殷呂，呂草，李磊

（1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，合肥230601；2.安徽省汽車(chē)工業(yè)學(xué)校，合肥231131）

基于Ada m s/Ca r車(chē)身橫擺響應(yīng)分析及改進(jìn)

殷呂1，呂草2，李磊1

（1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，合肥230601；2.安徽省汽車(chē)工業(yè)學(xué)校，合肥231131）

針對(duì)某款SUV在高速過(guò)坑時(shí)出現(xiàn)整車(chē)車(chē)身橫擺響應(yīng)較大的問(wèn)題，建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真與分析；討論懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)車(chē)輛單側(cè)過(guò)坑車(chē)身橫擺響應(yīng)的主要影響因素，提出改進(jìn)措施并制作改進(jìn)樣車(chē)進(jìn)行路試驗(yàn)證。

剛?cè)狁詈夏Ｐ?；單?cè)過(guò)坑；橫擺響應(yīng)；Adams/Car

汽車(chē)在正常行駛過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到坑洼路面（如城市道路中央的窨井蓋），當(dāng)車(chē)輛單側(cè)通過(guò)坑洼路面時(shí)，會(huì)引起車(chē)身“晃動(dòng)”，若后懸配置多連桿懸架時(shí)，這種“晃動(dòng)”感尤其明顯，給車(chē)內(nèi)人員帶來(lái)不安全感和不舒適感。本文針對(duì)某款SUV在通過(guò)上述路段時(shí)出現(xiàn)車(chē)身橫擺響應(yīng)過(guò)大的異常現(xiàn)象，建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析整車(chē)過(guò)坑時(shí)橫擺響應(yīng)異常的產(chǎn)生機(jī)理，提出改進(jìn)措施并應(yīng)用到道路試驗(yàn)證中，根據(jù)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中提出的整車(chē)操縱穩(wěn)定性及平順性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指導(dǎo)方法，完成路試評(píng)價(jià)。

1 建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型的建立，首先需建立模板文件，建立的基本步驟如圖1所示。本文涉及的某SUV車(chē)型為量產(chǎn)車(chē)型，前懸架采用的是麥弗遜式，后懸架采用多連桿。

1.1 建立前懸架動(dòng)力學(xué)模型

在Adams/Car軟件中建立前懸架的多體動(dòng)力學(xué)模型。前懸架為麥弗遜式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在仿真中結(jié)構(gòu)件彈性變形對(duì)整車(chē)定位參數(shù)影響較小，所以對(duì)前副車(chē)架、下擺臂等結(jié)構(gòu)件采用剛性體模型。

圖1 模板文件建立流程

圖2 前懸架動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確性檢查

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，通過(guò)模型的K&C仿真與實(shí)車(chē)K&C臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，判斷模型與實(shí)車(chē)的準(zhǔn)確性[3]。對(duì)該SUV的前懸K&C仿真數(shù)據(jù)與實(shí)車(chē)K&C臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果較為吻合，如圖2所示，該模型可進(jìn)行整車(chē)仿真。

1.2 建立后懸架模型

后懸架為多連桿懸架，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，桿件的剛度大小對(duì)懸架的動(dòng)力學(xué)影響較為明顯[4-5]。其中后拖曳臂為片狀，整車(chē)通過(guò)坑洼路面時(shí)，拖曳臂受到較大側(cè)向力及縱向力，會(huì)發(fā)生較大彈性變形，對(duì)車(chē)輛后輪的定位參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

[6]中驗(yàn)證，在多連桿懸架中，受側(cè)向力或縱向力較大的桿件需進(jìn)行柔性化處理，因這類(lèi)桿件受力產(chǎn)生的變形會(huì)直接影響車(chē)輛的四輪定位參數(shù)，導(dǎo)致整車(chē)出現(xiàn)輪胎偏磨、甩尾等風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上述分析，本文對(duì)后拖曳臂進(jìn)行柔性化處理，柔性化處理的方法為：在hypermesh中對(duì)拖曳臂桿件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義材料屬性，為了使單位制與ADAMS統(tǒng)一，彈性模量輸入2.1e5，泊松比取0.3，密度為7.9e-6，建立模態(tài)分析模型，并輸出*.mnf模態(tài)中性文件，導(dǎo)入到Adams/Car中，用interface part與剛性體進(jìn)行連接。拖曳臂柔性化模型如圖3所示。將拖曳臂桿件數(shù)據(jù)以*.mnf模態(tài)中性文件導(dǎo)入到Adams/Car中。

圖3 后懸柔性體桿件

圖4 后懸前束隨輪跳變化對(duì)比

如圖4所示，從K&C仿真分析結(jié)果中可看出，拖曳臂柔性化處理后，輪跳從0到100 mm過(guò)程中，后輪前束整個(gè)變化趨勢(shì)由弱負(fù)變?yōu)槿跽欢喬鴱?到-100mm過(guò)程中，兩種模型的變化趨勢(shì)基本一致，且輪距變化不大。整車(chē)在實(shí)際行駛中，當(dāng)后輪通過(guò)減速帶或石塊時(shí)，車(chē)輪處于懸架上跳行程，輪距有變小的趨勢(shì)，導(dǎo)致縱向布置的拖曳臂發(fā)生向內(nèi)的側(cè)向變形。由于拖曳臂是布置在車(chē)輪前側(cè)方向，從而使得整車(chē)前束發(fā)生正向變化，即由初始弱負(fù)狀態(tài)變化為弱正狀態(tài)。因此，拖曳臂柔性化處理后的模型精度更高。

1.3 其他系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

1）車(chē)身：車(chē)身可以定位為質(zhì)量塊，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按如下公式估值[7]：

式中：TW=輪距，B=軸距，m=汽車(chē)質(zhì)量，RH=車(chē)頂離地高度，Hg=汽車(chē)質(zhì)心高度，L=汽車(chē)總長(zhǎng)，上述單位為kg與m；Kx、Ky、Kz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般對(duì)于轎車(chē)而言，Kx取7.984 6，Ky取5.290 1，Kz取2.194 2。

2）轉(zhuǎn)向：該車(chē)采用齒輪齒條轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，最大轉(zhuǎn)向角、最大齒條位移分別為1 173.6°、153.5 mm，傳動(dòng)比為0.133 373 29 rad/mm。

3）其它零部件如前后穩(wěn)定桿、動(dòng)力總成、輪胎等參數(shù)依據(jù)車(chē)型參數(shù)確定。

根據(jù)以上內(nèi)容，建立各子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，各子系統(tǒng)之間用通訊器進(jìn)行連接。建立的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

2 整車(chē)過(guò)坑橫擺仿真分析

2.1 整車(chē)模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

在Adams/Car中進(jìn)行同向輪跳仿真分析，并與實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，方向盤(pán)鎖止，施加制動(dòng)力矩，輪胎固定，左右車(chē)輪在垂向作動(dòng)器作用下同向跳動(dòng)，測(cè)量車(chē)輪的外傾角、前束角、輪心的縱向及側(cè)向位移等參數(shù)[8]，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 仿真分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，模型仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)臺(tái)架數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，該模型可用來(lái)仿真整車(chē)操穩(wěn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。表中數(shù)據(jù)最高最低點(diǎn)差異的原因?yàn)閷?shí)車(chē)前后軸荷與設(shè)計(jì)狀態(tài)有差異導(dǎo)致車(chē)身姿態(tài)不同，而曲線變化范圍的不一致主要原因是模型與實(shí)車(chē)懸架硬點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)存在的差距，主要是由整車(chē)制造與裝配誤差造成的。

2.2 高速過(guò)坑工況仿真分析

根據(jù)實(shí)車(chē)路試工況，該車(chē)在車(chē)速30 km/h以上、單側(cè)車(chē)輪經(jīng)過(guò)路面低洼坑時(shí)，車(chē)身出現(xiàn)較大幅度的左右橫擺，車(chē)身的橫擺持續(xù)兩個(gè)周期后衰減，且車(chē)速高于60 km/h時(shí)尤為顯著。

1）設(shè)計(jì)仿真路面為帶單側(cè)凹坑（長(zhǎng)0.8 m，寬0.8 m，深70 mm）的直線路面；

2）整車(chē)模型以60 km/h通過(guò)1）中帶單側(cè)凹坑的直線路段，仿真時(shí)間7 s；

3）以車(chē)身橫擺角度、橫擺角速度及橫擺角加速度為輸出目標(biāo)值[8]進(jìn)行分析。

圖6 車(chē)身橫擺角度、橫擺角速度、橫擺角加速度隨時(shí)間變化圖

在Adams/Car中進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到的輸出曲線如圖6所示。

分析圖6中曲線可知，在整車(chē)單側(cè)過(guò)坑時(shí)（前、后輪依次通過(guò)坑），橫擺角加速度出現(xiàn)了兩次較大幅度的震蕩，恰好反映了前后輪過(guò)坑的時(shí)間點(diǎn)。隨著的時(shí)間的推移，出現(xiàn)在4.375 s時(shí)的橫擺角加速度要明顯高于4.18 s時(shí)的值，說(shuō)明單側(cè)后輪在過(guò)坑時(shí)對(duì)車(chē)身的橫擺影響較大，且后輪負(fù)向橫擺角加速度幅值較正向高出很多，說(shuō)明整車(chē)單側(cè)過(guò)坑時(shí)，車(chē)身向一個(gè)方向的橫擺較為嚴(yán)重。

以上分析與實(shí)車(chē)試驗(yàn)時(shí)主觀評(píng)價(jià)一致。實(shí)車(chē)試驗(yàn)時(shí)，整車(chē)右側(cè)過(guò)坑，前后車(chē)輪在相繼落入坑中時(shí)，車(chē)內(nèi)駕乘人員僅感覺(jué)到車(chē)身的上下顛簸，但當(dāng)后輪出坑時(shí)，明顯感覺(jué)到車(chē)身后部左右擺動(dòng)兩下，坐在后排的乘客感受更為明顯。

在操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的仿真分析中，考察車(chē)身橫向穩(wěn)定性一項(xiàng)重要指標(biāo)就是車(chē)身的橫擺角速度。整車(chē)在過(guò)坑時(shí)，車(chē)輪落入坑中顛簸感較大，車(chē)身的小幅度橫向擺動(dòng)會(huì)被乘客忽略，但當(dāng)后輪的出坑并漸入水平路面時(shí)，車(chē)身的橫擺角速度有兩個(gè)明顯的負(fù)向峰值，車(chē)身有兩次明顯的擺動(dòng)，給駕乘人員帶來(lái)了較差的舒適性與較低的安全感。

由此可見(jiàn)，后輪橫擺角速度是造成車(chē)身橫擺主要因素，而負(fù)向的橫擺角速度是分析的主要方向。橫擺角度及橫擺角加速度是車(chē)身橫擺響應(yīng)分析的其他指標(biāo)，在分析方法及判斷標(biāo)準(zhǔn)與橫擺角速度一致，本文主要針對(duì)橫擺角速度進(jìn)行分析。

3 橫擺影響因素分析及改進(jìn)方案

3.1 車(chē)身橫擺角速度影響因素分析

本文涉及的SUV后懸架為多連桿懸架，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中關(guān)于汽車(chē)橫向穩(wěn)定性影響因素統(tǒng)計(jì)，車(chē)身橫擺角速度過(guò)大與后懸彈性元件、減振阻尼、橫向剛度等有關(guān)，合適的后懸橫擺剛度可以降低車(chē)身橫擺角速度。根據(jù)文獻(xiàn)[9]和[10]中對(duì)于多連桿懸架的論述，后懸橫擺剛度與后懸四輪定位參數(shù)及后橫擺臂（尤以上擺臂為影響大）Y向剛度關(guān)系較大。

基于上述分析，本文重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面分析參數(shù)變化對(duì)車(chē)身橫擺角速度的影響：

1）前束與外傾角對(duì)車(chē)身橫擺角速度的影響。

圖7 表明四輪定位中前束與外傾角參數(shù)變化對(duì)車(chē)身橫擺角速度響應(yīng)的幅值影響很大，對(duì)衰減快慢影響較小，且負(fù)前束時(shí)，橫擺角速度負(fù)向峰值較大，而外傾角對(duì)橫擺角速度的影響相對(duì)前束較小。實(shí)車(chē)測(cè)試對(duì)比了四輪定位合格與不合格的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)合格時(shí)過(guò)坑橫擺現(xiàn)象明顯改善，且前束作用較大。

2）減小輪胎與車(chē)身之間能量的傳遞。在對(duì)整車(chē)過(guò)坑的路面仿真分析中，對(duì)桿件的襯套受到的力進(jìn)行了提取，發(fā)現(xiàn)橫擺臂的內(nèi)外襯套Y向受力變化范圍最大，在60 km/h車(chē)速下峰值與谷值的差值達(dá)到2 000 N以上，這說(shuō)明車(chē)身受到的側(cè)向力是影響車(chē)身橫擺角速度的重要因素，如圖8所示。

圖8 左后輪后上擺臂內(nèi)側(cè)襯套側(cè)向力響應(yīng)曲線

如圖9，圖10所示，通過(guò)對(duì)入坑和出坑時(shí)整車(chē)相關(guān)參數(shù)的響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，在出坑后的一個(gè)周期內(nèi)整車(chē)的響應(yīng)體現(xiàn)為車(chē)身的橫擺角速度增加，從實(shí)際乘坐感受中也體會(huì)到在出坑后一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有一個(gè)明顯的橫擺，這種遲滯現(xiàn)象是由懸架襯套造成的。因此懸架襯套Y向剛度對(duì)車(chē)身橫擺的抑制起著非常重要的作用。

圖10 車(chē)身橫擺角速度隨路程變化的響應(yīng)

3.2 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

針對(duì)影響車(chē)身橫擺角速度的兩個(gè)主要因素，分別進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，采用文獻(xiàn)[11]中所述方法，在相同車(chē)況、相同路況及相同駕駛環(huán)境下進(jìn)行。

1）四輪定位，將參數(shù)調(diào)至要求定位參數(shù)的中間值。重新定位后的整車(chē)，在實(shí)車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，整車(chē)在單側(cè)通過(guò)路面窨井蓋時(shí)，車(chē)身橫擺角速度明顯較低，坐在前排的駕乘人員已基本感覺(jué)不到車(chē)身后部的擺動(dòng)。

2）降低后上橫擺內(nèi)外襯套的剛度。以后上橫擺襯套設(shè)計(jì)要求為基準(zhǔn)，結(jié)合上述分析結(jié)果，將襯套的內(nèi)外剛度值降低15%，優(yōu)化襯套內(nèi)套管及橡膠結(jié)構(gòu)，制作符合設(shè)計(jì)要求的樣件，裝車(chē)路試。

路試主觀評(píng)價(jià)，襯套剛度降低后的整車(chē)在路試過(guò)程中，在相同車(chē)況下，分別以不同車(chē)速（40～100 km/h）單側(cè)通過(guò)路面窨井蓋，車(chē)身橫擺的幅度降低非常明顯，無(wú)論前排還是后排，駕乘人員均感覺(jué)不到車(chē)身的橫擺[12]。

4 結(jié)論

1）評(píng)價(jià)整車(chē)通過(guò)不平路面時(shí)車(chē)身橫擺響應(yīng)的指標(biāo)較多，設(shè)計(jì)前期可將車(chē)身橫擺角速度負(fù)向峰值作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)整車(chē)的動(dòng)力學(xué)仿真分析，確定影響車(chē)輛橫擺響應(yīng)的影響因素，為整車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2）整車(chē)四輪定位參數(shù)不僅影響車(chē)身橫擺響應(yīng)，對(duì)車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性及舒適性均有直接影響。所以，在車(chē)輛正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需對(duì)四輪定位參數(shù)進(jìn)行充分評(píng)估與驗(yàn)證。

3）本文主要考察橫擺角速度負(fù)向峰值對(duì)車(chē)身橫擺幅度的影響，適當(dāng)改變后上橫擺襯套剛度可降低橫擺角速度負(fù)向峰值。合理的襯套參數(shù)，可改善車(chē)輛單側(cè)過(guò)坑車(chē)身穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。

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修改稿日期：2016-10-29

Analysis and Improvement on Vehicle Body Yaw Based on Adams/Car

Yin Lv1，LvCao2，Li Lei1
（1.Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230601,China;2.Anhui Automobile IndustryCollege,Hefei 231131,China）

Aiming at the bigger yawresponse problem for a SUV passing through potholes at a high speed,the authors establish the dynamics model with the rigid-flexible couplingand dothe simulation analysis.Then theydiscuss the main influence factors from structural parameters of suspension system to the body yaw response during SUV passing through the unilateral pothole,propose the improvement measures,and make an improvement prototype vehicle and take a road test for validation.

rigid flexible couplingmodel;pothole;yawresponse；Adams/Car

U463.83+1

B

1006-3331（2016）06-0021-04

殷呂（1983-），男，碩士；底盤(pán)設(shè)計(jì)工程師；主要從事汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。