基于ADAMS的汽车跑偏影响因素分析

彭涛杨志强李亭唐俊车绵刘建文

（1.天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心；2.泛亚汽车技术中心有限公司；3.中国汽车工程研究院股份有限公司）

GB 7258《机动车运行安全技术条件》中明确规定，机动车应具有稳定的直线行驶能力[1]。这不仅要求汽车在转向或侧向风干扰时能够主动回正，而且要求在转向回正后能够自行保持直线行驶。然而，当前市场反馈的汽车跑偏问题屡见不鲜，汽车跑偏成为影响汽车性能水平和品质的重要方面，也是关乎人们生命和财产安全的重大隐患。文章从力学和运动学角度深入探讨相关因素对汽车跑偏的影响机理，并基于车辆ADAMS动力学模型，对车轮外倾、前束、主销后倾、主销内倾、簧载质量及制动力等参数对汽车跑偏的灵敏度进行了分析。对于从根本上解决跑偏问题，预防和减少因汽车跑偏引起的交通事故的发生具有重要意义。

1 汽车跑偏定义及评判标准

1.1 汽车跑偏定义

汽车跑偏分为行驶跑偏和制动跑偏2种典型情况，是汽车使用过程中一种较常见的故障。行驶跑偏是指汽车在正常平坦路面上直线行驶时，驾驶员将方向盘自由地置于中间位置，而汽车自行向左或向右偏离汽车纵轴线方向的现象。汽车行驶跑偏是汽车使用过程中一种较常见的故障。制动跑偏是当驾驶员采取制动措施时，由于左侧和右侧车轮制动力不平衡导致汽车自行向左或向右偏离汽车纵轴线方向的现象。汽车跑偏时均伴随着方向盘自行向左或向右转动现象。当汽车行驶或制动跑偏时，方向盘会有规律地向左或向右转动，此时驾驶员需要在方向盘上施加一个矫正力以保证方向盘和前轮处于直线行驶状态，这会增加驾驶员操纵负担，容易使驾驶员疲劳，并且由于直线行驶时车轮始终存在转向趋势，导致转向系统部件和轮胎磨损加快，长此以往会进一步造成侧滑现象，从而很容易导致交通事故的发生。

1.2 汽车跑偏评判标准

工程实际中无法保证汽车完全对称，并且存在制造和装配误差，因此几乎所有车辆都存在跑偏现象，只是跑偏程度有大小之分，因此需要有相关标准作为评判汽车跑偏的依据。

对于汽车行驶跑偏的评判，业内普遍认可低速和高速2种标准，如不满足该标准要求可视作跑偏，相关情况，如表1所示。

表1 汽车行驶跑偏评判标准

对于汽车制动跑偏的评判，根据文献[1]中的规定：制动过程中机动车的任何部位（不计入车宽的部位除外）不超出规定宽度的试验通道的边缘线。对于普通乘用车，其评判标准为汽车以50 km/h初速度开始制动后，汽车任何部位不超出2.5 m的跑道，因此汽车制动跑偏评判标准是根据汽车整体与跑道相对位置定义的，与汽车宽度有较大关系[1]。

2 汽车跑偏影响因素分析

汽车跑偏是一个系统性问题。常见的引起汽车跑偏的原因主要包括四轮定位参数匹配不当、汽车载荷分配不均、零部件设计和制造缺陷、装配不当、轮胎胎压及动不平衡、道路不平坦及附着系数不均匀等[2-3]。汽车跑偏的直接原因是系统本身运动和受力的不对称性，从这个角度讲，四轮定位参数匹配、簧载质量和车轮受力分配是最直接的影响因素，因此重点对这些因素进行分析[4]。

2.1 外倾角

外倾角是通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与汽车纵向平面的夹角。车轮外倾角可防止发生车桥因承载变形而出现的车轮内倾现象，减小车轮磨损。

如图1所示，车轮外倾会产生滚锥效应，如果车轮左右两侧外倾角相等（αl=αr），此时外倾角差值为0，则车轮左右两侧处于平衡状态，不发生转向；当两者不相等时，左右两侧会呈现失衡状态。当右侧车轮外倾角大于左侧时（αr＞αl），右侧车轮接触点与车轮形成滚锥顶点O的距离（rr）小于左侧车轮接触点与车轮形成滚锥顶点O′的距离（rl），此时在左右两侧车轮纵向位移相同的情况下，右侧车轮绕O转动的角度必定大于左侧车轮绕O′转动的角度，即右侧车轮向右转动趋势明显，因此整车会呈现右偏现象。

2.2 前束角

前束角是通过车轮中心的车轮平面和xy平面的交线与汽车纵向平面的夹角。车轮前束可避免外倾导致的车轮向外滚动和滑动的现象发生，并消除轮胎磨损产生的不良后果。

如果车轮左右两侧前束角相等，此时前束角差值为0，则前束角形成的车轮转角为0，汽车不发生转向；一旦两者不相等，则左右两侧车轮的转向运动就会失衡，此时汽车会发生向左或右转向的现象。图2示出车轮在左右前束角不等时的运动状态，图2中利用前束差将汽车简化为单轨模型。由此分析，当前轮左右两侧前束差为正值时，汽车转向中心点在右侧，汽车有向右的转向趋势，反之当前轮前束差为负值时，汽车有向左的转向趋势；当后轮前束差为正值时，汽车转向中心点在左侧，汽车有向左的转向趋势，反之当后轮前束差为负值时，汽车有向右的转向趋势。

2.3 主销内倾角

主销内倾角是指在汽车横向平面内，主销轴线与地面垂直线的夹角。转向轮接地点与转向主销轴延长线和地面的交点之间的横向距离为主销偏距，主销偏距与车轮纵向力产生使车轮发生偏转的力矩。一般非独立悬架不存在实际的主销，但可利用转向运动几何关系确定虚拟主销，例如典型麦弗逊悬架的主销是减振器上支点与前摆臂外点的连线。

一般情况下，当左右车轮主销内倾角相等时，主销偏距亦相等，左右两侧车轮纵向力分别产生大小相等、方向相反的力矩，此时车轮能保持直线行驶。在主销内倾角不相等的情况下，车轮易产生不平衡的偏转力矩，导致汽车跑偏。

2.4 主销后倾角

主销后倾角为汽车纵向平面内，主销轴线与地面垂直线的夹角。转向主销轴延长线和地面的交点与转向轮接地点之间的纵向距离为主销后倾拖距。车轮侧向力与主销后倾拖距会产生使车轮沿主销偏转的力矩。如果左右车轮主销后倾角不一致，则侧向力产生的主销回正力矩不相等，这种情况下易发生车轮转向失衡，导致车轮跑偏。

2.5 簧载质量

簧载质量对跑偏的影响主要是由于左右两侧减振器通过转向节对转向器两端施加的不平衡力造成的。如图3所示，簧载质量对左右两侧减振器施加作用力F在汽车横向平面内分别产生Fsinφ的分力（φ为减振器与汽车纵向平面的夹角），该作用力会对转向拉杆左右两侧分别产生方向相反、大小为Fdsinφ的作用力矩（d为作用力臂），该力矩对转向横拉杆产生向内的推动作用。显然，当左右两侧簧载质量相等时，转向横拉杆作用力矩平衡，转向器不会带动方向盘转动；反之，当左右两侧簧载质量不相等时，转向横拉杆作用力矩失衡，并向簧载质量较小的一侧运动，此时转向器会带动方向盘反向转动，导致汽车跑偏。

2.6 车轮纵向力

车轮纵向力对汽车跑偏的影响实际上是分析车轮纵向力对质心作用力矩的平衡问题，它是保证汽车直线行驶的重要方面，所以应尽量使4个车轮上的力对质心的作用力矩平衡。簧载质量不平衡会造成车轮垂直方向受力不均，从而导致轮胎的滚动阻力不平衡并对质心产生横摆力矩，但由于正常情况下轮胎的滚动阻力较小，横摆力矩相对较小，因此这种情况一般不会引起汽车跑偏。同样，如果汽车左右两侧车轮驱动力或制动力不均衡、胎压不等、附着系数不一致或道路有横向坡度，甚至零部件装配导致的受力不均等都可能会引起质心横摆增大，导致汽车跑偏，横摆力矩的方向决定汽车的跑偏方向。

3 汽车跑偏ADAMS仿真分析

3.1 整车ADAMS建模及验证

以某型号乘用车为研究对象，利用ADAMS/Car建立整车多体动力学模型[5]。整车模型，如图4所示，主要包括麦弗逊式前悬架、双横臂式独立后悬架、动力总成系统、转向系统、制动系统和轮胎等。

因模型验证是仿真分析的重要方面，故依据GB/T 6323.1-94《汽车操纵稳定性试验方法-蛇形试验方法》验证模型正确性[6]。试验时汽车行驶速度和方向盘转角随时间变化曲线，如图5所示；同样条件下测试得到的汽车行驶轨迹与ADAMS仿真结果对比情况，如图6所示。

由图5和图6可见，相同条件下，利用ADAMS建立的多体动力学模型仿真得到的汽车行驶轨迹与实车测试结果具有较好的一致性，误差在5%以内。因此可认为仿真模型具有较高的可信性，可作为下一步研究的依据。

3.2 ADAMS仿真分析

利用整车ADAMS模型仿真不同条件下汽车跑偏情况。仿真工况定义为：汽车在平坦、干燥路面（附着系数 0.7）上直线行驶，速度为 80 km/h，距离为 100 m，定义汽车向右跑偏为正方向；制动时汽车行驶速度为50 km/h。相关因素对汽车跑偏的影响，如图7所示。

图7中涉及的差值均定义左侧大于右侧为正，反之为负。由图7可见，四轮定位参数、簧载质量和制动力的不对称导致了汽车跑偏，汽车跑偏量随相关参数基本呈线性变化趋势，并且前束差变化对汽车跑偏量影响较大，簧载质量影响相对较小；从汽车跑偏的方向规律看，汽车向外倾角、簧载质量和制动力较大的一侧跑偏，而向前束、主销内倾和主销后倾较小的一侧跑偏，这与前述分析一致。单纯对比四轮定位对汽车跑偏的影响，不同参数的灵敏度，如图8所示。

由图8可知，相比较而言，车轮前束差对汽车跑偏影响最大，贡献量接近80%，应在汽车制造过程中重点控制；其次，外倾角也是影响跑偏的重要因素；主销内倾角和主销后倾角影响虽然相对较小，但却是影响汽车转向回正性能的重要参数，也应合理设计和重点控制。

4 结论

文章建立了包含麦弗逊式前悬架、双横臂式独立后悬架、动力总成系统、转向系统、制动系统和轮胎总成的ADAMS模型并通过实际试验验证了模型的准确性，为后续对汽车跑偏和动力学性能分析提供了可靠依据。文章利用ADAMS仿真分析了车轮外倾、前束、主销后倾、主销内倾、簧载质量以及纵向力对汽车跑偏的影响，总结了汽车跑偏量随相关因素的变化规律。通过灵敏度分析区分了影响汽车跑偏的主次因素，深化了对汽车跑偏现象的理解和认识，为汽车设计和制造中如何避免和改善汽车跑偏问题提供了参考。