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悬架设计关于轻型车辆的稳定性的研究
Andrzej G. Nalecz
机械和航空航天工程
密苏里大学哥伦比亚分校
摘要：
各种悬架用于轻型车辆中，并且它们以各种方式影响车辆的动力学。 横向和纵向重量传递的组成部分（取决于悬架设计）影响车轮正常载荷，轮胎特性和轮胎与道路附着极限，从而影响车辆稳定性。
建立了25种常用轻型汽车悬架的非线性运动学和动力学分析模型，并将其应用于研究车辆侧倾轴的空间运动。建立了一个基于摩擦椭圆概念的非线性轮胎模型，该模型能够接受CalSpan轮胎的数据，计算了转向力随侧滑角变量、法向载荷、轮胎附着特性和侧滑次数的变化。提出了利用特定悬架动力学研究车辆在组合、转弯、制动或加速运动中的瞬态和稳态响应的轻型车辆操纵仿真模型。计算结果强调了在研究车辆稳定性的同时，将悬架设计中的车辆模型变化纳入到车辆模型中的必要性。
成功模拟的关键是确保敏感区域的建模具有足够的灵活性，以便能够遇到设想的设计情况。本文中的车辆模型显然是敏感区。其中，悬架系统和充气轮胎的设计对轻型汽车的动力性能有着重要的影响。
在汽车动力学和充气轮胎力学的各个方面进行了大量的研究。许多车辆和轮胎分析模型的基础在（1-3）*中给出。为了建立轮胎（4-7）的动力学特性，研究轻型汽车（8-10）的稳定性和操纵性，开发了许多分析模型。在（11-13）中描述了对充气轮胎性能的广泛实验研究，并在（14-16）中研究了利用有限元和模态分析的轮胎建模。车辆动力学方面的其他发展包括利用明确包括多个轮胎变形的气动车轮的非完整模型（17-20），以及用于驾驶员车辆模拟的交互式轮胎模型（24-27）。
背景：
近年来，轻型汽车在各种行驶条件下（包括紧急情况下）的方向响应预测受到了广泛关注。对车辆在从直行到极限转弯和制动的全机动范围内的稳定性和操纵性进行了研究（28-33）。当前的研究趋势反映了对真正有用的车辆动力学模拟的需求，这将有助于显著提高车辆主动安全性。
从NHTSA美国DOT文件（34）和其他文献（35-39）可以看出，车辆质量和惯性分布，以及车辆质量中心的位置、前轮驱动/后轮驱动或四轮驱动和轴距是决定公路事故车辆风险的重要参数。机动车事故经验数据表明，平均重量、平均轴距等参数与事故风险存在相关性。然而，此数据仅基于统计调查，而不是基于实际车辆动态响应。迄今为止，对各种类型和不同严重程度事故的事故风险按车型、汽车市场等级、品牌、铭牌和车型年份进行了分析。这种分析无法确定车辆设计和设备变化是否以及如何与车辆安全、事故避免和事故风险相联系。
为了确定车辆设计是否以及如何与车辆安全和事故风险相关联，需要对车辆动态响应和稳定性进行广泛研究，并结合事故数据分析。有关行驶稳定性的信息可以通过转向不足或转向过度的趋势以及当产生的轮胎力接近附着极限时确定的车辆加速极限来获得。这两种情况下，所产生的轮胎力和轮胎在道路上的附着极限都很大程度上取决于车轮的正常载荷。当车辆进行转向和/或制动操作时，通过横向和纵向重量转移的悬架系统在车轮正常载荷的分配中起主要作用。这表明悬架设计与车辆稳定性之间有很强的相关性。
从以上考虑可以看出，悬架设计除了轮胎特性外，还直接影响到车辆的安全裕度或车辆的不稳定性。因此，对车辆主动安全性的研究应建立在反映悬架系统运动学和动力学效应的车辆模型的基础上。
尽管从主动安全的角度来看，诸如转弯加速或恒速转弯等操作不是最重要的，但应该承认，引入四轮驱动车辆在这些驾驶条件下车辆安全主动安全性有了显著改善。在四轮驱动的情况下，由于牵引力分布在两个车轴上，因此在较高的转弯速度下达到横向稳定性的极限。四轮驱动车辆的（牵引力和转弯力）合力与FLID或RWD相比要小得多，从而增加了可用轮胎力的储备，直到达到粘合极限。
由于寻找新的方法来改善车辆的操控性和稳定性（40-42），四轮转向车辆最近已成为许多汽车制造商的兴趣。前轮和后轮的转向使车辆重心的侧滑角减小到零成为可能，从而增加了车辆的机动性，缩短了车辆的响应时间。然而，对后轮转向角特性（高速时前轮同相位转向，低速时反相位转向）的矛盾要求要求对前后转向比进行最佳控制。开发真正实用和安全的转向角特性控制，可应用于四轮转向车辆，应基于使用悬架效应的车辆动力学研究。
为了研究上述车辆主动安全问题，假设用于分析的车辆模型应充分表示为以下几个因素：车辆设计参数（包括悬架类型和力偏转特性）、轮胎-道路相互作用（施加轮胎饱和限值）、k不等式参数（如果使用非完整方法）和操作参数。应当记住，在系统方法（43）中，机动车辆本身是由车辆驾驶员环境组成的被广泛理解的系统的子系统。然而，车辆物理和数学模型的开发是系统方法研究的最关键的初始阶段。这一阶段的正确性决定了未来研究的成功与取得的成果
作为汽车动力学的基础研究，各种悬架设计对轻型汽车操纵稳定性的影响一直没有得到充分考虑。此外，还缺乏关于常用假设（即车辆T S侧倾轴在底盘侧倾过程中不会改变位置）后果的信息。当今的车辆动力学研究大多基于“固定侧倾轴近似”。
目标：
现有的通用车辆仿真软件大多是针对特定的车辆设计任务开发的，不适用于车辆主动安全问题的定性分析（44-46）。使用通用仿真软件开发车辆模型非常耗时，需要高水平的专业知识（47）。此外，如果不对整个软件进行重大重组，该软件的大多数都无法集成更先进的气动车轮模型，这些模型利用多方向轮胎变形状态和非完整约束公式。这似乎是先进车辆动力学研究中的一种有前途的方法（18，20-21）。
本文的目的是开发基于微机的（方便用户使用的）仿真、横向重量传递仿真（LWTS）和悬架力学仿真分析（ASMS），研究悬架设计对轻型车辆操纵稳定性的影响。本研究的主要目的是利用最常用的轻型车辆悬架的运动学和动力学效应进行模拟，并开发计算因悬架偏转而产生车辆侧倾轴空间运动的技术。
模型开发:
通过对车辆进行单、组合、转弯、制动或加速操纵时的稳态和瞬态运动分析，研究悬架设计对车辆动态响应和稳定性的影响。对于给定的初始前进速度，确定车辆的转向角和前进减速或加速度35主要动力和操纵特性。
建立了一个由弹簧质量和前后非簧载质量通过悬架单元连接的三维车辆模型进行分析。任何25个常用的轻型车辆悬架组合都可以通过弹簧和阻尼元件与弹簧质量连接。
假设的三维车辆模型等多体系统的整体运动非常复杂，因为它由对称（车内对称平面）和非对称（对称平面外）运动组成，这些运动产生许多运动和动态耦合。本文的目的是将建模的复杂性降到最低。假设用于分析的车辆模型有三个自由度：横向位移、偏移和滚动运动。虽然簧载质量的纵倾并未明确包括其主要效应，即在制动过程中使前悬架偏转，并改变正常车轮载荷，由此产生的轮胎力，但通过准静态近似计算得出。
可在生成三维车辆模型中选择的悬架系统涵盖了美国、欧洲和日本最新的轻型车辆设计（约200种）。此车辆模型的所有可用悬架系统都分为四类：
1.前悬架，
2.非独立式后悬架，
3.独立后悬架，
4.半独立悬挂。
在车辆模型上实现各种悬架系统的能力并且利用这些悬架对车辆横向和方向响应的任何组合的运动学和动力学效应。悬架运动学决定了前后两端的滚动中心和簧载质量的滚动轴。悬架系统的动态特性会影响车轮正常载荷之间的横向重量传递，从而影响轮胎产生的力和轮胎在道路上的附着极限。
底盘侧倾过程中悬架系统的运动包括改变悬架侧倾中心和车辆侧倾轴的位置，从而改变弹簧质量侧倾力矩臂，进而改变横向重量传递的分布。分别计算前后悬架的横向重量传递。对于每种驾驶条件，横向重量传递（LWT）的总和如下：
1。LWT由于车身侧倾，
2。LWT由于轴中心高度，
3。LWT由于簧下质量。
采用一个非线性的完整轮胎模型，利用CalSpan轮胎测量来产生道路反作用力。作为正常载荷的函数，每个车轮的转弯和调直刚度、轮胎制动系数和轮胎摩擦系数分别确定。每个车轮的正常载荷是根据静载荷、减速（或加速）引起的纵向重量传递和横向加速度引起的横向重量传递来计算的。制动系统模型包括前/后分配比和制动比例值。
每个车轮都使用了摩擦椭圆概念和calspan轮胎饱和数据，而不是使用轴上的平均力。确定所有车轮上产生的轮胎力接近附着极限的顺序，从而导致车轮抱死。
车辆运动建模：
假设三自由度车辆模型的运动方程（图1，2）可以写如下（注释在本文末尾的术语中定义）：
图1.车辆方向和轮胎力
图2.车辆侧倾轴和质量分布
侧向力：
偏移力矩：
簧上质量滚动力矩：
即使采用线性形式，也能满足本文的目的。此外，为了避免数学建模的不必要复杂性，假设弹簧质量重心和车辆重心在X-Y平面上的投影重合（）。而簧上质量惯性积很小很小，可以忽略不计。最后，通过请求，运动方程（1）-（3）可以简化为：
忽略空气动力载荷，轮胎侧力和对中扭矩会导致作用在车辆上的侧向力和横摆力矩。簧上质量绕其滚动轴的滚动运动由车辆悬架的弹簧和阻尼元件提供：
虽然没有提供车辆纵向平衡分析，但模型中车辆制动或牵引力由车轮纵向力表示，车轮纵向力影响（如下所述）轮胎的饱和极限。车轮的制动力或推力为：
推力在哪里：
对于轻度制动：
对于重度制动：
前轮和后轮的法向力由静载荷、制动或推力引起的纵向重量传递和转弯引起的横向重量传递决定：
由于车身侧倾（），侧倾中心高度（）和非簧载质量（），前后横向重量转移如下：
（悬架分析中提供了横向重量传递部件的进一步说明。）
非线性轮胎模型已经开发成一种可以接受CalSpan轮胎数据的形式（13）。轮胎的转弯刚度很大程度上取决于其正常载荷：
轮胎的摩擦特性由峰值制动和侧向力系数决定：
轮胎侧向力是法向载荷j滑动角变量j侧向力系数和打滑次数的函数。在该模型中，车轮法向载荷对所产生的轮胎力的影响通过侧向力系数直接或间接地表示出来。轮胎侧力已写下：
左前轮：
右前轮：
左后轮：
左后轮：
其中规范化的侧向力函数是：
以及滑动角的变量：
前轴和后轴的滑动角确定如下：
根数：
图3.组合机动中的摩擦椭圆概念
轮胎粘合模型采用了摩擦椭圆概念（图3）。根据摩擦椭圆，轮胎在组合转弯和制动或转弯和加速操作中的最大侧向力为：
其中定义了零纵向加速度（=0）下的最大侧向力：
对于零横向加速度（=0），轮胎的最大纵向力的形式如下：
悬架分析：
在所开发的车辆模型中，簧载质量绕着辊轴滚动（图2）。弹簧质量滚动轴的位置取决于所采用的前后悬架类型及其运动学。对最常用的轻型车辆悬架设计进行了分析，以确定在各种车辆操纵过程中横滚轴的空间运动。
使用以下假设进行了悬架运动分析：
- 悬架系统是由刚性连杆组成的机构，悬架接头之间没有间隙。
- 悬架变形是由于弹簧和减震器的配合。
- 车轮接触面被视为可水平平移的旋转接头。
悬架侧倾中心是指当车辆受到侧向力（如转弯操纵中所经历的侧向力）时，悬架围绕其旋转的点。悬架侧倾中心的位置取决于悬架几何结构。通过找出各种直线的交点（如悬挂连杆的延伸），并应用阿隆霍德-肯尼迪瞬心定理，可以确定几乎任何常用悬挂类型的侧倾中心位置。例如，利用上述假设，双横臂和麦弗逊支柱悬架的侧倾中心位置如图4和5所示。重要的是要注意，悬架侧倾中心位置不是相对于弹簧质量固定的，而是在悬架移动时移动的。
弹簧质量的滚动轴是底盘围绕其旋转的空间线。侧倾轴通过一条线穿过前后悬架侧倾中心（图2）。由于悬架的侧倾中心在底盘侧倾过程中移动，弹簧质量的侧倾轴也会改变其方向。
以下步骤提供了由于底盘侧倾而引起的各种悬架及其侧倾中心的运动分析：
1.计算轴中心的位置。
2.通过一些小的角位移，围绕穿过轴中心的轴旋转底盘。
3.计算表示车轮和主轴的左右三元连杆的新位置。
4.重复步骤1-3，直到获得所需的底盘旋转。
该程序应根据双横臂和麦弗逊悬架进行解释。
图4.双横臂悬架的滚动中心
图5.麦弗逊悬架的滚动中心
图6.使用矢量表示的双横臂悬架的一半
图7.用矢量表示法计算麦弗逊悬架的一半
确定辊中心位置后（使用上述方法，图4，5），然后通过一些小的角位移旋转底盘。为了计算特定底盘位置的新位置
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资料编号：[2985]
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