基于ADAMS的车辆跑偏影响因素仿真分析.pdf

IM汽车行业116 2023年增刊基于 ADAMS 的车辆跑偏影响因素仿真 分析蒙堂基，王鑫，张洪蛟，刘钧磊，陶文秀（比亚迪股份有限公司，广东 深圳 518119）摘要：由于汽车生产制造误差或长期行驶的过程中导致的四轮定位参数左右轮的不平衡和轮心六分力不均匀等均会导致车辆跑偏，本文基于汽车结构和运动学相关工况，从车辆的四轮定位参数和轮心六分力等方面研究分析汽车跑偏的影响因素和机理。利用 ADAMS/CAR 虚拟样机建立整车仿真模型以及相关测试结果，对相关因素结合运动学机理和工况进行仿真分析，分析结果表明：前束、外倾角、主销内倾角、主销后倾角、汽车纵向力、侧向力等指标都会驱使汽车跑偏。此方法可以在设计初期识别车辆跑偏的原因并提供参考依据。关键词：跑偏；四轮定位；六分力；ADAMS 仿真1引言 汽车跑偏是指汽车直线行驶在平坦的路面上时，自行向左或向右偏离，导致汽车出现前后轴中心的连线与行驶轨迹的中心线不一致的行驶现象。GB 72582012 机动车运行安全技术条件明确规定了机动车在平坦、硬实、干燥和清洁的路面上行驶应具备不跑偏的能力，不论跑偏量多少，都需要驾驶员在行驶时修正驾驶转向盘，这将会给驾驶员增加驾驶难度，甚至影响车辆行驶的安全性。车辆跑偏的影响因素有很多，比如轮胎的大小、锥度力、花纹和胎压；四轮定位的前束、外倾、主销内倾和主销后倾等；轮胎六分力的纵向力、侧向力和行驶力矩等；整车的生产制造误差导致的左右轴距不一致等；转向系统的安装位置、拉杆长度、助力系统等因素。本文将结合悬架的力学结构和相关动力学理论从四轮定位参数和轮胎六分力上仿真探索汽车跑偏量的大小，从而在设计初期正确识别汽车跑偏量的主要影响因素并提供判断依据。2跑偏的评价标准2.1跑偏试验的测量方法GB/T 386792020 车辆行驶跑偏试验方法 中规定：车辆在平直道路上以 60km/h 匀速直线行驶时，在驾驶员不对转向盘施加任何外力的情况下，车辆不能维持直线行驶状态自行偏离的现象即为车辆行驶跑偏。在试验场地上标示出一条 100m 的直线跑道线，在跑道的起点线之前和终点线之后至少有 50m 的缓冲区车辆行驶跑偏试验场地示意如图 1 所示。汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 117图 1车辆行驶跑偏试验场地示意图跑偏距离的测量采用 GPS 速度计测量法，方案如下：1）先调整车辆，使车辆沿着平行于 100m 试验跑道路面中心线匀速行驶，用 GPS 标定直线行驶的轨迹。2）试验开始时，驾驶员从缓冲区开始控制车速至试验车速，调整车辆行驶方向，使车辆尽量平行于 100m 跑道线行驶；到达起点线时松开转向盘，让车辆自由行驶，驾驶员必须在通过终点线之后才能踩制动踏板和调整转向盘。试验期间不允许车辆加速或减速，整个过程必须是匀速通过测试跑道。2.2跑偏评价基准基于本文的仿真分析，赋予跑偏试验评价标准见表 1。表 1车辆行驶跑偏分等评价基准序号评价参数评价基准140km/h 匀速行驶跑偏位移量（m/100m）好可接受不可接受2（060）km/h 急加速行驶跑偏位移量好可接受不可接受注：试验结果中向右跑偏为正值，向左跑偏为负值3四轮定位参数对跑偏的影响由于汽车生产制造误差或长期行驶年久失修的车辆，可能会导致四轮定位参数与设计初期时不一致，这就会引起车辆传动机构或连接杆系球头等的磨损导致左右车轮的定位参数不对称从而使车辆跑偏。针对四轮定位参数对车辆跑偏量的影响，本文将研究前束角、外倾角、主销内倾角和主销后倾角这四个参数，并基于 ADAMS虚拟样机的仿真进行初步判断。3.1前束角在汽车的俯视图上，前束角是车轮中心线与汽车纵向对称轴线之间的夹角。前束按照车辆的设计要求可以分为正前束、零前束和负前束，前束示意图如图 2 所示。图 2前束示意图前束主要作用是根据汽车行驶时，前束角为 0，如果前束角的选择过大，会引起轮胎的异常磨损；另一方面，前束也有抵消车轮外倾角影响的作用。前束因制造误差或球头杆系的异常磨损可能会导致前束角与设计值存在差异，前束角异常图如图 3 所示。基于以下三个前束的异常图进行仿真，分析异常对汽车的跑偏产生的影响。首先搭建整车的仿真模型，如图 4所示，仿真工况设置为匀速 40km/h 直线行驶 100m，达到 100m 时输出跑偏量。图 3前束角异常简图图 4整车仿真模型IM汽车行业118 2023年增刊前束异常跑偏量仿真结果如图 5 所示，可知图 3 前束的异常都会导致车辆跑偏。其中图 3a 左右轮异常右转、图 3b右轮异常右转会导致车辆向右跑偏，图3c左轮异常右转会导致车辆向左跑偏，按跑偏量的影响大小排序依次为 bac。图 5前束异常仿真跑偏量3.2外倾角在汽车前视图中，车轮外倾角是车轮中心平面相对于地面垂直线的倾角。合理的外倾角有利于减小轮胎磨损，但是如果左右车轮外倾角不对称则会导致车辆跑偏，外倾角异常简图如图 6 所示，对车辆外倾角异常进行仿真分析。对车轮外倾角异常进行仿真结果如图 7 所示，当左轮异常左偏，右轮不变对应图 6a，车辆会向左跑偏；当右轮异常右偏，左轮不变对应图 6c，车辆会向右跑偏；图 6b 为某车型正常外倾角设计仿真结果没有跑偏现象。图 6a 与图 6c 在外倾角度相同的情况下跑偏量结果相同。按跑偏量的影响大小排序依次为 a=cb。图 6外倾角异常示意简图图 7外倾角异常仿真跑偏量3.3主销内倾角在汽车前视图中，主销内倾角为前轮的旋转轴线（主销轴线）相对于地面垂直线的倾角。适当主销内倾角的存在会对转向回正力是有利了，如果两个转向轮的主销内倾角存在差异，就会影响转向轮的回正力矩有一边难以回正，可能就会导致车辆跑偏，主销内倾角异常示意图如图 8 所示，按跑偏量的影响大小排序依次为 a=cb。下面对某车型的主销内倾角差异进行仿真，结果如图 9 所示，左边主销内倾角变大，会导致车辆向右跑偏；右边主销内倾角变大，会导致车辆向左跑偏。图 8主销内倾角异常示意图汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 119图 9主销内倾角差异仿真跑偏图3.4主销后倾角在汽车的侧视图中，主销后倾角是主销轴线（转向车轮的旋转轴线）相对于地面垂直线的倾角。主销后倾角的作用是加大侧向力对主销轴线的回正力矩。若两个转向轮的主销后倾角存在差异，就有可能会导致车辆跑偏，如图 9 所示。对某车型的主销后倾角的差异进行仿真，仿真结果如下图 11。左边主销后倾角变大，会导致车辆向右跑偏；右边主销后倾角变大，会导致车辆向左跑偏，按跑偏量的影响大小排序依次为 a=cb。图 10主销后倾角异常简图图 11主销后倾角差异仿真跑偏量4六分力对跑偏的影响轮心六分力包括纵向力、侧向力、举升力和对应三个力的力矩，下文主要研究纵向力、侧向力对车辆跑偏的影响。对该车轮心六分力进行测试，并根据某车型存在跑偏的路谱测试报告提取力值进行仿真分析，观察车辆仅在不均衡轮心力作用下，车辆仿真结果是否存在跑偏 现象。4.140km/h 匀速工况对某车型路谱测试结果提取平均力值，其中 LR_Fx提取 300N，RR_Fx提取 150N；LR_Fy提取 400N，RR_Fy提取 600N，加载至仿真模型进行仿真。对其工况进行仿真，其中工况 1 仅加载 LR_Fx、RR_Fx；工况 2 仅加载LR_Fy、RR_Fy；工况 3 都加载 Fx、Fy；结果表明在 40km/h 直线匀速工况下若后轮仅加载 Fy方向的力，对车辆跑偏量影响最小且向右跑偏；若后轮仅加载 Fx方向上的力，对车辆跑偏量影响较大且会向右跑偏；若 Fx和 Fy都加载，对车辆跑偏量影响最大。仿真数据结果见表 2。4.260km/h 收油门工况对某车型路谱测试结果提取平均力值，其中 LR_Fx提 取-200N，RR_Fx提 取-700N；LR_Fy提 取 400N，RR_Fy提取 600N，加载至仿真模型进行仿真。IM汽车行业120 2023年增刊表 240km/h 匀速工况仿真数据结果工况类型加载条件LR_Fx加载力/NRR_Fx加载力/NLR_Fy加载力/NRR_Fy加载力/N跑偏距离/（m/100m）（向右跑偏为正）评价40km/h匀速仅 Fx3001501.4不可接受仅 Fy4006000.1好Fx+Fy3001504006001.6不可接受对其工况进行仿真，其中工况 1 仅加载 LR_Fx、RR_Fx；工况 2 仅加载 LR_Fy、RR_Fy；工况 3 都加载 Fx、Fy。结果表明，在 60km/h、D 挡收油门工况下若后轮仅加载 Fy方向的力，对车辆跑偏量影响最小且向右跑偏；若后轮仅加载 Fx方向上的力，对车辆跑偏量影响较大且会向右跑偏；若 Fx和 Fy都加载，对车辆跑偏量影响 最大。仿真数据结果见表 3。表 360km/h D 挡收油门工况仿真数据结果工况类型加载条件LR_Fx加载力/NRR_Fx加载力/NLR_Fy加载力/NRR_Fy加载力/N跑偏距离/（m/100m）（向右跑偏为正）评价40km/h收油门仅 Fx-200-7001.6不可接受仅 Fy4006001.8不可接受Fx+Fy-200-7004006003.2不可接受4.340-60km/h 加速工况对测试结果提取平均力值，其中 LR_Fx提取 400N，RR_Fx提 取 100N；LR_Fy提 取 400N，RR_Fy提 取600N，加载至仿真模型进行仿真。其中工况 1 仅加载LR_Fx、RR_F；工况 2 仅加载 LR_Fy、RR_Fy；工况 3 都加载 Fx、Fy。结果表明在 40 60km/h，D 挡加速工况下若后轮仅加载 Fy方向的力，对车辆跑偏量影响最小且向右跑偏；若后轮仅加载 Fx方向上的力，对车辆跑偏量影响较大且会向右跑偏；若 Fx和 Fy都加载，对车辆跑偏量影响最大。仿真数据结果见表 4。表 44060km/h 加速工况仿真数据结果工况类型加载条件LR_Fx加载力/NRR_Fx加载力/NLR_Fy加载力/NRR_Fy加载力/N跑偏距离/（m/100m）（向右跑偏为正）评价40 60km/h加速仅 Fx4001002.1不可接受仅 Fy4006000.1好Fx+Fy4001004006002.3不可接受5结论文章建立了整车仿真模型对车辆前束角、外倾角、主销内倾角、主销后倾角的左右差异，以及轮胎纵向力和侧向力左右分布不均进行了仿真，验证了这几个指标对跑偏的影响，总结了汽车跑偏量随相关指标变量而改变。针对引起汽车跑偏的机理分析可以在前期设计、生产制造装配、轮胎匹配和车辆检测中明确合理的误差精度从而有效避免车辆跑偏的现象。本文章基于 ADAMS 对车辆四轮定位参数和轮心的纵向力和侧向力分析车辆的仿真，仅单一对以上指标影响进行跑偏分析，最终实车应根据综合情况判定跑偏，仿真结果仅供为车辆跑偏原因排查提供参考数据。参考文献1 余志生汽车理论 M4 版北京：机械工业出版社，20092 陈军MSCADAMS 技术与工程分析实例 M北京：中国水利水电出版社，20083 王霄车悬架和转向系统设计 M北京：清华大学出版社，2015