汽车中性转向点的侧向加速度也越大，即稳态转向特性越佳
。
图5 不同前螺旋弹簧刚度下行驶轨迹图
3 横向稳定杆直径的影响分析
表2列出了不同横向稳定杆直径下的计算结果。图6、图7分别为不同横向稳定杆直径下的前后轴侧偏角差特性和车身侧倾角特性。从图6和表2可见，随着横向稳定杆直径的增加，中性转向点的侧向加速度值及其评价得分值也相应增加，但中性转向点的侧向加速度值及其评价得分值的增量却逐渐下降。因此，适当增加横向稳定杆直径能明显改善汽车的稳态转向特性。表2和图6还表明，不足转向度与中性转向点的侧向加速度有着一致的变化规律。
表2 不同横向稳定杆直径下的计算结果稳定杆直径20.021.022.023.0侧向加速度a n 5.3215.8126.0156.186不足转向度U 0.4330.4380.4410.443车身侧倾度K φ
0.2920.2730.2710.273Na n
62.7
南瓜加工
66.8
68.5
69.9
评价计分N U
100.0100.0100.0100.0N K
100.0100.0100.0100.0平均得分N
87.6
88.9
89.5
90.
图6 不同横向稳定杆直径时前后轴侧偏角差特性
此外，表2和图7表明，横向稳定杆直径由20.0mm 增加至21mm 时，车身侧倾度的变化量较大，但当
横向稳定杆直径继续增加时，车身侧倾度几乎没有变化，但从整个分析结果可见，车身侧倾度远优于国标的限值要求，且横向稳定杆直径在20mm 至23m m 的范围内变化时对车身侧倾度的影响可以不予考虑
。
图7 不同横向稳定杆直径下车厢侧倾角特性
图8为各种横向稳定杆直径下汽车具有不足转向特性的行驶轨迹图。与图5一致，曲线的终了位置对应
于汽车具有瞬时中性转向特性的时刻，为不足转向向过度转向的转折点，汽车在该时刻的侧向加速度为中性转向点对应的侧向加速度。比较A 、B 、C 、D 可见，随着横向稳定杆直径的增加，汽车达到中性转向特性以前的行驶轨迹越长，汽车不足转向的极限速度越大，汽车中性转向点的侧向加速度也越大。
4 结 论
通过分析可以得到以下几点结论:
1)利用多体动力学分析方法，建立的整车多体动力学分析模型能够有效的进行汽车稳态转向特性分析。
2)前螺旋弹簧刚度或横向稳定杆直径对汽车稳
12
重庆大学学报 2003年
图8 不同横向稳定杆直径下行驶轨迹图
态转向特性有着明显的影响。改变前螺旋弹簧刚度或
横向稳定杆直径是提高汽车稳态转向特性的有效途径之一。
3)对工程研究实例而言，增加前螺旋弹簧刚度或横向稳定杆直径分别至32.5N /mm 和21mm 时，中性
转向点的侧向加速度有明显提高，而不足转向度和车
身侧倾度却无明显变化；但随着前螺旋弹簧刚度或横向稳定杆直径的继续增加，中性转向点的侧向加速度的增量却显著下降。参考文献:
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Effect of Stiffness of McPherson Suspension on Stable Steering C haracteristic
CH U Zhi -gang 1
,DE NG Zh ao -xian g 1
,H U Yu -mei 1
,ZH U Min g 1
,LI Wei
2
磁性材料液压机(1.State Key Labo ratory of Mechanical Transmission ,Chongqing University ,Chong qing 400044,China ;
2.The Automobile Technology Center of Chang 'an Co .LTD ,Chongqing 400023,China )
A bstract :Based on the theory of multibody dynamics ,this paper takes one kind of mini -car whose front suspensions are M c Pherson independent suspension as example ,and establishes the MD analysis model of whole vehicle including frame body ,steering system ,front suspension ,rear suspe
分动器油nsion and differential gear .Moreover ,this paper studies the effect on the stable steering characteristic by the stiffness of McPherson Suspension depending on the stiffness of screw spring and the diameter of lateral stable pole .The result show s that the stable steering characteristic can be improved greatly by increasing the stiffness of screw spring and the diameter of lateral stable pole ,but the scoring incr ement of the sta ble steering characteristic may decline g radually .Therefore ,it 's one effective measure of improving stable steering characteristic of vehicle with McPherson front Suspension by reasonably choosing stiffness of front suspension .
Key Words :multibody dynamics ;stable steering characteristic ;dynamics of vehicle sy stem ;m cPherson suspension
(编辑 成孝义)
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