基于正交试验的载货汽车转向回正性仿真试验研究

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转向回正性是指汽车转向轮在受到转向力或者遭遇外力作用而发生偏转后，转向力或外力消失的情况下，车轮能够迅速 自动回到直线行驶位置的能力。汽车前轮定位参数则直接影响车辆转向回正性能以及轮胎磨掼情况，合理的前轮定位参数可以使车辆兼具 良好的转向回正性与转向轻便性。目前，前轮定位参数选择主要通过经验、半经验 、统计和试验获得数据，依赖大量的试验工作，耗费人力、物力，且产品设计周期长。采用虚拟样机技术与正交试验设计方案相结合的方式进行仿真试验可以简化试验过程，达到缩短产品开发周期、降低开发成本的目的。

2前轮定位参数对转向回正性能的影响车辆前轮定位参数包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前束值。前轮定位参数与前轮回正力矩紧密相关，回正力矩则直接影响整车转向回正性能。

主销后倾角是影响车辆前轮转向回正性能和保证车辆直线行驶稳定性的重要参数。正的主销后倾角的存在会使主销延长线与地面的交点与轮胎接地点之间有-个距离，称为主销拖距。主销拖距的存在加大了侧向力对主销轴线的回正力矩，但是过大的主销后倾角会带来转向轻便性的恶化。

主销内倾角有利于车轮的回正。由于主销内倾角能够减小主销偏移距，不仅可以提高转向轻便性，还可以减少转向轮传到转向盘的冲击力。但是 ，主销内倾角也不宜过大，过大的内倾角将导致转向沉重，并且加速轮胎的磨损1]1。

车辆前轮外倾与前束值是前轮定位中两个重要的参数，前束值是为了克服外倾带来的不利影响而与外倾角合理匹配设计的参数，以保证车辆前轮纯滚动和正直行驶。文献2根据某运输车前轮侧滑试验，提出-个前束值计算算法。文献 导出了前束值与前轮外倾角之间的合理匹配关系，并对某型皮卡进行侧滑试验，验证了该算法的正确性，并为该车的后期改进工作提供了理论根据。

来稿日期：2012-07-17基金项 目：广西省重点实验室培育基地建设项目(09-090-16)作者简介：张 晗，(1985-)，男，湖北人，博士研究生，主要研究方向：汽车动力学及其控制；过学迅，(1956-)，男，江苏人，教授，博导，主要研究方向：汽车动力学及其控制、电动汽车138 张 晗等：基于正交试验的载货汽车转向回正性仿真试验研究 第5期3载货汽车多体动力学模型3.1转向梯形模型根据目标车辆实际结构进行适当简化，建立其转向梯形模型主要包括：前桥、转向梯形臂 、转向横拉杆以及转向节。前轴钢板弹簧安装座通过固定副与板簧安装的坐标系标记点相连接；前桥和两边的转向梯形臂通过-个旋转副连接；转向节用-个旋转副和轮胎的位置标识点连接；左侧转向节与横拉杆之间通过十字万向节副连接；右侧的转向节与横拉杆之间为球副。

32钢板弹簧模型采用 SAE三段梁法建立钢板弹簧模型～钢板弹簧看做由三段梁结构组成，在每段梁结构之间采用弹性衬套进行连接，冉利用固定副把车轴和中间的梁紧固，然后利用衬套或者铰链副将板簧前后端与车架相连接。此方法易于建模，并且能够较为准确地体现钢板弹簧的物理运动以及力学特性，自由度较低，利于ADAMS的解算。

3.3转向系统模型ADAMS中建立的转向系模型包括：转向盘、转向轴、转向管柱、转向传动轴、输入轴、转向器、转向摇臂、转向直拉杆和转向节臂。其中：转向盘和转向轴之间为旋转副；转向轴和转向管柱之间为圆柱副；转向管柱与车身之间为固定副；转向轴与转向传动轴、转向传动轴和输入轴之间均为十字万向节副；输入轴和摇臂输入坐标标识点之间(齿扇)为旋转副；螺母和齿扇之间移动副；螺杆与齿扇之间也为旋转副；齿扇与摇臂之间为旋转副；摇臂和直拉杆之间为球副；直拉杆和转向节臂之间为十字万向节副；转向节臂和注销上端点标识点之间为固定副。前悬架及转向系统动力学模型，如图 1所示。

图 1前悬架及转向系统动力学模型Fig.1 Front Suspension and Steering System Model3.4后轴模型后轴模型包括两个半轴和轮毂，半轴内侧通过恒速副和主减速器连接；左右两端点通过恒速副和轮毂相连接；驱动左右半轴分别通过固定副和驱动桥壳相连接。

3.5动力系统模型在 ADAMS动力系统建模中通常是将发动机、变速器、离合器三个功能集中在-个模板中，使用函数模拟实现各部分的功能。然后通过两个作用在铰链副上的运动副的作用力制动器输出差速器转矩 ，再通过输出联通器传递至悬架模板驱动轴万向节。

3.6车架模型车架模型简化为-块平板 ，并在其上设置各种通讯器以便与各个和车架相连接的子系统进行装配。整车动力学模型，如图2所示。整车模型主要特生参数，如表 1所示。

表 1整车模型主要参数Tab.1 Vehicle Parameters项目 特性参数值整车质量，l(g轴距/mm前轮轮距/mm后轮轮距/mm主销后倾角/(。)主销内倾角/(o)前轮外倾角 )前轮前束/(。)439034o0153014851.57.51O.2图2 ADAMS整车动力学模型Fig.2 Vehicle Dynamics Model Based on ADAMS4试验验证根据国家标准 GB/T 6323.4-94《汽车操纵稳定性试验方法-转向回正性能试验》中的规定 ，进行了某载货汽车转向回正性试验。试验仪器包括德国达特朗公司 DAS-3A数据采集系统、S-400双向速度传感器、TAG-32150M7-25固体式垂直陀螺仪 、SAA-1203M4-10单向加速度计 、GPS测速仪、测力方向盘、电瓶。

根据该载货汽车实际性能参数 ，选择低速回正性能试验：车辆沿半径为 15m的圆周轨迹行驶，调整车速及转向盘转角使之侧向加速度达到并保持 0.4g，稳定车速并开始启动测试仪器记录，待 3s后驾驶员突然松开转向盘，至少记录松手后 4s的汽车运动过程。记录时间内油门开度保持不变。

在转向回正性仿真试验中，首先使车辆模型执行转弯行驶达到设定的稳态条件，然后将方向盘闭环控制解除，模拟驾驶员突然松开方向盘以研究汽车在回正力作用时的响应 。根据实车试验中的操作步骤在 ADAMS中作出相应设置以完成对转向回正性试验的模拟。采用横摆角速度的时间历程曲线与仿真结果进行对比，如图3所示♂果显示仿真结果与试验结果能够较好吻合，所建立的整车多体动力学模型可以应用于该车的仿真试验。

图3横摆角速度时间历程的试验-仿真对比图Fig3 Comparison Chart of Road Test and Simulation Test of Yaw RateNO.5Mav.201 3 机械 设 计 与 制造 1395转向回正性正交试验设计正交试验设计简称正交设计，是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法，是最常用的试验设计方法之- 。采用正交试验对虚拟样车进行转向回正性仿真分析，可以为高效、合理地选择车轮定位参数提供依据。

5.1确定试验评价指标依据国家标准 QC/T 480-1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》 中转向回正性试验部分的规定，确定以松开转向盘 3s后的残留横摆角速度值作为评价标准，进行正交试验设计。

5.2确定因素与水平前轮定位参数是影响汽车转向回正性能的重要因素，故以前轮定位参数作为考察因素，因素水平暂取为3。以此确立正交设计试验方案，如表2所示。因素A、B、C、D分别对应主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前束值。为了提高试验效率 ，暂不考虑各因素之间的交互作用。

表 2因素及水平表Tab.2 Factors and Levels5.3转向回正性仿真试验及结果分析根据研究对象，选择正交表，并进行转向回正性仿真试验 ，如表 3所示。

表3仿真试验正交设计方案表Tab.3 Ohogonal Experiment DesignTable of Simulation Tests对试验结果的计算与处理过程记录在表中，如表4所示。其中，K( 1，2，3)对应的4个数值分别为因素 、B、C、D的第 i水平所在的试验中对应的综合评价计分值之和，ki(il，2，3)对应的4个数值分别为K 对应的4个数值除以3(各因素的每-水平在总试验次数中均出现 3次)所得到的结果，即各因素中每-水平所对应的综合评价计分值的平均值。所谓极差是指各因素所在的每-列中k 的最大值减去最小值所得的差值。-般来说，各列的极差是不同的，这说明各因素的水平改变对试验指标的影响是不同的，极差越大说明这个因素的水平改变对试验指标的影响越大。如果某因素所在列的极差最大，则表明该因素的水平改变对试验指标影响最大，那么该因素就是要考虑的主要因素。

表 4汽车转向回正性能正交试验数据表Tab.4 Ohogonal Experiment Design Tableof Steering Returnability所设定的正交试验评价指标为残留横摆角速度值，对于车辆转向回正性而言，此数值越小，说明其回正性能越好，故选取表4中各列最优组合为 A.曰。C. ，即主销后倾角取 1，主销内倾角取6，前轮外倾角取0.5，前束值取O.3。最优组合结果4.33316结论(1)探讨了前轮定位参数对汽车转向回正性能的影响，结合仿真试验对前轮定位参数进行了选择。

(2)实际汽车设计过程中，汽车的转向回正性能试验是-项多因素试验 ，各因素的水平数较为庞大，但利用正交试验设计方法可精简试验次数，缩短汽车试验周期。未研究前轮定位参数之间的交互作用。