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重心高度对车辆动力学性能的影响

2019-06-12 23:27:06·  来源：EDC电驱未来  作者：李涛  
　
整车重心高度作为车辆重要基本参数之一，对车辆的动力学性能有着重要影响，主要体现在动力性、制动性、操纵稳定性等方面，例如加速、制动、转向时车身的姿态、悬
 
整车重心高度作为车辆重要基本参数之一，对车辆的动力学性能有着重要影响，主要体现在动力性、制动性、操纵稳定性等方面，例如加速、制动、转向时车身的姿态、悬架状态、转向特性都会受到车辆重心高度的影响；尤其是在高速过弯时，重心过高极有可能发生侧翻事故。因此，GB/T 12538、ISO 10392等标准法规对重心高度测试方法做了详细规定[1][2]，GB/T 14172采用最大侧翻稳定角来评价汽车静态侧翻稳定性；此外，美国NCAP还专门针对SSF（Static Stability Factor）制定了测试程序用于评价车辆的抗侧翻性能[5]。这些标准的制定均与重心高度强相关。鉴于重心高度对车辆动力学性能的重要性，本文将详细论述重心高度对动力性—等效爬坡度、制动性—同步附着系数、操纵稳定性—静态稳定系数SSF及动态稳定系数DSF等关键动力学性能的影响。
 
2 重心高度测量方法介绍
根据本院统计，一般轿车重心高度500mm~600mm，SUV的重心高度650mm~750mm。对重心高度的测试方法有举升法、侧倾法、固定摆法、质量反应法等。
2.1 举升法
举升法测量重心高度，在GB/T 12538[1]、ISO 10392[2]中均有介绍；测试过程主要是锁死悬架，将前轴或后轴抬高一定角度，测量轴荷变化；然后由规定公式（1）或（2）确定重心高度。
 （1）
或
 （2）
式中：l—轴距；rstat.f—前轮静力半径；rstat.r—后轮静力半径；mv—车辆总质量；mr—后轴载质量；mf—前轴载质量；θ—纵向举升角度。
举升法虽然设备成本低，操作简单，但是测量误差较大；因为测试过程中，悬架衬套、轮胎等的变形无法避免。这一点在ISO 10392前言中就明确指出：“The axle lift method can generally provide CG height accuracy in the range of a few percent”。此外，还有侧倾法与举升法相类似，由于测试过程中，悬架衬套、轮胎等变形无法避免，造成测量误差较大[3]。
 
2.2 其他测试方法
ISO 10392-2011在保留举升法的基础上增加了固定摆测试法，由于不受悬架、轮胎变形影响，测试精度可达0.5%以上。
对于质心高度的测试设备，还有没有MTS公司KC试验台VIMM测量模块、英国ABD公司KC试验台VIMM测量模块、德国CFM公司VIMM测量设备等。测试原理均基于质量反应法，并且测量时车身与工作平台固定，消除悬架、轮胎等的变形，达到高精度测量的效果，但不足之处在于设备昂贵。
3 重心高度对车辆性能的影响
3.1 重心高度对动力性的影响
汽车的动力性主要有最高车速、加速时间、最大爬坡度来衡量，也可以用汽车能通过的最大等效坡度q来衡量，即在一定附着系数路面上行驶时，车辆抵抗惯性、路面坡度引起的车辆重力分力、风阻、滚阻等的能力。前驱车最大等效坡度q可由式（3）[4]确定。
 （3）
式中：a—重心至前轴距离；φ—路面附着系数；hg—重心高度；L—轴距；
从式（6）可见，重心高度hg越高，最大等效坡度q越小。究其原因，主要是因为车辆处于斜坡上重力分量以及加速度造成轴荷转移，前轴荷降低，作用在驱动轮上的最大地面切向反作用力降低。反之，后驱车在爬坡、加速时，由于轴荷后移，反而可以增大最大等效爬坡度。
3.2 重心高度对制动性的影响
制动效能（制动距离与制动减速度）是制动性关键评价指标之一，对行车安全有着重要影响。同步附着系数是反映汽车制动性的关键参数，可由式（4）[4]确定。
 （4）
式中：φ0—同步附着系数；b—重心至后轴距离；hg—重心高度；L—轴距；β—制动器制动力分配系数。
从式（7）可见，重心高度hg越高，同步附着系数越小，制动性能越差。其根本原因是重心高度越高，制动时前后轴轴荷转移越大，在同等附着系数道路上的制动效能降低。
3.3 重心高度对操纵稳定性的影响
国标GB/T 14172-2009《汽车静侧翻稳定性试验方法》[5]采用侧翻试验台测量汽车最大侧翻稳定角，以表征汽车静态侧翻稳定性。美国NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）在US-NCAP评价中，对静态稳定系数SSF(Static Stability Factor) 有相关规定，以便对车辆抗侧翻性能进行评级。SSF由式（5）[6]确定。
 （5）
式（8）表征了纯刚性汽车的准静态侧翻性能，重心高度越高，性能越差。NHTSA(美国国家公路交通安全局)2005年公布的SSF发展趋势报告，表明轿车、SUV、轻型货车的SSF都有明显增大[7]。轿车SSF均值随年份的变化趋势见图1[8]。
图1 轿车SSF均值随年份的变化趋势
然而，由于悬架、轮胎等的变形，在稳态回转时抗侧翻性能会降低约5%[4]；考虑悬架、轮胎等变形影响的准静态稳定系数由式（6）[4]确定。
 （6）
式中：T—轮距；H—重心高度；Rφ—侧倾率（rad/g）；hr—侧倾中心高度；
不仅如此，美国NHTSA在US-NCAP评价中，还规定有Fish-Hook、J-turn等动态测试。国标GB/T 6323-2014 《汽车操纵稳定性试验方法》也对操纵稳定性测试方法做了规定，如蛇形试验、转向瞬态响应试验等动态测试。“汽车的瞬态侧倾阈值比准静态时的小。对于轿车和多用途车辆，阶跃转向时的侧倾阈值比B/(2Hg)低约30%，而货车则低约50%。” [4]
为了准确的描述汽车动态抗侧翻性能，南京航空航天大学金智林博士在其博士论文《运动型多功能汽车侧翻稳定性及防侧翻控制》中给出了汽车侧翻动态稳定因子(Dynamic Stability Factor，DSF)（式7）[9]。
 （7）
参数定义详见参考文献[6]。根据作者分析，DSF可以分成静态稳定因子（）和动态因素两部分，且动态因素部分（含负号）总是小于零，即动态稳定性总是比静态稳定性差。从式10可见，重心高度是影响DSF动、静两部份的关键参数，H越大，DSF越小，即车辆稳定性越差。随后，文中还对重心高度和轮距对汽车侧翻稳定区域的影响进行了分析（如图2、图3）[9]；得出结论：“随着重心高度增加，横向加速度极限值减小，但由动态稳定因子得到汽车侧翻横向加速度极限值随着重心高度减小的更快，即受重心高度变化的影响更大……由动态稳定因子和静态稳定因子得到汽车侧翻横向加速度极限值受轮距宽度的影响程度是一致的。因此，由动态稳定因子定义可知，在汽车设计中提高汽车侧翻稳定性时，适当的减小汽车重心高度比同比增大轮距宽度的措施更有效。而根据静态稳定因子定义同比减小重心高度或增大轮距宽度对改善汽车防侧翻稳定性效果相同。” [9]
图2 (ay，H ) 参数平面内汽车侧翻稳定区域比较
图3 (ay，T ) 参数平面内汽车侧翻稳定区域比较

3.4 重心高度对车辆其他性能的影响
 
重心高度不仅对动力性、制动性、操纵稳定性有很大影响，对驾乘舒适性、碰撞安全性、通过性等性能也有影响。
对驾乘舒适性的影响主要体现在制动点头、加速抬头、转向侧倾等工况；虽然提高悬架刚度，可以减少车身姿态的变化，但会降低平顺性。发生前碰时，若质心高度太高，车辆在剧烈减速度作用下后轴可能翘起，加剧驾乘人员下潜，进而降低碰撞安全性。对于通过性的影响，例如通过“V”形沟，车辆进入时轴荷前移，悬架变形而降低了接近角度；驶出时轴荷后移，悬架变形而降低了离去角。重心高度越高，这些影响越明显。

4 小结
通过以上分析，可见重心高度对车辆动力性、制动性、操纵稳定性等众多关键性能有着重要影响，因此在车辆开发过程中要尽量降低重心高度。
在丰田全新的造车理念TNGA（Toyota New Global Architecture）中，为了提升乘坐舒适性、驾驶操控性等动力学性能，将重心高度作为关键指标之一；重心高度控制技术在第四代普锐斯、第八代凯美瑞等车型上得以应用，取得了良好效果。 
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