1 引言
隨著道路的改善，特別是高速公路的發(fā)展，汽車以120km/h或更高車速行駛的情況是常見的。現(xiàn)代轎車設計的最高車速一般都超過200km/h，特別的轎車甚至超過300km/h。因此，汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視，成為現(xiàn)代汽車的重要使用性能之一。
汽車操縱穩(wěn)定性涉及到的問題較為廣泛，它需要采用較多的物理參量從多方面進行評價，其中轉(zhuǎn)向靈敏性是汽車對轉(zhuǎn)向輸入時響應的靈敏程度、跟隨性，是衡量汽車操縱穩(wěn)定性好壞的重要指標，轉(zhuǎn)向靈敏性好的汽車，用戶一般評價高。目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)和汽車企業(yè)都將轉(zhuǎn)向靈敏性作為不可缺少的主客觀評價內(nèi)容。
在進行車輛轉(zhuǎn)向靈敏性分析時，由于涉及到的因素很多，因此關(guān)于各因素對車輛轉(zhuǎn)向靈敏性研究具有重要的意義。比如，若某因素對橫擺角速度影響較大，則在設計過程中就要嚴格加以控制，使其具有較小的波動性，所以各因素的魯棒性設計就顯得尤為重要。在工程設計階段沒有物理樣車，無法用試驗驗證的手段檢驗其性能。在車輛開發(fā)過程中，運用MSC.ADAMS軟件對車輛性能進行仿真分析，在產(chǎn)品設計階段充分預測車輛的性能，通過分析優(yōu)化使車輛性能得到改善，并能提升產(chǎn)品開發(fā)周期。
2 轉(zhuǎn)向靈敏性的試驗評價
評價汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的試驗方法有多種，一般包括：轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗、轉(zhuǎn)向盤脈沖輸入試驗、轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(On Center Handling Test)、蛇行試驗等。不同的試驗方法其側(cè)重點略有不同，可根據(jù)具體實際情況選擇合適的試驗方法。下面主要介紹轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗和轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗評價。
2.1轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗評價
當車輛的運動響應、作用在車輛上的外力或者操縱位置隨時間變化時，便稱這一車輛的運動處于瞬態(tài)，在瞬態(tài)中的運動響應稱為瞬態(tài)響應。目前，常用轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗來測定汽車對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入時的瞬態(tài)響應，是評價汽車響應靈敏性的典型方法之一，主要用以下參數(shù)進行評價。
1)到達第一峰值的時間ε，圖1所示，時間越短，則駕駛者感到轉(zhuǎn)向響應迅速、及時，反之轉(zhuǎn)向遲鈍。
圖1 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗
2)橫擺角速度超調(diào)量
超調(diào)量與車輛特性、車速、阻尼有關(guān)，不能太大也不能太小，太大駕駛員有種難以控制車輛的感覺，太小則靈敏性差，轎車一般推薦值為15%～20%。
3)橫擺角速度增益k
公式一 橫擺角速度增益
δs一轉(zhuǎn)向盤階躍輸入角度
ψ0一穩(wěn)態(tài)橫擺角速度
橫擺角速度增益K越大，轉(zhuǎn)向靈敏性越好，但是不能太大，避免出現(xiàn)駕駛員無意識的轉(zhuǎn)動方向盤而引起車輛狀態(tài)的變化。
4)橫擺角速度的響應時間
5)側(cè)向加速度響應時間
2.2轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗評價
轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗能夠提供豐富的轉(zhuǎn)向特性信息，從中我們可以對車輛高速行駛的操縱穩(wěn)定性進行分析和評價，這也是一般用戶常用的評價汽車操縱穩(wěn)定性的方法。靈敏性評價指標包括：轉(zhuǎn)向靈敏度和轉(zhuǎn)向遲滯等，圖2所示。
1)轉(zhuǎn)向靈敏度：在數(shù)值上等于側(cè)向加速度為0.1g處曲線斜率的倒數(shù)，單位是g/deg，縱坐標為方向盤轉(zhuǎn)角；
2)轉(zhuǎn)向遲滯：側(cè)向加速度在±0.1g所包圍的面積除以0.2g，縱坐標為側(cè)向加速度，橫坐標為方向盤轉(zhuǎn)角；
3)最小轉(zhuǎn)向靈敏度：指側(cè)向加速度±0.1g之間曲線斜率最大值的倒數(shù)，通常比轉(zhuǎn)向靈敏度要小，這是由于轉(zhuǎn)向剛度具有非線性。
圖2 轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗
2.3影響汽車轉(zhuǎn)向響應靈敏性的主要因素
影響汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的因素很多，主要有：
1)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比
2)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度
3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦
4)懸架K&C特性
5)整車質(zhì)量分配
6)輪距和軸距
7)輪胎側(cè)偏特性
整車質(zhì)量分配、輪距和軸距在車輛概念設計確定，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、懸架K&C特性、輪胎特性等在系統(tǒng)設計匹配階段確定。從以上分析可知，在概念設計階段就應該考慮如何開展汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的設計工作。
3 轉(zhuǎn)向靈敏性的仿真分析
3.1車輛動力學模型建立
運用ADAMS軟件建立某款車的車輛動力學模型，包括前懸架模型、后懸架模型、車身系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、動力系統(tǒng)模型、輪胎模型、制動系統(tǒng)模型、穩(wěn)定桿模型等，圖3所示。
圖3 整車仿真模型
3.2轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向階躍輸入仿真分析與評價
仿真分析輸入：進行仿真時，車輛以仿真車速勻速行駛穩(wěn)定后，以最快速度轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至一定角度，并保持轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不變，使其側(cè)向加速度達到某一設定值，車速130km/h，汽車狀態(tài)為滿載。
分別改變車輛定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比、整車質(zhì)心位置、輪胎側(cè)偏剛度，進行轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入仿真分析，分析結(jié)果如下：
圖4 前束的改變對橫擺角速度響應的影響
圖5 前束的改變對側(cè)向加速度響應的影響
圖6 轉(zhuǎn)向傳動比的改變對橫擺角速度響應的影響
圖7 轉(zhuǎn)向傳動比的改變對側(cè)向加速度響應的影響
從仿真分析結(jié)果可知：
1)增大前束，最大橫擺角速度和最大側(cè)向加速度均有增加，但對橫擺角速度和側(cè)向加速度達到峰值時間幾乎沒有影響；
2)增大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比，橫擺角速度超調(diào)量、質(zhì)心側(cè)偏角等均增大，因而增大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比能夠改善轉(zhuǎn)向響應的靈敏性；
3)質(zhì)心后移可提高汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性，但車輛的穩(wěn)定性有變壞的趨勢；
4)增大車輪側(cè)偏剛度可改善轉(zhuǎn)向靈敏性，效果明顯。
3.3轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性仿真分析與評價
仿真分析輸入：水平路面，汽車以100km/h的速度作（近似于）正弦曲線的蛇行行駛，正弦運動的周期為5s，最大側(cè)向加速度為0.2g。
分別改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比、車輛定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦，進行轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性仿真分析，分析結(jié)果如下：
圖8 轉(zhuǎn)向傳動比的改變對車輛靈敏性的影響
圖9 主銷后傾角的改變對車輛靈敏性的影響
從仿真分析結(jié)果可知：
1)提高轉(zhuǎn)向傳動比可以改善車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度，減少車輛反應的遲滯時間；
2)主銷后傾角的改變，對車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度、車輛反應的遲滯時間基本沒有影響；
3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦對中心區(qū)性能影響較大，減小干摩擦可提高車輛的轉(zhuǎn)向盤路感，但同時也減小了轉(zhuǎn)向延遲時間，提高了轉(zhuǎn)向靈敏性；
4)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度的變化對中心區(qū)性能產(chǎn)生影響一方面是因為改變了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體的剛度，另一方面是改變了助力效果，因此它的減小會導致路感的下降和反應遲滯的增加。
4 總結(jié)
1)影響汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的因素很多，關(guān)系復雜，應結(jié)合整車開發(fā)目標，系統(tǒng)考慮各項因素，使車輛的性能達到最優(yōu)。
2)在車輛設計階段，通過分析優(yōu)化了車輛性能，提升產(chǎn)品開發(fā)周期；同樣，在車輛ET階段，仿真分析也為底盤調(diào)校匹配指明了方向，制定各種優(yōu)化方案。
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本文標題：汽車轉(zhuǎn)向靈敏性分析及應用
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