1 引言
随着道路的改善，特别是高速公路的发展，汽车以120km/h或更高车速行驶的情况是常见的。现代轿车设计的最高车速一般都超过200km/h，特别的轿车甚至超过300km/h。因此，汽车的操纵稳定性日益受到重视，成为现代汽车的重要使用性能之一。
汽车操纵稳定性涉及到的问题较为广泛，它需要采用较多的物理参量从多方面进行评价，其中转向灵敏性是汽车对转向输入时响应的灵敏程度、跟随性，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，用户一般评价高。目前，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。
在进行车辆转向灵敏性分析时，由于涉及到的因素很多，因此关于各因素对车辆转向灵敏性研究具有重要的意义。比如，若某因素对横摆角速度影响较大，则在设计过程中就要严格加以控制，使其具有较小的波动性，所以各因素的鲁棒性设计就显得尤为重要。在工程设计阶段没有物理样车，无法用试验验证的手段检验其性能。在车辆开发过程中，运用MSC.ADAMS软件对车辆性能进行仿真分析，在产品设计阶段充分预测车辆的性能，通过分析优化使车辆性能得到改善，并能提升产品开发周期。
2 转向灵敏性的试验评价
评价汽车转向灵敏性的试验方法有多种，一般包括：转向盘角阶跃输入试验、转向盘脉冲输入试验、转向盘中间位置操纵稳定性试验(On Center Handling Test)、蛇行试验等。不同的试验方法其侧重点略有不同，可根据具体实际情况选择合适的试验方法。下面主要介绍转向盘角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转向盘角阶跃输入试验评价
当车辆的运动响应、作用在车辆上的外力或者操纵位置随时间变化时，便称这一车辆的运动处于瞬态，在瞬态中的运动响应称为瞬态响应。目前，常用转向盘角阶跃试验来测定汽车对转向盘转角输入时的瞬态响应，是评价汽车响应灵敏性的典型方法之一，主要用以下参数进行评价。
1)到达第一峰值的时间ε，图1所示，时间越短，则驾驶者感到转向响应迅速、及时，反之转向迟钝。
图1 转向盘角阶跃输入试验
2)横摆角速度超调量
超调量与车辆特性、车速、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，轿车一般推荐值为15%～20%。
3)横摆角速度增益k
公式一 横摆角速度增益
δs一转向盘阶跃输入角度
ψ0一稳态横摆角速度
横摆角速度增益K越大，转向灵敏性越好，但是不能太大，避免出现驾驶员无意识的转动方向盘而引起车辆状态的变化。
4)横摆角速度的响应时间
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
转向盘中间位置操纵稳定性试验能够提供丰富的转向特性信息，从中我们可以对车辆高速行驶的操纵稳定性进行分析和评价，这也是一般用户常用的评价汽车操纵稳定性的方法。灵敏性评价指标包括：转向灵敏度和转向迟滞等，图2所示。
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，纵坐标为方向盘转角；
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，横坐标为方向盘转角；
3)最小转向灵敏度：指侧向加速度±0.1g之间曲线斜率最大值的倒数，通常比转向灵敏度要小，这是由于转向刚度具有非线性。
图2 转向盘中间位置操纵稳定性试验
2.3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)转向系统传动比
2)转向系统刚度
3)转向系统摩擦
4)悬架K&C特性
5)整车质量分配
6)轮距和轴距
7)轮胎侧偏特性
整车质量分配、轮距和轴距在车辆概念设计确定，转向系统传动比、转向系统刚度、悬架K&C特性、轮胎特性等在系统设计匹配阶段确定。从以上分析可知，在概念设计阶段就应该考虑如何开展汽车转向灵敏性的设计工作。
3 转向灵敏性的仿真分析
3.1车辆动力学模型建立
运用ADAMS软件建立某款车的车辆动力学模型，包括前悬架模型、后悬架模型、车身系统模型、转向系统模型、动力系统模型、轮胎模型、制动系统模型、稳定杆模型等，图3所示。
图3 整车仿真模型
3.2转向盘转向阶跃输入仿真分析与评价
仿真分析输入：进行仿真时，车辆以仿真车速匀速行驶稳定后，以最快速度转动转向盘至一定角度，并保持转向盘转角不变，使其侧向加速度达到某一设定值，车速130km/h，汽车状态为满载。
分别改变车辆定位参数、转向系统传动比、整车质心位置、轮胎侧偏刚度，进行转向盘角阶跃输入仿真分析，分析结果如下：
图4 前束的改变对横摆角速度响应的影响
图5 前束的改变对侧向加速度响应的影响
图6 转向传动比的改变对横摆角速度响应的影响
图7 转向传动比的改变对侧向加速度响应的影响
从仿真分析结果可知：
1)增大前束，最大横摆角速度和最大侧向加速度均有增加，但对横摆角速度和侧向加速度达到峰值时间几乎没有影响；
2)增大转向系统传动比，横摆角速度超调量、质心侧偏角等均增大，因而增大转向系统传动比能够改善转向响应的灵敏性；
3)质心后移可提高汽车的转向灵敏性，但车辆的稳定性有变坏的趋势；
4)增大车轮侧偏刚度可改善转向灵敏性，效果明显。
3.3转向盘中间位置操纵稳定性仿真分析与评价
仿真分析输入：水平路面，汽车以100km/h的速度作（近似于）正弦曲线的蛇行行驶，正弦运动的周期为5s，最大侧向加速度为0.2g。
分别改变转向系统传动比、车辆定位参数、转向系统摩擦，进行转向盘中间位置操纵稳定性仿真分析，分析结果如下：
图8 转向传动比的改变对车辆灵敏性的影响
图9 主销后倾角的改变对车辆灵敏性的影响
从仿真分析结果可知：
1)提高转向传动比可以改善车辆的转向灵敏度，减少车辆反应的迟滞时间；
2)主销后倾角的改变，对车辆的转向灵敏度、车辆反应的迟滞时间基本没有影响；
3)转向系统干摩擦对中心区性能影响较大，减小干摩擦可提高车辆的转向盘路感，但同时也减小了转向延迟时间，提高了转向灵敏性；
4)转向系统刚度的变化对中心区性能产生影响一方面是因为改变了转向系统整体的刚度，另一方面是改变了助力效果，因此它的减小会导致路感的下降和反应迟滞的增加。
4 总结
1)影响汽车转向灵敏性的因素很多，关系复杂，应结合整车开发目标，系统考虑各项因素，使车辆的性能达到最优。
2)在车辆设计阶段，通过分析优化了车辆性能，提升产品开发周期；同样，在车辆ET阶段，仿真分析也为底盘调校匹配指明了方向，制定各种优化方案。
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本文标题：汽车转向灵敏性分析及应用
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