袁紹華，楊懷鑫，費沈重，何軻（金龍汽車聯合工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215024）

基于橫向載荷轉移量的客車轉向穩(wěn)定性分析

袁紹華，楊懷鑫，費沈重，何軻
（金龍汽車聯合工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215024）

針對山區(qū)客車行駛的特殊工況和存在的轉向穩(wěn)定性差問題，本文基于橫向載荷轉移量建立了相關數學模型，并以某中型客車為例，使用MATLAB軟件對影響轉向穩(wěn)定性的重要因素（懸架剛度、非懸掛質量、質心高度、行駛車速）展開分析。

客車；橫向載荷轉移；轉向穩(wěn)定性；MATLAB

行駛在山區(qū)的客車最常出現轉向穩(wěn)定性問題。從行駛工況分析出發(fā)，行駛在山區(qū)的客車會處于頻繁的轉向中，再加上客車所受的側向風，客車在運行中會頻繁地受到側向力的影響。在側向力的作用下整車橫向載荷會發(fā)生轉移［1-2］，影響到單個輪胎的垂直載荷［3］，進而改變輪胎的側偏剛度，從而影響轉向穩(wěn)定性。本文論述影響客車橫向載荷轉移的各種因素，并利用MATLAB軟件進行分析。

1　橫向載荷轉移對轉向穩(wěn)定性的影響

由輪胎的側偏特性可知，輪胎的側偏剛度與垂直載荷有關，輪胎的側偏剛度在某一載荷下達到最大，大于或者小于這個載荷的情況下，輪胎的側偏剛度均會下降［4］。

在沒有側向力的作用下，對于單一的車輪其垂直載荷為W0，每個車輪的側偏剛度為k0，輪胎受到的地面?zhèn)认蚍醋饔昧镕y。在左右輪胎垂直載荷沒有發(fā)生變化的情況下，相應的側偏角α0=Fy/（2k0）。

實際上在側向力的作用下，橫向載荷發(fā)生了轉移，左右車輪的垂直載荷發(fā)生了相應變化。內側車輪減少△W，外側車輪增加△W。兩個車輪的側偏剛度也隨著垂直載荷的變化而改變?yōu)閗1、k2。左右車輪在載荷變化的情況下，側偏角依然相等，那么有α=Fy/（k1+k2）。

若令k'=（k1+k2）/2，其中k'為輪胎垂直載荷變化后的平均側偏剛度，則兩個輪胎的側偏角α=Fy/（2k'）。

由圖1可知，平均側偏剛度k'顯然小于圖中的k0，那么就有α＞α0。進一步可知，整車橫向載荷轉移越大，左右車輪的垂直載荷變化也就越大，平均側偏剛度也就越小。由此可知，如果前軸左右橫向載荷轉移量過大，整車趨于增加不足轉向；如果后軸橫向載荷轉移量過大，整車趨于減少不足轉向。汽車前后軸左右車輪橫向載荷轉移量取決于前后懸架的側傾角剛度、懸掛的質量、行駛車速、質心高度等因素，下文將對這些關鍵因素展開分析。

2　整車橫向載荷轉移量模型的建立

2.1整車的側傾力矩

根據文獻［5］，汽車所受到的側傾力矩主要由兩部分組成，一部分是由懸掛質量離心力引起的；另一部分是側傾后懸掛質量重力引力的。計算公式如下：

重力引起的力矩：M2=Gse≈Gshφ，其中φ是車廂的側傾角。

式中：M為車廂所受到的總的側傾力矩；ΣK為懸架總的角剛度。

2.2側傾時橫向載荷轉移模型

為了有效地研究車輛側傾狀況下各系統(tǒng)的力學關系，根據文獻［4］，按照圖2將整車前軸部分進行簡化。

根據圖2和文獻［4］可得：

3　基于9 m中型客車的仿真結果分析

某9m中型客車各項參數如下：懸掛質量ms=10 270 kg；前部非懸掛質量mu1=360 kg；后部非懸掛質量mu2=425 kg；軸距L=3.8m；前輪距B1=2.033m；后輪距B2=1.804m；車輪半徑r=0.48m；前軸距離質心的距離as=2.2m；后軸距離質心的距離bs=1.6m；前后側傾中心高度h1=0.4m，h2=0.48m。根據上述建立的數學模型，利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型［6］，見圖3。

根據文獻［1］，汽車側向加速度一般最大不會超過0.4 g，為了達到研究情況的普遍性，在分析過程中，我們取客車所受到的側向加速度為0.2 g。利用Matlab/ Simulink建立的模型進行仿真分析。首先在整車各個參數一定的情況下，整車在0.2 g的側向力作用下可求得前軸載荷轉移1 610 kg，后軸載荷轉移2 350 kg。為了研究主要參數對橫向載荷轉移量的影響，分別以懸架剛度、非懸掛質量、質心高度、行駛車速為變量，分析其對整車橫向載荷轉移量的影響，結果見圖4-圖7。

從分析結果圖形可以看出：

1）從圖4可以看出，隨著懸架剛度的增加，橫向載荷轉移量也不斷增加，但是增加幅度并不大。前懸架剛度由1×105kg·m/rad增加到1.7×105kg·m/rad，變化最接近一倍，但是橫向載荷轉移量僅僅由1 507 kg增加到1 710 kg左右，變化量只有原來的十分之一左右。由此可知，懸架線剛度對整車橫向載荷的轉移量影響并不顯著。并且如果懸架剛度越小，一定載荷下垂直變形就越大，固有頻率也就越低，從而整車容易出現制動點頭和側傾問題。所以通過降低懸架剛度來減少橫向載荷轉移量以確保轉向穩(wěn)定性并不理想。

2）從圖5可以看出，隨著非簧載質量的增加，橫向載荷轉移量變化十分顯著。由此，減少非簧載質量是減少整車橫向載荷轉移量保證轉向穩(wěn)定性的有效方案之一?？梢酝ㄟ^減輕前后橋的質量與輪胎的質量來達到增強轉向穩(wěn)定性的目的。

3）從圖6可以看出，隨著質心高度的增大，橫向載荷轉移量變化顯著。由此，在保證整車通過性的前提下，降低整車質心高度也能有效地減少橫向載荷的轉移量，從而提高整車的側傾穩(wěn)定性。

4）從圖7可以看出，隨著車速的增大，橫向載荷轉移量顯著增大。因此，行駛車速也是影響橫向載荷轉移量和整車轉向穩(wěn)定性的重要因素。在轉向過程中有效地控制車速，可以更好地保證轉向穩(wěn)定性。這要求駕駛員在平時要養(yǎng)成良好的駕駛習慣。

4　結束語

本文針對山區(qū)客車行駛中方向不穩(wěn)定性問題，從橫向載荷轉移的影響因素進行詳細分析，從而得出從設計角度和車輛使用過程中為了保證良好的轉向穩(wěn)定性應該采取的方法。為客車設計人員和駕駛人員提供了良好的參考。當然影響車輛轉向穩(wěn)定性的因素還有很多，例如：前路注銷后傾角［7］、轉向機構轉角誤差［8］、車輛與路面間的附著極限［9］等。論文受篇幅和作者能力限制，沒能進行更全面的論述，有待于繼續(xù)探討。

［1］王睿，李顯生，任園園，等.基于橫向載荷轉移量的客車側傾穩(wěn)定性分析［J］.湖南大學學報：自然科學版，2013，（5）：49-54.

［2］朱天軍，鄭紅艷，侯紅娟.基于Matlab的半掛汽車列車側傾穩(wěn)定性仿真［J］.汽車技術，2008，（11）：16-20.

［3］米奇克，瓦倫托維茲.汽車動力學［M］.陳萌三，譯.北京：清華大學出版社，2009.12.

［4］余志生.汽車理論［M］.5版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［5］左管軍，郭延輝.某客車底盤行駛平順性和側傾穩(wěn)定性分析研究［J］.汽車實用技術，2011，（11）：24-27.

［6］周俊杰.MatlabSimulink實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.5.

［7］魏道高，王霄鋒，金達鋒，等.車身側傾時前輪主銷后傾角對轉向穩(wěn)定性的影響［J］.汽車工程，2009，（1）：33-36.

［8］康永升.基于ADAMS的叉車建模及轉向穩(wěn)定性分析［J］.農業(yè)裝備與車輛工程，2013，（10）：56-59.

［9］劉漢輝.基于主動懸架的汽車側向穩(wěn)定性研究［D］.成都：西華大學，2013.

修改稿日期：2014-12-15

Steering Stability Analysison Coaches Based on Amountof Lateral Load Change

Yuan Shaohua，Yang Huaixin，FeiShenzhong，He Ke
（Higer BusCompany Limited，Suzhou 215123，China）

According to theproblemsof thebad steering stability driving for coachesunder specialmountain conditions，the authorsestablish a relatedmathematicalmodel based on the amountof lateral load change.In addition，they takeamedium-sized coach asan example，and use theMATLAB software to anylyze important factors thataffect the steeringstability，including suspension stiffness，unsprungmass，centroid height，travelspeed.

coach；lateral load change；steeringstability；MATLAB

U461.6；U 463.4

A

1006-3331（2015）04-0008-03

袁紹華（1985-），男，助理工程師；主要從事客車底盤設計問題分析工作。