某纯电动汽车车轮偏距对车辆动力学性能影响研究

徐衡，王梦妮，向成相

（威马汽车科技集团有限公司 成都研究院，四川 成都 610110）

前言

近年来，电动汽车成为汽车工业的重要发展方向，受到了全球汽车行业的广泛关注。电动汽车不仅在节能环保方面显示出巨大的优越性，更具有扭矩响应快、加速快等动力性方面的优势。电动车的动力电池具有体积、质量大的特点，对于整车的转向操稳性产生了不利的影响，由此对转向操稳性能的优化提升成为电动车动力学性能开发中非常重要的一环。汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定性能的能力[1]。本文从某平台纯电汽车车辆动力学性能前期实际开发需求出发，基于汽车动力学相关理论，以车辆方向盘转角、侧向加速度响应等特征量来表征其行驶性能特性的方式，通过主观评价并结合客观测试来分析研究当车辆其他基础参数不变时，车轮偏距变化对整车转向操稳性能的影响。

1 车轮偏距对车辆动力学影响基本原理

车轮偏距是指轮辋的安装孔内侧面到轮辋中心线的距离，分为正偏距、负偏距、零偏距。主销偏移距是主销轴线与地面交点和车轮中心线与地面交点之间的距离（如图1所示），当主销轴线与地面交点在车轮中心线与地面交点的内侧，则为正，反之为负。

图1 主销偏移距示意

当主销轴线与地面的交点和轮胎在地面上的印迹中心重合时，偏矩为零，此时制动力和驱动力对主销轴线无转矩作用。

当左右车轮上制动力不相等时，负的主销偏移距具有抵抗汽车改变行驶方向的能力。如图2所示，若汽车右前轮上作用的制动力FB,R大于左前轮上的制动力FB,L，此时汽车上会作用一个试图使车辆向右转的不平衡力矩。由于存在负的主销偏移距，即主销轴线与地面的交点A位于轮胎接地印迹中心的外侧，两前轮的制动力还会对车轮作用一个绕A点的力矩，此力矩作用到转向系统上，通过转向杆系产生弹性形变而使右前轮沿逆时针方向转动一个角度aR，使左前轮沿顺时针方向转动一个角度aL，并且aR>aL。这两个角度就是轮胎侧偏角，产生对应的侧向力FL,R和FL,L，且FL,R>FL,L，从而使汽车向左转向。因此，汽车上述两个转向作用相互抵消，有助于维持车辆的直线行驶[2]。

图2 负主销偏移距对行驶性能的影响分析

当主销偏移距为正时（如图3所示），就不具有这种维持直线行驶的特性，不平衡的制动力引起的侧向力总是会加剧车辆向某一方向转向行驶。同时，随着主销偏移距的逐渐增大，地面冲击力对方向盘的影响也会随之逐渐增大。

图3 正主销偏移距对行驶性能的影响分析

由图1可知，主销偏移距会随主销后倾角或车轮偏距的调整而变化，主销内倾角不变时，当增大车辆轮距，即减小车轮偏距时，主销偏移距会随之增大。为了更深入研究车轮偏距对车辆动力学性能的影响，本文在实车为负主销偏移距的基础状态下，保持主销内倾角等基础参数不变，通过逐渐减小车轮偏距，分析车辆由负主销偏移距逐渐向正主销偏移距增大（如图4）时各种状态下车辆的行驶性能特性。

图4 主销偏距变化示意

2 主观评价

以某纯电紧凑型SUV作为研究对象，对车辆（半载）在A、B、C、D四种车轮偏距值参数状态下进行车辆行驶性能的主观评价，四种参数状态见表1。

表1 各车轮偏距参数值 单位：mm

2.1 评价内容及方法

转向以转向干扰评价为主，评价内容主要分为两项：第一项，车辆以低速（50km/h以下）通过鹅卵石路、比利时路、斜钢索路、单边减速坎、扭曲路面、综合路面等特征路面时（图5所示），判断方向盘是否有打手感觉及感觉强弱程度（wheel fight）和方向盘振动干扰大小程度及可控性（rut wander）；第二项，在平整干燥的沥青或者水泥路面上，方向盘向左或者向右保持90o转角，以全油门从静止状态加速启动车辆，在启动加速瞬间感受评价方向盘扭力转向强弱（torque steer）。

图5 主观评价特征路面

操纵稳定性主要以制动时的车辆操稳性能评价为主，评价内容主要有三项：第一项，关闭ESP，在圆广场以80km/h速度围绕半径30m的圆行驶，并进行不同程度的制动（车轮抱死前），判断制动过程中车辆的控制性，是否有过度转向趋势（break in turn）；第二项，关闭ABS，在干沥青路（附着系数0.75） 以100km/h行驶速度进行0.6g减速度的制动以及在湿水泥路（附着系数0.4）以80km/h行驶速度进行0.4g减速度的制动，判断车辆在高低附路面高速行驶时，中等强度制动时的行驶稳定性；第三项，开启ABS，在湿对开路（湿沥青/湿花岗岩，附着系数0.45/0.25）以100km/h行驶速度进行紧急制动，判断制动过程中车辆的行驶稳定性以及行驶方向的控制性。

2.2 评价结果

A车轮偏距状态：（1）鹅卵石路、比利时路、斜钢索路、单边过减速坎等，无明显转向干扰；过扭曲路，方向盘摆动幅度较大，但回馈力矩较弱，无明显打手情况，保持转向方向非常容易；在综合路段上，行经车辙及坑洼，无明显车轮侧向干扰造成的转向干扰；（2）围绕半径30m圆进行绕圆行驶，在不同制动强度制动时（车轮抱死前）车辆状态稳定，无过度转向趋势；（3）保持方向盘90o转向，从静止全油门加速启动车辆时，方向盘无明显扭力转向，保持方向非常容易；（4）在高低附路面及湿对开路面进行直线行驶紧急制动时，车辆稳定性保持较好。

B车轮偏距状态：（1）鹅卵石路、比利时路无明显转向干扰，但斜钢索路、单边过减速坎时出现较明显转向干扰，转向打手回馈力相对A较强，但仍能较容易控制方向盘；扭曲路评测时，方向盘摆动幅度更大，回馈力矩明显加强，相对A需要更大手力保持方向盘稳定；在综合路段上，行经车辙及坑洼，车轮侧向干扰较明显，需要一定力维持方向盘；（2）进行半径30m绕圆制动评估，各程度制动时（车轮抱死前）车辆稳定性一般，出现轻微过度转向趋势，但未过度转向；（3）保持方向盘90o转向，从静止全油门加速启动车辆时，方向盘扭力反馈较A无明显变化，行驶方向非常容易控制；（4）在高低附路面制动时车辆较稳定，湿对开路面制动出现轻微跑偏，但较易控制。

C车轮偏距状态：（1）鹅卵石路、比利时路转向干扰轻微，在斜钢索路、单边过减速坎时较B出现更明显方向盘打手；过扭曲路，相对B力矩回馈更强，需要更大手力来保持方向盘稳定；行经车辙和坑洼路面时，车轮侧向力干扰明显，相对B需要更多手力来保持行驶方向稳定；（2）绕圆行驶，进行不同程度制动时（车轮抱死前）车辆开始略有失稳，已经出现轻微过度转向；（3）保持方向盘90o转向，从静止全油门加速启动车辆时，转向手力较B无明显区别，能很容易保持行驶方向；（4）高低附路面制动时，车辆出现跑偏趋势，湿对开路面制动出现较B更明显横摆角速度响应，需要输入较大的方向盘转角来控制车身的稳定性。

D车轮偏距状态：（1）鹅卵石路、比利时路较C有更明显的转向干扰，斜钢索路、单边过减速坎、扭曲路时方向盘摆动幅度非常大，较C力矩回馈更大，较难控制方向盘的稳定；通过车辙或坑洼路面时，车轮侧向力干扰相对C更明显；（2）圆广场进行不同程度转弯制动时（车轮未抱死）车辆已经明显失稳，过度转向较C更加明显，但还能较轻松控制车辆不失控；（3）保持方向盘90o转向，从静止全油门加速启动车辆时，方向盘能很容易保持住方向，其扭力反馈与A、B、C三种状态的表现无明显差异；（4）高低附路面制动时，车辆跑偏趋势与C状态趋同，但在湿对开路面制动时车辆明显跑偏，横摆角较大，已经较难保持车辆行驶的稳定性。

2.3 主观评价结论

在整车其他基础参数不变的情况下，调整车轮偏距，在方向盘转角为90o启动加速时的转向性能影响不大，但在不规则特征路面上（扭曲路、坑洼、单边过减速坎等）对方向盘转向干扰影响较大，尤其当偏距调整到30.8mm时，已经较难控制路面对方向盘的转向干扰；随着偏距的减小，弯道制动时车辆的稳定性越来越差，甚至出现失稳；偏距调整对车辆在高低附路面高速情况下制动稳定性影响较轻微，但对湿对开路面上的高速紧急制动稳定性影响是明显的，当偏距为29.3mm，车辆已经出现不易控的跑偏，表现出较严重的行驶安全缺陷。

3 客观测试分析

在主观评价结果的基础上，结合车辆动力学工程开发的实际经验，对方向盘在90o转角时加速启动、高低附路面中等强度制动以及湿对开路面紧急制动的转向操稳特征量进行测量，进一步来量化表征车轮偏距的变化对车辆转向操稳特性的影响。测试采用数据采集仪、测力方向盘以及非接触式光学传感器等设备（图6所示）。

图6 客观测试设备

3.1 转弯加速启动

测试主要分析从静止到加速启动瞬间方向盘力矩突变峰值的大小，该特征值越大说明转弯加速启动瞬间方向盘控制越困难。为了进一步细化表征不同车轮偏距下特征值，将在两种动力模式下（经济和运动）分别按前轴轴荷差异20kg、30kg和40kg进行测试。

3.1.1 测试结果与分析

方向盘向左或向右转90o，从静止全油门加速车辆，当车速达到5kph～15kph时，方向盘力矩会出现一个峰值点，根据每个车轮偏距不同工况下的转向加速启动力矩特征曲线（如图7）提取的峰值力矩值来对比分析不同偏距对车辆加速启动的影响。每种工况各进行三次有效试验，取三次试验的平均值作为最终结果，结果如表2。从试验结果对比分析可知，无论动力模式是ECO还是Sport，以及前轴左右轴荷差异从20kg到40kg，车轮偏距从45mm减小到29.3mm时，启动转向力矩都无明显变化。

图7 启动转向力矩特征曲线

表2 不同车轮偏距转弯启动转向力矩测试结果

3.2 高低附路面中等强度制动

测试提取方向盘修正角度峰值和侧向加速度峰值作为衡量车辆在中等强度制动过程中的行驶稳定性的特征值，特征值越大说明车辆制动时行驶稳定性越差。分别以前轴左右轴荷差异20kg、30kg和40kg三种工况进行测试分析。

3.2.1 高附路面制动试验结果及分析

车辆以100km/h为行驶初速度，以在0.15s内达到0.6g制动减速度进行制动，提取方向盘修正角度时间历程曲线以及侧向加速度时间历程曲线中的峰值点（图8）来对比分析高附制动时不同车轮偏矩对车辆制动行驶稳定性的影响。

图8 高附路面制动行驶性能特征曲线

每种工况各进行三次有效试验，取三次试验的平均值作为最终结果，如表3所示。高附制动时，车辆偏距由45mm调整到29.3mm，前轴轴荷差由20kg增大到40kg时，方向盘修正转角峰值和侧向加速度峰值有增大趋势，但增大量较小，整体来说，偏距调整对车辆高附路面制动行驶稳定性影响较小。

表3 不同车轮偏距高附制动方向盘修正角度峰值及侧向加速度峰值测试结果

3.2.2 低附路面制动测试结果及分析

车辆以80km/h为行驶初速度，以在0.15s内达到0.4g制动减速度进行制动，提取方向盘修正角度时间历程曲线以及侧向加速度时间历程曲线中的峰值点（图9）来对比分析低附制动时不同车轮偏矩对车辆制动行驶稳定性的影响。

图9 低附路面制动行驶性能特征曲线

每种工况各进行三次有效试验，取三次试验的平均值作为最终结果，结果如表4所示。低附制动时，方向盘修正角度、侧向加速度大小整体上处于较小范围，虽然车辆偏距由45mm调整到29.3mm，前轴轴荷差由20kg增大到40kg时，方向盘修正转角峰值和侧向加速度峰值有增大趋势，所以偏距调整对车辆低附路面制动行驶稳定性有一定的影响。

表4 不同车轮偏距低附制动方向盘修正角度峰值及侧向加速度峰值测试结果

3.3 湿对开路面制动

车辆以100km/h的初速度在湿对开路面进行紧急制动（触发ABS），由于左右车轮路面附着系数不同，左右车轮地面制动力差异较大，在进入制动初始阶段，车辆总会有向某个方向跑偏的趋势，期间需要通过不断修正方向盘转角来保持车辆直线行驶轨迹，方向盘修正角度越大，说明车辆跑偏越严重，制动稳定性越差。

3.3.1 测试结果及分析

对四种车轮偏距的工况测试时，记录制动过程中方向盘转角时间历程曲线，从曲线中提取方向盘修正转角峰值以及方向盘转角稳态值作为评价不同偏距的车辆在湿对开路面制动的行驶稳定性以及保持直线行驶的难易程度。图10为方向盘转角特征曲线及特征值提取示意，对三次有效试验的测试结果取平均，试验结果如表5所示。车辆偏距从45mm调整到29.3mm，方向盘修正转角增大趋势明显，增大幅值大约25%，说明湿对开路面进行紧急制动时，随着车轮偏距的减小，为了维持车辆正常行驶所需要的方向盘修正转角越大，即车辆的行驶稳定性随着车轮偏距的减小而逐渐降低。

图10 湿对开路面制动行驶性能特征曲线

表5 不同车轮偏距湿对开路制动方向盘修正转角峰值及稳态值测试结果

4 结论

（1）当车辆其他基础参数不变时，对不同车轮偏距车辆转向特性、制动操控稳定性进行主观评价，当车辆从基准车轮偏距45mm逐渐降低到29.3mm时，车辆转向干扰、操稳特性都出现较明显的衰减。

（2）结合主观评价，利用客观测试设备，对不同车轮偏距下的车辆行驶性能进行了测试，测试结果表明，主观评价结果与测试结果基本一致。车轮偏距减小对转弯加速启动的转向特性影响很小，但对制动行驶稳定性影响较大，随着车轮偏距的减小，制动行驶稳定性随之降低。