整车不足转向特性影响因素研究

景立新 姜清伟 李洋 吴利广 李飞

摘 要：文章分析了悬架K&C特性、轮胎力学特性对车辆不足转向特性的影响，其中悬架侧倾转向、侧向力转向、回正力矩转向及轮胎侧偏刚度对整车不足转向特性有重要贡献，而轮胎垂向载荷及复合工况下纵向滑移率则对轮胎侧偏刚度有明显影响，进而改变整车不足转向特性，为底盘开发提供了重要的理论依据。

关键词：轮胎力学特性;K&C;不足转向特性

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）20-124-05

Abstract： This paper analyzes the influence of suspension K&C characteristics and tire mechanical characteristics on the understeer characteristics of the vehicle， in which the suspension roll steer， lateral force steer， aligning moment steer and tire cornering stiffness make an important contribution to the understeer characteristics of the vehicle， while the tire vertical load and longitudinal force under compound conditions have an obvious impact on the tire cornering stiffness， thus changing the understeer characteristics of the vehicle.

Keywords： Tire mechanical characteristics; K&C; Understeer characteristics

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）20-124-05

前言

整車不足转向特性是车辆操稳性能的重要参数之一，也是底盘性能开发的重要依据。影响不足转向特性的主要参数包括前后轴荷分配，悬架K&C特性，轮胎刚度特性等。

悬架K&C特性作为悬架准静态特性表征，其中侧倾转向、侧倾外倾、侧向力转向、侧向力外倾、回正力矩转向、回正力外倾等参数主要影响车辆的不足转向特性。

轮胎作为车辆与地面接触的唯一部件，除空气作用力以外，实现车辆各种运动的外力均由轮胎产生[1][2]，车辆的响应特性很大程度上取决于轮胎侧偏刚度，同时侧偏刚度对整车不足转向特性也有显著影响。

1 不足转向特性

整车的不足转向特性分为不足转向及过度转向，不足转向的表现为当固定方向盘转角，车辆的转弯半径随车速的提高而增大，对应的前轴侧偏角大于后轴侧偏角，此时车辆虽丧失部分转向能力，但车辆可控，处于稳定状态;而过度转向则相反，转弯半径随车速的提高而减小，车辆不可控，处于失稳状态。

由计算结果可以看出，实车测试结果与计算结果基本一致。后轴等效侧偏柔度受后悬K&C的影响不大，主要为轮胎本身侧偏柔度;而后轴等效侧偏柔度越小，车辆的响应越快，稳定性越好，因此希望轮胎的侧偏柔度尽量小，即侧偏刚度尽量大;前轴等效侧偏柔度受前悬K&C的影响较大，整车的不足转向度很大比例是由前悬架K&C特性提供;由于前后轴荷接近，轮胎侧偏刚度相差不大，轮胎对不足转向梯度的影响较小。

在悬架K&C特性中，侧倾转向、侧向力转向、回正力矩转向对整车不足转向度影响显著，在设计开发中需要严格控制。

1.4 轮胎非线性对不足转向度的影响

1.4.1 载荷转移对不足转向度的影响

在车辆侧倾过程中，左右车轮的垂直载荷将重新分配，外轮载荷增大，内轮载荷减小，同时由于前后悬架侧倾角基本一致，侧倾刚度大的一轴左右载荷转移也将增大。由于轮胎侧偏刚随垂直载荷非线性变化，左右载荷转移越大，左右侧轮胎共同产生的轴侧偏刚度越小，这也是在底盘设计中通过增加前悬架侧倾刚度来增大整车不足转向度的原理基础。

以该车型为例，在以0.2g转向时，整车的侧倾力矩为Wa*ay*h，按照前后悬架侧倾刚度6：4的分配比例，前悬架垂向载荷变化为Wa*ay*h*0.6/T=1000N，后悬架垂向载荷变化666N，如图5。

此时整车的不足转向度增大了0.04deg/g，轮胎侧偏刚度随垂向载荷变化非线性趋势越明显，前后悬架侧倾刚度分配比例偏离1：1越多，实际不足转向度与静态计算值偏差越大。

1.4.2 纵向滑移率对不足转向度的影响

受轮胎附着摩擦椭圆的影响[6]，纵向滑移对轮胎侧偏刚度有较大影响[7][8][9]，进而影响整车不足转向度。随着电动车越来越多，尤其是后驱电动车，由于驱动时电机扭矩较大，容易出现纵向滑移，导致侧偏刚度较小，甚至出现甩尾工况。

ABS制动防抱死系统在车辆制动过程中将车轮的滑移率控制在10%～30%的范围内（目前主流ABS泵生产厂商，比如博世ABS 8.0容许的滑移率为15%～20%），TCS驱动力控制系统在驱动过程中将车轮的滑转率控制在10%～30%之间，在汽车起步或加速中，当电脑监测到驱动轮的滑转率大于30%时，便向发动机发出指令减小驱动力，发动机便会减少喷油量，从而减小发动机转矩输出，使驱动轮的滑转差回到10%～30% 之间，保证车轮始终拥有较大的附着力。

通过在轮胎特性试验台上固定侧偏角纵滑试验（结果见图6）和固定纵向滑移率侧偏试验（结果见图7），可以获得不同滑移率下轮胎侧偏特性的变化。由试验可看出，当滑移率为10%时纵向力达到最大值，之后为减小趋势，侧向力在滑移率小于4%的区域变化不大，而在滑移率为10%、20%时已分别减小50%和70%。以上文对应车辆为例，车辆为电动后驱，当驱动滑移率10%时，轮胎侧偏刚度减小50%，轮荷除以侧偏刚度获得的侧偏柔度将为原来的2倍，轮胎对整车的不足转向贡献由0.1deg/g变化为-2.5deg/g，整车的不足转向度也将有1.93变为-0.67deg/g，此时车辆已为过度转向，很容易出现甩尾失控。

为了验证纵向滑移率对不足转向特性的影响，建立某车型的整车Carsim仿真模型，仿真工况为10秒内实现0-108 Km/h加速，加速度为0.3g，分别以前轮驱动、后轮驱动、四轮驱动进行，后轮的驱动比例为0%、100%、50%，仿真结果见图8-10，可以看出前后纵向滑移对整车不足转向特性有重要影响。

而对于制动工况，前后车辆均有滑移，且由于车辆设计时前轴的制动百分比要大于后轴，即使考虑制动载荷转移也要保证前轴滑移率大于后轴滑移率，前轴先于后轴侧滑。

2 试验台架

悬架K&C特性由SPMM悬架试验台测试获得，该试验台具有一个中央平台和四个车轮平台[10]，中央平台可实现车辆的整体Bounce、Pitch、Roll运动，车轮平台可实现各个车轮的侧向、纵向、转动运动，传感器测量各工况下车轮定位参数的变化，台架见图11。轮胎特性参数由Flat Trac轮胎特性试验台测试获得，该试验台为平带式，可实现高速（250km/ h）轮胎力学特性测试[11]，测试的典型工况有侧偏工况、纵滑工况、复合工况、瞬态工况、垂向刚度、滚动半径、原地转向等，试验台架见图12。

3 结论

本文系统性的分析了影响车辆动力学性能的悬架特性及轮胎力学特性，通过悬架K&C特性、轮胎刚度特性分析整车不足转向度，为底盘开发中的各系统目标制定提供了依据。

輪胎侧偏刚度随垂向载荷为非线性变化，且非线性趋势越明显，前后悬架侧倾刚度分配比例偏离1：1越多，实际不足转向度与静态计算值偏差越大，为底盘调校中侧倾稳定杆的匹配提供了理论依据。

受轮胎摩擦椭圆影响，在轮胎纵向有滑移时，其侧偏刚度将明显变化，进而引起轴等效侧偏柔度及不足转向度显著变化，为车辆开发尤其是后驱电动车型开发提供重要参考。

参考文献

[1] 郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术社，1991.

[2] Pacejka H B.Analysis of tire properties. In： Clark S K， ed， Mechanics of Pneumatic Tires， new edition， Washington DC： DOT HS 805 952， NHTSA，1981，721-870.

[3] 管欣，逄淑一，詹军.悬架K&C特性在底盘性能分析中的研究[J].汽车技术. 2010（02）.

[4] 蔡章林.悬架系统K&C特性综述[J].上海汽车，2009（8）：12-22.

[5] 赵六齐，金达锋译.车辆动力学基础[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6] 庄晔，郭孔辉.动摩擦特性对轮胎侧偏?纵滑复合特性的影响[J].吉林大学学报（工学版）. 2008（S2）.

[7] 郭孔辉，刘青.考虑胎体复杂变形的轮胎稳态侧偏特性理论模型[J]. 机械工程学报，1999，35（2）：15-18.

[8] Xu N，Lu D，Ran S H.A predicted tire model for combined tire cornering and braking shear forces based on the slip direction[C]. 2011 International Conference on Electronic & Mechanical Engine -ering and Information Technology， 2011， 4： 2073-2080.（EI： 2011 4014403448） （Written & Oral Presentation）.

[9] Guo K H， Xu N， Lu D， et al. A model for combined tire cornering and braking forces with anisotropic tread and carcass stiffness[J]. SAE Int. J. Commer.Veh.2011，4（1）： 84-95.SAE Transactions： 2011- 01-2169.

[10] ABD Corporation.SPMM OUTLINE SPECIFICATION SP20010 issue3.http：//www.abd.uk.com.

[11] MTS Flat Trac Tire Test System User Manual. MTS System company.