基于汽车“麋鹿试验”性能的底盘关键技术研究

刘逸涵

摘 要：本文介绍了麋鹿试验的测试方法，通过Carsim仿真分析，揭示了麋鹿试验过程中车身侧倾角、轮胎受力以及车轮定位参数的变化规律。通过分析车身的侧倾原理、轮胎的动力学特性、以及悬架的K&C特性，简要总结了影响汽车麋鹿试验性能的底盘关键技术。

关键词：麋鹿试验;Carsim;车身侧倾;轮胎动力学;K&C

1 引言

在北欧和北美地区，汽车经常为了避让出其不意跳到公路上的麋鹿而发生危险。为了测试车辆的紧急避险能力，人们模拟高速避险的情形，按照标准设置地桩，以一定的车速在规定的路线内通过。最终以车辆能成功通过麋鹿试验的最高车速来评价其紧急避险能力。

麋鹿试验的试验场地为平坦、干燥的沥青或混凝土路面，根据车辆的宽度设定图1所示的地桩，根据车辆类型加载一定的乘客和行李。试验前确保车辆四轮定位参数、转向系统、悬架系统和轮胎都符合该车技术条件，并对轮胎进行预热。试验过程：车辆以某一速度驶入路径，松开油门踏板按照地桩的路线行驶，过程中不得碰到地桩，逐次提高驶入速度直到极限，再进行两次后得到最高通过车速。

2 麋鹿试验Carsim仿真分析

CarSim是针对车辆动力学的仿真软件，可仿真整车的操纵稳定性、制动性等。本文用CarSim软件对某中型SUV进行麋鹿试验仿真，先对整车参数、转向、悬架和轮胎等进行建模，其次根据试验标准对速度、转向和路面条件等进行设置，最终得到仿真动画、相关指标结果曲线。

2.1 车身侧倾角

根据车身侧倾角曲线可知车辆在紧急变更车道时产生较大的车身侧倾角，并在第二次变道时达到最大。

2.2 轮胎受力情况

车辆快速转弯过程中，往往前轮受力较大，因此本文以左前轮为例，提取垂向力和侧向力曲线。试验过程中，车辆激烈转弯行驶，轮胎垂向载荷变化量非常大，轮胎侧向力也在第二次变道时达到最大值。

2.3 轮胎定位参数

车辆左前轮的外倾角和前束角变化规律见图2，车辆在紧急变线行驶时，前轮外倾角和前束角都发生很大变化，结束后恢复初始值。

3 影响麋鹿试验性能的因素

3.1 车身侧倾角

车身在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角称为车身侧倾角。车身侧倾角是操纵稳定性的一个重要参数，侧倾角过大会使驾驶员感到不稳定、不安全，侧倾角过小则无法给驾驶员反馈有效的车辆运动状态，它是影响麋鹿试验的重要因素。车身侧倾角取决于侧倾力矩与整车侧倾角刚度的大小。

3.1.1 侧倾力矩的大小

侧倾力矩主要由簧上质量的离心力引起，设簧上质量为m，质心处的侧向加速度为ay，车身侧倾轴线为L，质心距离侧倾轴线的距离为h。

侧倾力矩为

M=Fy*h=m*ay*h

由此可知侧倾力矩的大小与簧上质量、质心距侧倾轴线的距离、质心处侧向加速度的大小成正比[1]。

3.1.2 侧倾角刚度的大小

侧倾角刚度是侧倾时悬架系统给车身总的弹性恢复力偶矩与侧倾角的比值，主要由弹簧、横向稳定杆、摆臂橡胶轴套和轮胎组成。弹簧、稳定杆与轴套并联构成悬架侧倾角刚度，并与轮胎串联构成整车侧倾角刚度。其中，弹簧和稳定杆需是等效刚度，橡胶轴套的等效刚度因悬架结构的不同而异。

综上可知，车身侧倾角的大小等于侧倾力矩与侧倾角刚度的比值，合理设计侧倾轴线、质心高度、簧上质量及侧倾角刚度，才能保证车辆在麋鹿试验中保持良好的性能。

3.2 轮胎动力学特性

车辆行驶中，轮胎是唯一与地面接触的部件。车辆的前轮通常既是驱动轮又是转向轮，激烈转弯中承受载荷很大，当轮胎纵向力和侧向力的合力超过轮胎承受极限时，车辆将无法按预想轨迹行驶、甚至失控。因此，轮胎是影响车辆麋鹿试验性能的重要因素。

3.2.1 轮胎侧偏特性

侧偏特性是轮胎力学特性的重要部分，侧偏力-侧偏角关系曲线见图3。当侧偏角不超过4°时，侧偏力和侧偏角成线性，零处的斜率为轮胎的侧偏刚度。在8°左右时，侧偏力达到饱和，轮胎即将侧滑，若侧偏角继续增加，侧偏力达到附着极限并下降，轮胎侧滑[2]。

麋鹿试验中，侧向加速度和横摆角速度较大，轮胎侧偏角已超出线性区域，并有较大的车身侧倾角和轴荷转移量，轮胎垂向载荷如图3突然增加或减小，此时轮胎的侧偏刚度也会产生较大变化[3]。因此，轮胎侧偏性能、轮胎与悬架的匹配度是车辆麋鹿试验性能好坏的重要因素。

3.2.2 不同轮胎的麋鹿试验通过速度

分别用1#、2#、3#轮胎，规格235/55 R20，在该SUV上做麋鹿试验，其它条件不变，多组测试得到通过速度，见表1。3#轮胎侧偏刚度最大，通过速度最高;1#轮胎侧偏刚度最小，通过速度最低。

3.3 悬架K&C特性

影响麋鹿试验性能的主要K特性是Roll Steer和Roll Camber，即侧倾转向和侧倾外倾; C特性是Compliance Steer，即柔性转向。

3.3.1 侧倾转向：

在侧向力作用下车身发生侧倾，引起车轮转向角或前束角的变动，称为侧倾转向。

根据某麦弗逊悬架的侧倾转向曲线的斜率，是量化侧倾转向的重要指标，斜率大则侧倾过程前束角变化大，不足转向量的增量就大，增加车辆的不足转向度。外侧车轮的前束减小，内侧车轮的前束增加，这种变化特性，增加了汽车的不足转向量，使汽车转弯行驶时更安全稳定，称为不足侧倾转向，反之为过度侧倾转向[4]。

麋鹿试验中若车辆不足转向度增量太大，则更容易产生“推头”现象，不利于灵活避险。當然出现过度侧倾转向，车辆急变线时容易甩尾失控。因此，具有适度较小的侧倾转向有利于提高车辆的麋鹿试验性能。

3.3.2 側倾外倾：

车轮外倾角在车身侧倾时的变化叫做侧倾外倾。外倾角变化有两个影响：一，影响轮胎的侧偏特性;二，影响轮胎的侧向附着能力。

由轮胎六分力试验可知，不同外倾角下轮胎的侧偏特性有所不同。通常情况下，随着外倾角的增大，轮胎侧偏刚度会降低[3]，因此悬架的侧倾外倾变化不宜过大。

车辆转向行驶时，随着外倾角的增加，侧向附着性能降低，若要保持高的附着能力，急转弯时外侧车轮应尽量垂直地面，使胎面与地面有良好的接触。因此，K特性中，外侧车轮的外倾角应具有适度的弱负变化趋势，随着侧倾角度的增加，外侧车轮的外倾角减小。

悬架的侧倾转向和侧倾外倾特性，主要取决于悬架硬点和杆系结构设计，合理的结构布置能使悬架运动过程中前束角和外倾角有理想的变化趋势，从而提高麋鹿试验性能。

3.3.3 柔性转向

影响麋鹿试验的重要C特性是Compliance Steer，即柔性转向。麋鹿试验中轮胎受到侧向力，侧向力使悬架中衬套变形，车轮前束角会发生变化。引起柔性转向的主要因素是橡胶衬套的变形，因此，衬套的刚度设计决定了柔性转向的特性和程度。与侧倾转向的原理类似，前束变化应使汽车趋于不足转向的趋势，有利于提高麋鹿试验性能。

4 结论

本文通过Carsim动力学仿真，得出了车辆麋鹿试验过程中整车和轮胎的运动规律和受力情况，又通过悬架运动学特性理论分析，得到了影响车辆麋鹿试验性能的关键因素如下：

1.车身侧倾角的大小;

2.轮胎的动力学特性;

3.悬架K&C特性中的侧倾转向、侧倾外倾和柔性转向。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论.第5版[M]. 机械工业出版社，2009.

[2]彭旭东，郭孔辉，单国玲. 汽车轮胎侧偏特性影响因素的试验研究[J]. 汽车工程，2004，26（6）：675-677.

[3]许男. 复合工况下轮胎稳态模型研究[D]. 吉林大学，2012.

[4] Habibi H，Shirazi K H，Shishesaz M. Roll steer minimization of McPherson-strut suspension system using genetic algorithm method[J]. Mechanism & Machine Theory， 2008，43（1）：57-67.