车辆系统仿真：特别影响因素分析

下面就单轨模型里没有顾及的因素进行深入讨论。

1.侧偏刚度

当侧向力Fa还未达到它极大值的一半时，侧偏刚度与侧偏角α无关。与之相应的，侧偏角－侧向力图的这一段是一条斜线，如图5.4.9（a）所示。

另外，车轮的侧偏刚度还与轮载荷FP有关，如图5.4.9（b）所示；车轴的侧偏刚度与轮载荷之差ΔFP有关，如图5.4.9（c）所示。令前后轴吸收车身侧偏力矩的大小不同（利用扭杆横向稳定器，双支座横向板弹簧及平衡弹簧等方法），可将前后轴的侧向力调整到我们所需的值，图5.4.9（d）是它们之间原则上的关系。

要想增强汽车的不足转向趋势，就要减小前轴的侧向力以及侧偏刚度值。可以采用的方法有以下3种。

（1）在前轴上安装扭杆稳定器，如图5.4.10所示。利用它的扭转刚度，当汽车侧偏运动时在转弯外侧的车轮上制造一个力F1，同时将内侧轮载荷减少F2＝－F1。由于轮载荷对侧向力的非线性影响，前轴上两个车轮总的侧向力将会变小。

（2）减小前轴车轮的内压，以降低前轮的侧偏刚度；同时，增大后轮的内压，以增加后轮的侧偏刚度。

（3）加大正的外倾角，制造一个负的外倾侧向力，以便减小外倾和侧倾造成的总的侧向力。

相反，如果想减小汽车的不足转向趋势，就必须采取下列方法。

（1）在后轴上安装平衡弹簧，如图5.4.11所示，它的作用与扭杆弹簧一样，只是在单铰链和双铰链摆式悬架上比扭杆弹簧更易于安装。

图5.4.9　轮载荷之差对单个轴的侧偏刚度的影响

图5.4.10　在车架上固定扭杆稳定器

图5.4.11　平衡弹簧

（2）可扭转地安装板弹簧也能起到同样的效果。

（3）在前轴上安装Z形扭杆，如图5.4.12所示。它吸收力矩的方向与扭杆弹簧正相反，但是受其形状的限制使得它难于安装。

图5.4.12　Z形扭杆

（4）增加前轮的内压，以增大前轮的侧偏刚度；同时，减小后轮的内压，以减小后轮的侧偏刚度。

（5）加大后轴负的外倾角，或者减小前轴负的外倾角。

稳定器的工作原理如下。

稳定器只有在悬架左右挠度不等的时候才起作用。它加强了一根轴的侧倾刚度，因此增大了轴所吸收的侧倾力矩，继而导致轮载荷差增大。因为侧向力的特性曲线呈递减趋势，所以随着轮载荷差的增加，总的侧向力反而减小。

例如，在一辆中性转向汽车的前轴上安装稳定器将会把它变为不足转向的汽车，如图5.4.13所示。为了使在前轴上已经装了稳定器的汽车得到原先的侧向力值，必须增大转向角以便增大侧偏角。

图5.4.13　稳定器示意图及带稳定器和不带稳定器时的平均侧向力

（a）稳定器；（b）带稳定器和不带稳定器时的平均侧向力

2.转向伸缩性

转向机构的固定处，转向轴筒内的连接点和前轴上铰链连接处都有一定的余地，称其为转向伸缩性。转向伸缩性影响示意图如图5.4.14所示。

前轴的侧偏刚度由于转向伸缩性而减小。为了得到同样的侧向力，就是说为了平衡转向伸缩性的影响，需要更大的侧偏角。

设δV为没有转向伸缩性时的转向角（即方向盘转角乘以转向器的角传动比）；

为有转向伸缩性时的侧偏角；

αV为没有转向伸缩性时的侧偏角；

ΔδV为由于转向伸缩性和车轮的回正力矩Ma＝FaV n，δV在方向盘不动时减小的值；

为没有转向伸缩性时轮胎的侧偏刚度（实验台测量值）；

kV为有转向伸缩性时汽车上轮胎的有效侧偏刚度；

n为总的随动距离（结构随动距离加上动态随动距离）；

cL为转向系的扭转刚度；

FaV为转向轮侧向力。

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图5.4.14　　转向伸缩性影响示意图

总的来讲存在以下关系

因此

要是转向系绝对僵硬的话，侧偏角是能够调整的，而且驾驶员通过方向盘和转向器给出的转向角δV也应该能够调整。但是由于轮胎回正力矩和并非无限大的转向系刚度cL缩小了方向盘给出的转向角以及侧偏角。

3.切向力对侧向力和转向力矩的影响

（1）车轮上的横向力和纵向力在轮胎与地面的接触面上只能靠摩擦力传递，而从理论上来讲摩擦力是不受力的作用方向限制的，即

这就给出了所谓库伦氏摩擦环；真实的轮胎却要区分最大切向力和最小切向力，因此就有了所谓摩擦椭圆环，如图5.4.15所示。如果除了侧向力之外还要传递一个纵向力（切向力），那么可传递的极大侧向力将会减小。

（2）在侧向力作用之下，接触面移向一侧，由此导致了不对称性，前轴轮胎上的切向力借此影响了转动力矩。这种效应在前轮驱动的汽车稳态圆周行驶时尤为明显。前轮上起驱动作用的切向力使转向系“变硬”了，因为它造成了一个回正力矩，如图5.4.16所示。

4.回正力矩的影响

回正力矩对悬架有一定的影响，它的产生是由于车轮上下跳动时外倾角发生改变，或者直接来自转向角。回正力矩的公式为

图5.4.15　切向力－侧偏侧向力的等侧偏角曲线，图中的等值线是库伦氏摩擦环和摩擦椭圆环

图5.4.16　回正力矩由切向力产生，前轮驱动汽车

这个回正力矩作用在悬架上，它通过拖臂的橡胶铰链连接改变车轮导向的角度，如图5.4.17所示。

5.车轮导向装置的伸缩性与它的运动性能

车轮导向装置里的固定铰链连接不是纯刚性的（单纯的转动铰链连接），它采用了橡胶弹性材料而具有塑性的运动学特征。由此，在轮轴上下运动的时候，运动的路径不仅由导向装置决定，而且是在切向力和侧向力的共同作用之下，由塑性造成的。

有些汽车为了隔离振动，将悬架与部分车身做成一个整体，这个分结构称作悬架体。在这种汽车上伸缩性表现得尤其明显。悬架体又被塑性地固定在车架上，使得悬架体能相对车架运动。

1）前轴

转弯时出现的侧向力将塑性连接的悬架体推向转向器刚性固定住的那一侧，由此产生的转向运动加大了真正的转向角，起不稳定作用（向弯道内侧运动），如图5.4.18所示。

图5.4.17　回正力矩

图5.4.18　悬架体对转向中的前轮的影响

2）后轴

依不同的车轮运动方式，伸缩性可以造成稳定或不稳定的影响。如果纵拖臂向后分叉，那么在伸缩性的影响之下汽车会向弯道的内侧偏离，即起到不稳定作用。

从根本上讲，只有当汽车对干扰的反应有使它回到原有的行驶状态的趋势，才被称为稳定性的。因此，悬架伸缩性产生的影响是非稳定性的，而侧向风的影响却是稳定性的（风稳性）。车轴状态图如图5.4.19所示。

图5.4.19　车轴状态图——悬架带有和不带有伸缩性

6.侧倾转向

车身的侧倾使得弯道内侧和外侧的车轮分别向上和向下运动，在侧向风的干扰下车身也会产生侧倾。悬架的刚性和塑性运动确定了车轮将会有哪些前束角和外倾角变化，由此产生了转向效果。这种对汽车的影响效应被称为侧倾转向。刚性车轴的转向效应如图5.4.20所示。

图5.4.20　刚性车轴的转向效应

侧倾转向效应的决定性因素是转向点之间的关系：

也就是说，只有当车轮与前转向点在同一高度时，才不会出现侧倾转向效应。如果在设计时刻意追求这种效果，那么装载稍微增加一些就会出现过多转向或者不足转向。

如果选择了单独悬挂的方式，且应用对角式或斜拖臂式导向装置，也会出现侧倾转向效应。轮子并不在垂直的平面内上下运动，这是由于运动的转动轴是斜的（不要与驱动轴混淆），改变了前束角和侧倾角。同一条轴上两个车轮的上下运动并不是对称的，因此转弯内侧与外侧车轮受的力不能相互抵消。外侧车轮受的轮载荷大，由前束角和侧倾角产生的侧向力也较大，因此外侧的车轮总决定侧倾转向对汽车转弯性能的影响。