景愛軍，劉陽

某微型EV回正性與直線行駛性的分析與優(yōu)化

景愛軍，劉陽

（西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

汽車的性能在如今的車企中越來越得到重視，如操穩(wěn)性、制動(dòng)性、平順性、安全性等。然而，懸架性能的好壞影響操穩(wěn)性能，操穩(wěn)性能的好壞又影響到汽車的安全性能，因此很多的主機(jī)廠花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來進(jìn)一步提高操穩(wěn)性能。文章基于Adams/Car搭建了某企業(yè)微型EV的懸架及整車模型，并對(duì)懸架存在的Caster Angle問題進(jìn)行分析與優(yōu)化，解決該車型的方向盤回正問題與直線行駛穩(wěn)定性的問題，使得整車的操穩(wěn)性能得到很大的提升，提高駕駛員對(duì)車輛操控的信心感。

Caster Angle；分析；回正性；穩(wěn)定性

前言

汽車的車輪定位參數(shù)對(duì)于底盤性能有著相當(dāng)重要的影響，是底盤參數(shù)設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)之一，參數(shù)設(shè)計(jì)的好壞影響汽車的懸架特性和轉(zhuǎn)向特性，進(jìn)而影響汽車的操作穩(wěn)定性。懸架是指汽車的車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱，它把車架與車輪彈性的聯(lián)系起來，影響汽車的多個(gè)性能，其作用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，并減少由此引起的震動(dòng)，以保證汽車能平順行駛[1]。

虛擬樣機(jī)應(yīng)用軟件MSC_Adams目前已在汽車、飛機(jī)、鐵路、機(jī)械工程以及航天機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在我國各大主機(jī)廠依賴Adams/Car做懸架K&C特性與整車操穩(wěn)性能已經(jīng)成為一種常態(tài)。Adams軟件由核心模塊、功能拓展模塊、專業(yè)模塊、工具箱以及接口模塊這五類模塊組成，Adams/Car是該軟件的專業(yè)模塊，它基于零部件結(jié)構(gòu)的建模方式，來逐步搭建懸架以及整車模型的仿真軟件，其模型搭建的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示，該軟件是由MDI公司與Audi、BWM、Renault和Volve等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件軟件包，集成了很多工程師、專家的經(jīng)驗(yàn)而得，可以幫助工程師快速的搭建高精度的車輛虛擬樣機(jī)，工程師可以通過仿真動(dòng)畫的形式直觀的發(fā)現(xiàn)各種工況下的整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[2]。

圖1 建模方式框圖

虛擬樣機(jī)的應(yīng)用為許多工程問題提供了很大方便，節(jié)省了很大的時(shí)間成本和資源。丁金全等利用瞬時(shí)軸線理論對(duì)主銷后傾拖距進(jìn)行計(jì)算，提出了主動(dòng)回正策略，為主銷參數(shù)的研究提供了方向[3]。Jonsson考慮了各部件的非線性特征，通過有限元的方法建立了動(dòng)力學(xué)模型，并通過試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了模型的正確性，進(jìn)一步提高了模型的精度[4]。何志剛，陳陽等采用最優(yōu)拉丁超立方的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，找到了對(duì)K 和C 影響較大的變量因子，利用遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化[5]。

1 Caster Angle的作用及其對(duì)車輛性能的影響

圖2 Caster Angle的示意圖

車輪的定位參數(shù)主要有前束角、外傾角、主銷后傾角以及主銷內(nèi)傾角，在定位參數(shù)共同作用下保證汽車的正常行駛，Caster Angle（主銷后傾角）是指在車身側(cè)視圖主銷軸與垂直軸的夾角，正的主銷后傾角是指注銷頂部向后傾的角度，如圖2所示；在車輛的正常行駛中，Caster Angle的作用是使車輪恢復(fù)到設(shè)計(jì)的位置，以保證車輛的直線行駛穩(wěn)定性，當(dāng)行駛中的車輛在外力作用下車輪產(chǎn)生偏離時(shí)，Caster Angle產(chǎn)生回正力矩使車輪自動(dòng)回復(fù)到原來的位置；若Caster Angle過大，可以增加轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，但同時(shí)也會(huì)加大轉(zhuǎn)向力矩，容易使駕駛員疲勞，則需要更大的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)來輔助駕駛員操縱方向盤，若Caster Angle過小，則轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性便會(huì)下降，不利于車輛的自動(dòng)回正性能，但轉(zhuǎn)向時(shí)的力矩會(huì)變輕[6][7]。

2 懸架模型的搭建以及懸架特性分析

該車型的前懸架采用雙叉臂是獨(dú)立懸架，其懸架的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如下圖3所示，主要包含的零部件有轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器、螺旋彈簧，上控制臂、下控制臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿等，上、下控制臂的外點(diǎn)均連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上面，下控制臂的的前后點(diǎn)連接在副車架上面，上控制臂的前后點(diǎn)連接在車身上面，前懸架的各個(gè)硬點(diǎn)如表1所示，基于車輛的設(shè)計(jì)硬點(diǎn)以及襯套、減振器、彈簧、緩沖塊的參數(shù)搭建前懸架的多體模型，搭建的模型如下圖4所示。

圖3 雙叉臂懸架簡(jiǎn)易模型

表1 前懸架的硬點(diǎn)參數(shù)

在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)前懸架做懸架的平跳運(yùn)動(dòng)分析，懸架的上跳行程與下跳行程分別設(shè)置為80mm、-80mm，在軟件的后處理中調(diào)取Caster Angle的曲線，如圖5所示，由曲線可知該前懸架在車輪上跳時(shí)Caster Angle出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，這樣無法抵消制動(dòng)點(diǎn)頭時(shí)后傾角減小的趨勢(shì)，使車輛在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)制動(dòng)點(diǎn)頭的效果，不利于駕乘的舒適性。由設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可知，雙叉臂懸架的Caster Angle在整備狀態(tài)下為5.9°，但是隨輪跳的變化不理想，所以需要對(duì)懸架的Caster Angle進(jìn)行優(yōu)化，使其在車輪上跳的過程中有增大的趨勢(shì)，這樣有利于提高整車的高速行駛穩(wěn)定性。

圖5 Caster Angle變化曲線

3 懸架針對(duì)Caster Angle的優(yōu)化分析

表2 優(yōu)化的硬點(diǎn)參數(shù)坐標(biāo)

表3 部分K&C特性指標(biāo)

利用Adams/Insight對(duì)懸架的Caster進(jìn)行優(yōu)化，選取uca_front_Z、uca_rear_Z、lca_front_Z、lca_rear_Z四個(gè)硬點(diǎn)位置作為設(shè)計(jì)因素（factors），將后傾角作為響應(yīng)response，并對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行后選取最優(yōu)解，使得優(yōu)化后的結(jié)果在提高整車回正性的同時(shí)，又對(duì)其他的各項(xiàng)性能沒有太大的影響。優(yōu)化前后變動(dòng)的硬點(diǎn)參數(shù)如下表2所示，在懸架的硬點(diǎn)優(yōu)化之后，對(duì)懸架的K&C特性做一次對(duì)比分析，懸架的K&C特性包含的參數(shù)特別多，如表3對(duì)一些關(guān)鍵的參數(shù)列舉出來，其中包含優(yōu)化前后的懸架K&C指標(biāo)，兩組參數(shù)對(duì)比之后，除后傾角的變化較大之外，其余指標(biāo)的數(shù)值都在可行范圍之內(nèi)。

3.1 Caster Angle變化趨勢(shì)

懸架在優(yōu)化前后，對(duì)車輪的定位參數(shù)進(jìn)行分析，以確保懸架優(yōu)化后對(duì)主要的優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到所需的效果，但同時(shí)對(duì)其他車輪定位參數(shù)又不能產(chǎn)生很大的負(fù)面作用，如下圖6是對(duì)Caster Angle優(yōu)化前后的對(duì)比，相比于設(shè)計(jì)狀態(tài)的主銷后傾角變化趨勢(shì)而言，優(yōu)化后的主銷后傾角隨著車輪的上跳出現(xiàn)了增大的趨勢(shì)，改善了汽車的轉(zhuǎn)向性能，這樣的變化趨勢(shì)有利于增加車輛的高速行駛穩(wěn)定性。

圖6 優(yōu)化前后的Caster Angle變化趨勢(shì)

3.2 Camber Angle變化趨勢(shì)

車輪外傾角是指前輪旋轉(zhuǎn)平面上略向外傾斜，這個(gè)傾斜的角度即為車輪外傾角。車輪外傾的作用是為了提高轉(zhuǎn)向操縱的輕便性和車輪行駛的安全性。由圖7分析可見，此次對(duì)于主銷后傾角的優(yōu)化對(duì)車輪外傾角基本沒有發(fā)生影響。為了保證輪胎的側(cè)偏特性，在懸架設(shè)計(jì)時(shí)要求在車輪上跳的過程中外傾角向負(fù)值的趨勢(shì)變化，車輪下跳時(shí)外傾角向正值的趨勢(shì)變化，且負(fù)的外傾輪跳特性有利于極限轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎的抓地力。

圖7 優(yōu)化前后的Camber Angle變化趨勢(shì)

3.3 Toe Angle變化趨勢(shì)

車輪的前束角是指俯視車輪，汽車的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是沿車輛前進(jìn)方向稍微帶一些角度，即左右車輪分別向內(nèi)，正的前束角是指車輪前部指向車身的角度。在汽車運(yùn)動(dòng)過程中前束角的變化，，不僅影響到車輪的擺振和磨損，還直接影響汽車的轉(zhuǎn)向特性和直線行駛的穩(wěn)定性。對(duì)比于設(shè)計(jì)狀態(tài)與優(yōu)化后的前束變化趨勢(shì)，如圖8所示，在車輪上跳的過程中，都趨于負(fù)前束的變化趨勢(shì)，且優(yōu)化后的前束角變化較為緩和，使得該懸架特性有利于不足轉(zhuǎn)向的特性，改善了汽車的操縱穩(wěn)定性。

圖8 優(yōu)化前后的Toe Angle變化趨勢(shì)

4 整車模型的搭建及操穩(wěn)性能的驗(yàn)證

基于前懸架模型動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化之后，將前懸架子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、前輪子系統(tǒng)、后輪子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)、前穩(wěn)定桿子系統(tǒng)、制動(dòng)子系統(tǒng)以及動(dòng)力總成子系統(tǒng)搭建了微型EV整車模型，整車模型的結(jié)構(gòu)如下圖9所示，該車型為三輪電動(dòng)車，為了提高車型的操縱穩(wěn)定性，采用了前懸架為雙叉臂的獨(dú)立懸架，后懸為獨(dú)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖9 整車模型

4.1 方向盤力矩對(duì)比

駐車轉(zhuǎn)向是評(píng)價(jià)車輛停止在水平地面上，打開發(fā)動(dòng)機(jī)，拉起手剎的條件下，將方向盤從中間位置勻速向左轉(zhuǎn)到最大位置，然后勻速向右回到右邊最大位置，最后再勻速回到中間位置，從后處理中調(diào)取方向盤力矩VS方向盤轉(zhuǎn)角的曲線，現(xiàn)調(diào)取的曲線如下圖10所示，可見設(shè)計(jì)狀態(tài)的方向盤力矩值區(qū)間為-1.446到1.438，優(yōu)化后的方向盤力矩值區(qū)間為-1.491到1.467，優(yōu)化后的力矩值與設(shè)計(jì)狀態(tài)沒有多大的變化，所以不需要對(duì)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做多余的匹配調(diào)校。

圖10 方向盤力矩VS方向盤轉(zhuǎn)角

4.2 回正性能對(duì)比

該車型在高速時(shí)的方向盤回正性能較差，且反應(yīng)較慢，對(duì)整車在設(shè)計(jì)狀態(tài)和優(yōu)化后的回正性能做分析對(duì)比，在整車仿真界面中選擇事件構(gòu)造器（Event Builder），選擇設(shè)置三個(gè)微操縱，每一個(gè)微操縱對(duì)整車驅(qū)動(dòng)有特定的執(zhí)行命令，在第一個(gè)微操縱中保持車輛以80km/h的車速勻速行駛，第二個(gè)微操縱給方向盤施加一個(gè)30deg的轉(zhuǎn)角并使車輛保持在穩(wěn)態(tài)，第三個(gè)微操縱松開方向盤，使方向盤自動(dòng)回正，先觀察回正的效果，曲線如下圖11所示；在0點(diǎn)位置時(shí)，松開方向盤，讓車輪自動(dòng)回復(fù)，查看A、B兩點(diǎn)之間方向盤角度的大小，提取的結(jié)果在A點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)狀態(tài)下為-32.90deg，優(yōu)化后的數(shù)值為-27.87deg；提取的結(jié)果在B點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)狀態(tài)下為11.65deg，優(yōu)化后的數(shù)值為5.03deg；對(duì)比下來可見優(yōu)化后的結(jié)果更利于車輛的回正性能，保持穩(wěn)定行駛性能，提高駕駛員的駕駛舒適度。

圖11 在0點(diǎn)處松開方向盤是的回正能力

5 結(jié)論

本文論述了Caster Angle對(duì)車輛回正性能的影響，通在Adams/Car軟件中搭建了設(shè)計(jì)車型的前懸架以及整車模型，就設(shè)計(jì)狀態(tài)下前懸架Caster Angle的變化率存在的問題，利用Adams/Insight進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化前后的主要K&C指標(biāo)作以對(duì)比分析，由數(shù)據(jù)分析可知優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)于懸架的性能得到了一定的改善作用，將整車模型參數(shù)調(diào)整為優(yōu)化后的參數(shù)，對(duì)其做了原地轉(zhuǎn)向與方向盤回正性能的分析，其結(jié)果相比于設(shè)計(jì)狀態(tài)得到了很大的優(yōu)化，提高了整車的回正性能與直線行駛穩(wěn)定性能。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M[.3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)踐[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3] 丁金全,許男,郭孔輝.基于懸架虛擬主銷運(yùn)動(dòng)計(jì)算的主動(dòng)回正控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) ,2017,47( 1) :21-7.

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Analysis and Optimization of the Return and Straightness of Micro EV

Jing Aijun, Liu Yang

（Automotive and Transportation Engineering College, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039）

The performance of automotive is getting more and more attention in today's car companies, such as stability, braking, smoothness and safety. However, the performance of the suspension affects the stability performance, and the performance of the stability affects the safety performance of the car. Therefore, many OEMs spend a lot of time and effort to further improve the stability performance. Based on Adams/Car, the suspension and vehicle model of a company's miniature EV are built, and the Caster Angle problem of the suspension is analyzed and optimized to solve the problem of the steering wheel return problem and the straight running stability of the vehicle. The stability of the vehicle has been greatly improved, improving the driver's confidence in the handling of the vehicle.

Caster Angle; Analysis; Return; Stability

U463.33

A

1671-7988(2019)24-04-04

U463.33

A

1671-7988(2019)24-04-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.002

景愛軍（1991-），男，研究生，就讀于西華大學(xué)，研究方向：汽車性能測(cè)試與仿真。