1、2007 年 MSC.Software 中国用户论文集 汽车转向响应灵敏度分析及其在新产品开发中的应用 董益亮 吴俊刚 长安汽车股份有限公司汽车工程研究院 - 1 - 2007 年 MSC.Software 中国用户论文集 汽车转向响应灵敏度分析及其在新品开发中的应用 The automobile turning sensitivity analysis and the application to the development of new product 董益亮，吴俊刚 (长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆 401120) Dong Yiliang, Wu Jungang (Cha
2、ngan Automobile Holding Ltd. Automotive Engineering Institute, Chongqing 401120) 摘 要: 本文简要分析了影响汽车转向响应灵敏 性的主要因素和试验方法，结合公司汽车新产品开发，在产品开发流程的早期，运用 MSC ADAMS 软件对影响车辆转向灵敏度的设计参数进行了分析和优化，提出了优化方案，提高了新开发车辆的转向响应灵敏性。 关键词： 转向响应灵敏性，操纵稳定性，评价，仿真分析，优化 Abstract The paper briefly analyses the main factors of influencin
3、g steering response sensitivity. In the early stage of product development, analyzed and optimized the automobile design parameters with MSC ADAMS software, and put forward the optimized solution which improved the steering response sensitivity of developing car. Key words: Turning sensitivity, Hand
4、ling, Evaluation, Simulation optimization 1 概述 转向灵敏性是汽车 对转向输入时响应的灵敏性、应答性，是 衡量汽车操纵稳定性好坏的重要指标，转向灵敏性好的汽车，用户一般都评价高，另外，转向灵敏性也是主动安全性的重要指标，国内外研究机构和汽车企业都将转向灵敏性作为不可缺少的主客观评价内容。 汽车转向灵敏性的影响因素很多，影响关系复杂，整车参数、系统特性和零部件特性都会影响汽车的转向灵敏性，另外，转向响应灵敏性指标与汽车其它评价指标也可能存在一定的矛盾，需要在设计阶段综合考虑产品的各项性能指标。由于转向响应灵敏度的复杂性和汽- 2 - 2007 年 MS
5、C.Software 中国用户论文集 车产品性能的多样性，传统的试验调校不但对试验人员的要求很高，而且在短时间内难以完成。由于在设计阶段没有实物样车，无法用试验检验其性能。我们在产品开发过程中，通过运用 MSC ADAMS 对产品性能进行仿真分析，在开发流程的早期就能考虑产品的性能，通过优化匹配使产品性能得到了改善，并提高了产品开发速度，另外，在试验验证阶段，仿真分析也为底盘优化匹配指明了方向，提出不同的优化方案。 2 汽车转向灵敏性的分析和评价 转向灵敏性评价方法有多种，常用的有转向盘阶跃输入试验、方向盘脉冲输入试验、转向盘中间位置操纵稳定性试验(方向盘连续正弦输入)、 蛇行试验等。这些试验
6、方法各有特点，国内外研究机构和公司对这些试验方法各有侧重，一般根据实际情况从中选择几种作为评价方法。转向灵敏性评价指标：转向灵敏度，横向加速度增益，峰值响应时间，反应时间等。下面主要介绍转向盘阶跃输入试验和转向盘中间位置操纵稳定性试验评价。 2.1 转向盘阶跃输入试验评价 0 图 1 转向盘阶跃输入试验 转向盘阶跃输入是评价汽车响应灵敏性的典型方法，用三个参数评价转向灵敏性。 1)到达第一峰值的时间，图 1 所示，时间越短，响应越灵敏。 2)横摆角速度增益 K， SK0= S 方向盘阶跃输入角度。 0稳态横摆角速度 横摆角速度增益 K 越大，转向灵敏性越好，但 K 值不能太大，以免驾驶员无意识
7、所做的轻微方向盘转动而引起车辆的很大的响应。由上式可知，K 受转向传动比影响很大。 3)横摆角速度超调量 max最大横摆角速度。 %10000max=r超调量与车辆特性、车速，横摆阻尼有关，不能太大也不能太小，太大驾驶员有种难以控制车辆的感觉，太小则灵敏性差，轿车推荐13%17%。 4)稳态侧向加速度 - 3 - 2007 年 MSC.Software 中国用户论文集 5)侧向加速度响应时间 2.2 转向盘中间位置操纵稳定性试验评价 该试验用于评价汽车转向盘中间位置路感、响应的灵敏性和准确性，这也是一般用户常用的评价汽车操稳性的方法。主要有两项灵敏性评价指标，转向灵敏度和转向迟滞，图 2所示。
8、 图 2 转向盘与侧向加速度的关系 1)转向灵敏度：在数值上等于侧向加速度为 0.1g 处曲线斜率的倒数，单位是 g/deg。 2)转向迟滞：侧向加速度在0.1g 所包围的面积除以 0.2g。纵坐标为侧向加速度，纵坐标为方向盘转角。 3)最大横摆角速度和最大侧向加速度。 3 汽车转向灵敏性分析和评价 3.1 影响汽车转向响应灵敏性的主要因素 影响汽车转向灵敏性的因素很多，主要有：1)转向传动比，2)动力转向，3)轮胎侧偏刚度，4)整车重量和质心位置；5)轮距和轴距，6)悬架特性。其中轮距和轴距、整车重量和重心在产品概念设计和总体布置阶段就基本确定，转向传动比和动力转向、悬架特性主要在系统匹配阶
9、段确定，悬架零部件轮胎特性可在零部件设计阶段改变。由以上分析可知，汽车转向灵敏性从概念设计阶段就应考虑。本文结合公司某轿车产品开发，在开发的早期，从影响转向灵敏性的主要因素入手，运用没 MSC ADAMS 分析评价了汽车转向响应的灵敏性，为布置设计、系统匹配等提供的有力支持。 3.2 车辆动力学模型建立 动力学模型由前悬架模型、后悬架模型、转向系统模型、车身功能模型、动力系统功能模型、轮胎模型、制动系统功能模型、稳定杆模型组成。前后悬架模型通过了与 K&C 试验结果校验，动力总成采用软件自带的模型，更换其中的发动机特性数据、变速器传动比和离合器特性数据。 - 4 - 2007 年 MSC.So
10、ftware 中国用户论文集 3.3 转向盘阶跃输入仿真分析与评价 仿真分析输入：平路面，方向盘最大转角 90，时间 0.2S，车速 80kph、120kph，汽车载荷为空载和满载。 分别改变转向传动比、前轮定位参数、整车重心位置、轮胎侧偏刚度、转向系统和摆臂球头摩擦系数，进行转向盘阶跃输入仿真分析，分析结果如下： 图 3 转向传动比对横摆角速度和侧向加速度响应的影响，车速 80km/h 图 4 前束角对横摆角速度和侧向加速度响应的影响，车速 80km/h - 5 - 2007 年 MSC.Software 中国用户论文集 图 5 转向传动比对横摆角速度和侧向加速度响应的影响，车速 120km
11、/h 从仿真分析结果可得知：随着转向传动比的增大，横摆角速度超调量、侧倾角和整车侧偏角等均增大，稳态和瞬态横摆角速度增益增大明显，横摆角速度响应时间减小，但不明显，因而增大转向传动比能够改善转向 响应的灵敏性。当车速较高时 (120km/h)出现车辆的摆振收敛慢的问题，整车侧偏增大，操控性变差，因而转向传动比不宜太大。 3.4 转向盘中间位置操稳性仿真分析与评价 仿真分析输入：平路面，方向盘转角 45，方向盘转角输入频率： 0.2Hz，车速 80kph、120KPH，汽车载荷为空载和满载。 分别改变转向传动比、前轮定位参数、整车重心位置、轮胎侧偏刚度、转向系统和摆臂球头磨擦系数，进行转向盘中间
12、位置操稳性仿真分析，分析结果如下： 图 6 转向传动比和前束角对转向灵敏度的综合影响，车速 80km/h - 6 - 2007 年 MSC.Software 中国用户论文集 图 6 转向传动比和前束角对转向灵敏度的综合影响，车速 120km/h 从以上仿真分析结果可知，前轮前束和转向传动比，对转向响应灵敏性有较大影响，增大前轮前束角和减小转向传动比，转向灵响应敏度增大，效果显著。增大前束角，最大横摆角速度和最大侧向加速度增大，但前束角对横摆角速度和侧向加速度滞后时间几乎没有影响。 由于篇幅所限，其它仿真分析结果略，分析结论如下： 1)重心适当后移有利于提高汽车的转向响应灵敏性，但稳定性会下降；
13、 2)提高车轮侧偏刚度可提高转向响应灵敏性，效果显著； 3)整车重量对转向响应灵敏性影响很大，重量越大，转向响应灵敏性越差，汽车轻量化意义重大； 4)转向系统和球头摩擦力对转向响应灵敏性影响不大，只要在设计范围内，其影响可忽略，但会影响转向回正性。 4 结束语 1)转向响应灵敏性是一个系统性的问题，必须在设计的初期就要考虑，该性能与汽车的其它性能存在着一定的矛盾，需要根据汽车开发目标综合考虑，平衡汽车的各项性能指标，以达到既凸现汽车性能的特点又兼顾其它性能的目的。另外，在后续的悬架系统匹配、转向系统匹配和底盘调校也要将转向灵敏性作为一项重要的指标。 2)通过以上仿真分析评价，提出了汽车的优化参
14、数，主客观评价结果证明，既提高了汽车的转向响应灵敏性又没有使其它性能指标下降。 3)在设计阶段通过对比仿真分析，可以找到影响汽车性能的主要因素，通过仿真分析驱动的优化匹配，能够综合考虑汽车的各项性能指标要求。 - 7 - 2007 年 MSC.Software 中国用户论文集 5 参考文献 1 MSC corporation. MSC.Adams/Car User s Manual, 2005 2 M.米奇克著,陈荫三译. 汽车动力学C 卷 1997 3 Pinhas Barak, David-Peter Herczeg. Mathematical Modeling and Computer Simulation of a Passenger Vehicle Steering System. SAE 2004-01-0773. 4 郭孔辉. 汽车操纵动力学. 长春：吉林科学技术出版社， 1989 5 余志生. 汽车理论第 3 版. 北京：机械工业出版社， 2003 - 8 -
