【R&D】整车侧倾中心研讨（五）---整车侧倾行为评价和改善

随风1

车辆的侧倾行为对驾驶员评价操控性具有很大影响。本文描述了一种试验且可量化侧倾行为的方法，并提出了一种改善侧倾感觉的悬架特性设计方法。研究发现，使用俯仰运动作为评价指标与主观评价具有良好的对应关系。为了获得可接受的侧倾行为，重要的是在车辆侧倾过程中控制前轴的俯仰运动模式低于后轴。通过设计合适的悬架侧倾中心、非线性载荷变化和阻尼力系数，可以实现这种理想的行为。

01 引言

本文讨论了由静态或瞬态转向输入引起的车辆侧倾行为。因为侧倾行为对车辆操控性评价具有很大影响，它和其他车辆动态特性（如橫摆角速率或侧向加速度）一样重要。然而，以往用于评价侧倾行为的指标，如侧倾角的大小或侧倾速度频率特性，与主观评价的侧倾行为之间的相关性不佳。

表1中的结果是以往侧倾行为评价的典型例子，根据以往的指标，评价结果与主观评价存在差异。通常认为较小的车辆侧倾角会得到更好的侧倾行为评估。然而，车辆A具有最大侧倾角，在主观评估中得分最高。至于频率响应，传统上认为侧倾速度与转向输入的相位差应小。然而，从表中可以清楚地看出，主观评估结果也无法通过这一指标解释。



通常来说，预测侧倾行为的性能是比较困难的。因此，花费了大量时间来调校原型车辆的悬架特性，以改善侧倾行为。下面的内容介绍了解决这个问题的方法。首先对侧倾行为进行量化，并建立一个仿真模型。这个过程使得能够以足够的精度估计侧倾行为。同时，也提出了一种设计悬架特性以获得良好侧倾行为的方法。
02 量化侧倾行为在上述实验中，驾驶员的主观评价被认为是推导新的评估指标的第一步。结果表明，车辆的俯仰运动与侧倾感觉密切相关（见图1）。为了验证这一假设，进行了一个实验，测量了车辆在逐渐加速并以恒定半径绕圆转弯时所有四个车轮的行程。

在本文中，侧倾模型指数（Roll Mode Index，RMI）被定义为车辆中心处前后垂直位移之间的差值，即zc,f和zc,r。RMI的量纲是“长度”，它显示了侧倾过程中的俯仰运动。

在这里，zc表示内外车轮行程的平均值，即zi和zo的平均值。

f：front；r：rear；i：inner wheel ；o：outer wheel
当RMI为负值时，车辆的侧倾模式在前部降低；当RMI为正值时，车辆的侧倾模式在前部提高。

然后，根据测量结果计算了侧倾模型指数（RMI）。本试验中使用的汽车如表1所示。结果显示，汽车A和汽车B在整个侧向加速范围内，车辆前悬的俯仰运动较后悬较低（见图2）。另一方面，汽车C的前悬俯仰运动比其他两辆车更小。此外，在超过7m/s²的侧向加速度下，汽车C的侧倾行为从前悬降低模式转变为提高模式。汽车C的主观评价比汽车A和汽车B差。根据这些结果，假设车辆前悬相对于后悬具有较低的俯仰运动将导致良好的侧倾行为主观评价。


03 侧倾过程中的俯仰运动
在转弯过程中，车辆发生俯仰运动的原因进行分析，即使没有纵向加速度也会发生。如图3所示，前后悬架的车身下降或抬升是由于内侧车轮的下跳与外侧车轮的上跳运动差异所致。这些垂直运动引起了车辆的俯仰运动。


内外侧车轮跳动行程差异主要由以下三个因素引起（如图4），这些因素不仅是运动学的，还包括动力学的：1）由悬架侧倾中心几何学在内外车轮处引起的垂直力的差异。垂直力是侧向力和悬架侧倾中心决定的角度的乘积；2）车轮弹簧刚度的非线性特性，例如橡胶缓冲块或安装在减震器中的回位弹簧等；
3）减振器阻尼力系数的伸缩比。这个因素导致内侧车轮的跳动速度与外侧车轮的不同。因此，侧倾模式会暂时发生变化。


为验证上述假设和侧倾机制，进行了一项试验。在试验中采用了改变同一辆车的一个属性的方法。在图5的案例1和案例2中，对汽车C的内侧和外侧后车轮设置了不同的弹簧刚度。作为基准，内外车轮的螺旋弹簧刚度设置为相等的值，并与另外两种情况进行了比较。
在案例1中，后内侧车轮设置为软弹簧刚度，而后外侧车轮设置为硬弹簧刚度。如图3所示，预测后悬的模式将相对于标准情况提高。在案例2中，后内侧车轮的弹簧刚度是硬的，而后外侧车轮的弹簧刚度是软的。预测后悬的侧倾模式将相对于标准情况降低。在所有三种情况下，对侧倾行为进行了客观和主观评价。

图5中的结果表明，对案例1给出了最佳评价，其中后悬的侧倾模式被提高。这些试验结果验证了当前悬的侧倾模式相对于后部降低时，侧倾行为的评价得到了改善。


04 侧倾中心特性建模
Dixon et al.提出了关于侧倾中心概念，并考虑了运动学和动力学的影响。本文使用的模型也包括了运动学和动力学方面的因素。如图6所示，点O是车辆中心线与线L的交点，线L垂直于轮胎接地点运动轨迹。侧倾中心的初始高度h是点O到地面的距离。线L与地面的夹角ξ不是恒定的，随着车轮跳动位置和悬架杆系瞬心位置而变化。垂直力R是作用在车轮的侧向力和tanξ的乘积，前后侧倾模式的提升或降低是由垂直力R引起的。从图中可以看出，垂直力R会减少内侧和外侧车轮的上跳和下跳行程。点O被称为运动学侧倾中心。此外，侧倾模式的提升或降低也受非线性弹簧刚度特性的影响，这是动力学方面的影响。因此，点O并不表示车辆动态侧倾时的侧倾中心。

下面的方程式旨在表达这种侧倾中心高度以及在转弯过程中发生的横向载荷转移。通过解这些方程式，可以用电脑充分估算相对于侧向加速度的侧倾模式。图7中显示的计算结果与试验数据具有良好的相关性。


线L和地面的角度ξi,j和ξo,j由以下公式给出



hj,初始侧倾中心高
cj,侧向中心高变化与轮心位移的变化的比值Zij和zoj，车轮跳动行程tj,轮距φ，车身侧倾角由侧倾中心几何学和车轮侧向力fy引起的垂直力R由以下公式给出

垂直力的平衡方程可以写为


△w为横向载荷转移

每个车轮的垂向位移为


螺旋弹簧刚度K和稳定杆刚度ks的垂向力等式为

横向载荷转移△w和侧向力fy的表达式为

05 通过悬架运动学改善侧倾行为
在双横臂悬架中，如图8所示，随着上摆臂长度的增加，cj增大，对降低侧倾模式有更大的影响。麦弗逊悬架可以被视为具有无限长上横臂的双横臂悬架系统，如图9所示，这种类型的悬架在转弯时会有明显的下降。





就侧倾行为而言，麦弗逊悬架比双横臂悬架更适合作为前悬架。汽车A、B和C都安装了麦弗逊前悬架，它们的侧倾中心特性几乎相同。因此，可以假设在低侧向加速区域内，汽车A、B和C的前悬架特性对侧倾行为几乎没有影响（如图9所示）。
另一方面，三辆车的后悬架均为双横臂类型，它们的后悬侧倾中心特性各不相同（如图10所示）。这表明后悬架特性对车辆的俯仰行为具有显著影响。特别值得注意的是，只有被评为侧倾行为较差的汽车C，在后悬架上进行了降低。通过更长的下摆臂，汽车C的侧倾中心特性发生了变化，如图10所示。后悬的侧倾模式提高了，并且整个侧向加速范围内的侧倾行为评价得到了提高，如图11所示。




06 利用非线性弹簧刚度特性改善侧倾行为
通过分析驾驶员的意见，得出结论认为汽车C的侧倾行为评价较差，是因为在高侧向加速区域，前悬的侧倾模式提高了。通过模拟和测量车轮行程，发现前悬架的缓冲块早于后悬架（如图12所示）接触，前悬的侧倾模式提高了。

为防止这种情况发生，设计了如图13所示的非线性弹簧刚度特性。在前悬架中采用了两种方法来实现这种特性。如图所示，一种方法是增加缓冲块的接触间隙。在试验中，可以通过去掉缓冲块而不是增加间隙来验证这一点。结果显示在图14中，外侧车轮的减振器行程增加了，并且在高侧向加速区域获得了更低的侧倾模式，表现出了改进效果。



另一种方法是在减振器中加入回位弹簧，如图12和图13所示。如图15所示的结果表明，内侧车轮的回弹行程减少了，并且在前悬获得了更低的侧倾模式。后一种方法适用于由于悬架和车辆布局限制而无法充分保证完全反跳行程的情况。在前悬架中没有缓冲块或者加入了回位弹簧的情况下，试验结果表明，在中高侧向加速区域，侧倾行为的评价得到了改善。在这些情况下，根据图中显示，主观评价分数在10分评价标准中提高了两分。
07 改善瞬态特性

通过设计前减振器的阻尼系数，使其具有比后减振器更大的伸缩比，改善了瞬态侧倾行为特性。将瞬态侧倾模式设置为与静态侧倾模式相匹配，可以减少过多的车辆侧倾运动。这种改进原理如图16所示。通过将前减振器的伸缩比设置得更高，内侧车轮的减振行程在瞬时增加，而外侧车轮的反跳行程减少。因此，前悬降低并且获得所需的俯仰模式，在y = 3的情况下比y = 2的情况更平稳的俯仰运动。试验结果如图17所示，表明了这种改进效果。当前减振器的伸缩比y设定为3时，外侧车轮行程增加，内侧车轮行程减少。因此在瞬态和静态下前部的侧倾模式降低了。




08 结论
本文表明俯仰运动是车辆侧倾行为的有效评价指标，并且与主观评价结果具有良好的相关性。为了获得良好的侧倾行为评价，需要以下车辆特性：

※在设计转弯过程中的俯仰运动时，使前悬的侧倾模式相对于后悬降低，从而在整个侧向加速范围内获得改善的侧倾行为。

※ 通过设计瞬态侧倾模式以匹配静态侧倾模式，改善瞬态侧倾行为。

以下悬架特性对改善侧倾行为有效。

※可以通过设计前悬架的初始侧倾中心高度低于后悬架的高度，或者通过设计前悬架的侧倾中心高度变化与轮胎位置变化的比值高于后悬架，从而降低前悬的侧倾模式。

※在中高侧向加速区域，可以通过增加前悬缓冲块接触间隙，或者在前减振器中加入回位弹簧，防止前部的侧倾模式提高。
※通过使前减振器的阻尼系数具有比后减震器更大的伸缩比，改善瞬态侧倾模式。当所有这些条件都得到满足时，如图18所示，车辆侧倾行为的评价得到了显著改善。

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