横向稳定杆对搅拌车稳态响应的影响

秦严彬，陈鹏飞，王敏，冯金枝

1.徐州徐工汽车制造有限公司，江苏徐州 221004；2.上海理工大学机械工程学院，上海 200093

0 引言

汽车的操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且也决定了汽车行驶的安全性。悬架系统是汽车的重要组成部件之一，它对汽车的平顺性、行驶安全性起到关键作用[1]。由于搅拌运输车的质心高与前桥板簧匹配等原因，在行驶过程中往往存在侧倾角刚度不足以及侧倾稳定性差等问题。最常用的解决方案就是加装横向稳定杆，增加了悬架的侧倾角刚度，提高了车辆的转弯工况抗侧倾能力。前后横向稳定杆的不同匹配方式，影响前后轴不同的侧倾角刚度，要保证车辆的不足转向，必须满足车辆的前悬架侧倾角刚度不小于后悬架侧倾角刚度[2]。

1 横向稳定杆对汽车稳态响应影响的理论分析

当左右车轮垂向等幅跳动时，横向稳定杆不起作用；当车身侧倾，左右车轮有垂向相对位移时，横向稳定杆发生扭转，产生侧倾的阻力矩，起到稳定车身的作用。因此选择合适的前后悬架的侧倾角刚度值，有助于使汽车获得所需要的不足转向特性[3]。

图1 车轮垂直载荷转移对轮胎侧偏刚度影响

一个车桥具有较大的侧倾角刚度，其在侧向加速度较大时，总的侧偏刚度就降低较多，相应的使得车桥的侧偏角增大得多。所以前桥侧倾角刚度大于后桥利于不足转向[2]。

2 车辆模型仿真与验证

根据整车参数，利用Trucksim软件快速建立整车参数化模型。比如悬架刚度、阻尼与K&C特性等进行参数设置，可以仿真车辆对驾驶员，路面及空气动力学输入的响应，主要用来预测和仿真整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性，同时被广泛应用于现代汽车控制系统的开发。稳态回转仿真结果与试验结果重合度较高，验证了模型的精确性，可用于后续仿真研究。

无稳定杆状态下原车稳态回转试验值与仿真值对比见表1。由表的仿真结果可以看出，无稳定杆状态下车辆稳态回转数据与仿真结果接近，验证了动力学模型的精确性，可用于后续研究。

表1 无稳定杆状态下原车稳态回转试验值与仿真值对比 单位:(°)/(m·s-2)

3 横向稳定杆匹配研究与试验验证

3.1 横向稳定杆匹配仿真分析

对6个方案的稳态回转进行仿真分析，研究横向稳定杆对整车操纵稳定性的影响，横向稳定杆在不同布置下的稳态回转指标对比见表2。一桥、二桥、后桥及三桥均加稳定杆与无稳定杆侧倾度对比如图2至图5所示。由图和表可知，最经济有效的方案是一桥加稳定杆，提高稳态转向特性，操稳性能提升明显且物料成本低。

表2 横向稳定杆在不同布置下的稳态回转指标对比 单位:(°)/(m·s-2)

图2 一桥加稳定杆与无稳定杆侧倾度对比

图3 二桥加稳定杆与无稳定杆侧倾度对比

图4 后桥加稳定杆与无稳定杆侧倾度对比

图5 三桥均加稳定杆与无稳定杆侧倾度对比

图2至图5的仿真结果为稳态回转工况下，车身侧倾角与侧向加速度的变化。曲线1为车辆无稳定杆状态下的侧倾度变化，曲线2为增加稳定杆之后的状态变化。由图可以看出，增加横向稳定杆对于车身侧倾控制有明显变化；前桥增加横向稳定杆对于车辆的稳态响应控制起到的作用最好，符合第1节的理论研究；一、二桥都增加稳定杆没有比一桥增加稳定杆的性能提升有更大的优化。所以为了使车辆具有更好的抗侧倾和不足转向特性，在第一桥增加稳定杆更有效并且具有相对较低的成本。

3.2 横向稳定杆匹配方案试验验证

表3为满载状态下搅拌车增加一、二桥稳定杆时车身侧倾度试验结果，图6至图9分别为左转及右转试验的稳态回转试验结果。

表3 满载状态下搅拌车增加一、二桥稳定杆时车身侧倾度试验结果 单位:(°)/(m·s-2)

图6 稳态回转试验结果(左转试验1)

图7 稳态回转试验结果(左转试验2)

图8 稳态回转试验结果(右转试验1)

图9 稳态回转试验结果(右转试验2)

由稳态回转试验结果可知，左转与右转原车无稳定杆不足转向度为0.75、1.11(°)/(m·s-2)，车身侧倾度为1.6、1.7(°)/(m·s-2)；增加前两桥横向稳定杆后，左转与右转不足转向度为0.48、0.55(°)/(m·s-2)，满足JT/T1178.1—2018标准要求0～1(°)/(m·s-2)，车身侧倾度为1.29、1.18(°)/(m·s-2)。不足转向度与侧倾度降低，整车稳态转向特性得到提高。

从试验数据整理结果可以看出，在一、二桥增加稳定杆后，车辆侧倾度提升25%左右，车辆的抗侧倾能力明显变好。不足转向度提高30%以上，具有更好的不足转向特性。

4 结论

(1)基于稳态回转操稳工况仿真分析与试验验证，验证了所建立的动力学模型的精确性，可用于后续搅拌车操纵稳定性与平顺性仿真研究。

(2)仿真结果、试验验证与理论研究结论一致：原车不带横向稳定杆的整车侧倾角与不足转向特性都较差；前桥增加横向稳定杆对于车辆稳态转向特性有很大提升，提高了汽车的操纵稳定性。