基于ADAMS的越野車側(cè)傾穩(wěn)定性分析與改進(jìn)

丁義蘭，王顯會，皮大偉，楊 波

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

越野車因其具有結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)心高、裝載質(zhì)量大等特點(diǎn)，最易誘發(fā)側(cè)翻事故，故如何提高越野車的側(cè)傾穩(wěn)定性是車輛研發(fā)人員面臨的一個重要課題。Neil R.Everett［1－3］等將理論研究和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬相結(jié)合，分析出準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻極限；江蘇大學(xué)的薛念文、潘建等人利用動力學(xué)軟件分析了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對越野車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響［4］，實(shí)現(xiàn)了懸架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。本文運(yùn)用ADAMS軟件建立越野車整車多體動力學(xué)模型，分析其側(cè)傾穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，側(cè)重考慮整車質(zhì)心、輪距、懸架剛度與阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)對側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，并提出改善側(cè)傾穩(wěn)定性的方法。

1 越野車整車動力學(xué)模型的建立

1.1 越野車實(shí)車模型

越野車三維模型如圖1所示，發(fā)動機(jī)前置，四輪驅(qū)動，前、后懸架均為變剛度螺旋彈簧的非獨(dú)立懸架。驅(qū)動橋前端和后端分別通過橫向推力桿、上下各兩根縱向推力桿與車架相連；前驅(qū)動橋左右兩邊通過轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪相連，后驅(qū)動橋直接和車輪相連；轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向直拉桿組成，其中轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向直拉桿均與轉(zhuǎn)向節(jié)固定相連。越野車參數(shù)見表1。

1.2 建模假設(shè)及坐標(biāo)系的選擇

越野車是一個復(fù)雜的多質(zhì)量系統(tǒng)，為便于分析進(jìn)行如下簡化和假設(shè)：①整車系統(tǒng)簡化為與側(cè)傾穩(wěn)定性分析有關(guān)的多剛體系統(tǒng)，含前懸架、后懸架、車身、車輪、轉(zhuǎn)向系，忽略與仿真無關(guān)的制動系，傳動系簡化為作用在4個車輪上的驅(qū)動；②左、右懸架以越野車的縱向中軸線對稱；③懸架中除了彈性元件和橡膠元件外，其余零部件都簡化為剛性體，在仿真過程中，不發(fā)生變形；④輪胎和地面模型采用系統(tǒng)中提供的相應(yīng)屬性文件修改而成［5］。

圖1 越野車三維模型

表1 越野車參數(shù)

定義越野車坐標(biāo)系［6］原點(diǎn)位于兩前輪輪心連線的中點(diǎn)，x軸正方向?yàn)檐囕v行駛的反方向，y軸正向?yàn)槠囆旭偡较虻挠曳?，z軸與地面垂直，正方向向上。

1.3 整車模型

利用ADAMS/View，建立前懸架、后懸架、車身、轉(zhuǎn)向系及車輪的虛擬模型，如圖2所示。建模所需的數(shù)據(jù)由廠家直接提供或從廠家提供的三維數(shù)模中間接獲得。

1.4 模型的驗(yàn)證

根據(jù)GB/T6323.6－1994《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)》要求［7］，在試車場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為駕駛員操縱汽車以最低穩(wěn)定速度沿所畫圓周行駛，待記錄各變量的零線后，車輛起步，均勻地加速（縱向加速度最大不超過0.25m/s2），直至側(cè)向加速度達(dá)到6.5m/s2為止，記錄整個過程。

1－前縱向推力桿；2－減震器；3－前橫向推力桿；4－前橫向穩(wěn)定桿；5－轉(zhuǎn)向直拉桿；6－轉(zhuǎn)向橫拉桿；7－螺旋彈簧；8－前驅(qū)動橋；9－輪胎；10－后橫向推力桿；11－后橫向穩(wěn)定桿；12－后驅(qū)動橋；13－后縱向推力桿；14－車身

依據(jù)實(shí)車試驗(yàn)行駛工況，編輯驅(qū)動控制函數(shù)對整車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真，試驗(yàn)與仿真結(jié)果如圖3所示。國標(biāo)QC/T480－1999中將不足轉(zhuǎn)向度定義為前、后軸側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度為2m/s2處的平均斜率。從圖3（b）中可以計(jì)算出試驗(yàn)不足轉(zhuǎn)向度為0.78（°）/（m·s－2），仿真得到的不足轉(zhuǎn)向度為0.82（°）/（m·s－2），仿真與試驗(yàn)結(jié)果差距較小，證明整車模型準(zhǔn)確度較高。

2 整車側(cè)傾穩(wěn)定性分析

2.1 側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標(biāo)

根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)，選用如下指標(biāo)對其側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行分析：①車輛的質(zhì)心側(cè)向加速度；②質(zhì)心橫擺角速度；③前、后車輪垂直載荷轉(zhuǎn)移量。

2.2 仿真試驗(yàn)與分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真

依據(jù)GB/T6323.6－1994《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)》要求，編寫相應(yīng)的驅(qū)動函數(shù)，得到越野車速度和各評價指標(biāo)曲線，如圖4所示。隨著行駛速度的增加（圖4（a）），越野車的質(zhì)心側(cè)向加速度越來越大，接近4m/s2，橫擺角速度也發(fā)生劇烈變化，不斷增加至25（°）/s（圖4（b））；前、后輪的垂直載荷發(fā)生了很大變化，但此時所有車輪的垂直載荷未降至0，故該車還未側(cè)翻，但已處于比較危險(xiǎn)的狀態(tài)，有側(cè)翻的可能（圖4（c）和圖4（d））。

圖3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

圖4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)速度和各評價指標(biāo)仿真曲線

2.2.2 魚鉤試驗(yàn)

魚鉤試驗(yàn)［8］是轉(zhuǎn)向角輸入至物理極限的行駛工況，高速公路上較常發(fā)生的側(cè)翻事故多由該原因引起。由于目前國內(nèi)嚴(yán)格針對側(cè)翻的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還沒有頒布，故依據(jù)美國NHTSA－2010進(jìn)行抗翻滾性能測試（魚鉤試驗(yàn)）［9］。編寫相應(yīng)的驅(qū)動函數(shù)，得到越野車質(zhì)心軌跡和各評價指標(biāo)曲線，如圖5所示。越野車直線行駛一段時間后，突然實(shí)施急轉(zhuǎn)彎（圖5（a）），質(zhì)心側(cè)向加速度發(fā)生突變，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過6.5m/s2，橫擺角速度開始發(fā)散（圖5（b））；前后輪垂直載荷均出現(xiàn)了0，各車輪離地，越野車發(fā)生了側(cè)翻（圖5（c）和圖5（d））。

在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，若持續(xù)增加行駛速度，當(dāng)車速高于105km/h時，各曲線變化趨勢類似圖5，側(cè)翻傾向較大；在行駛過程中遇到緊急情況，實(shí)施急轉(zhuǎn)彎，就很容易發(fā)生側(cè)翻。通過仿真試驗(yàn)可得出該車側(cè)傾穩(wěn)定性較差。

3 影響參數(shù)敏感度仿真分析及改進(jìn)措施

3.1 影響參數(shù)敏感度仿真分析

為分析整車結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對越野車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，選取4個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，即整車質(zhì)心高度、后橋輪距、懸架剛度和懸架阻尼。為考察每個參數(shù)變化對越野車發(fā)生側(cè)翻可能性的影響，在保持其他3個參數(shù)不變的情況下，修改其中的某個參數(shù)，將比較通用的評價車輛側(cè)翻的橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR的最大值作為評價指標(biāo)［10］。當(dāng)越野車發(fā)生側(cè)傾，內(nèi)側(cè)垂直載荷為零時，LTR為1，車輛發(fā)生側(cè)翻。

圖5 魚鉤試驗(yàn)質(zhì)心軌跡和各評價指標(biāo)仿真曲線

通過多次仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，得到各參數(shù)對車輛側(cè)翻影響曲線，如圖6所示。4個參數(shù)中整車質(zhì)心和后橋輪距的變化對LTRmax影響較大；隨著整車質(zhì)心高度的增加，LTRmax逐漸增加，車輛發(fā)生側(cè)翻傾向較大；當(dāng)后橋輪距增加時，LTRmax減小，越野車側(cè)翻傾向逐漸變?。粦壹軇偠扔绊戄^小，隨著剛度的增加，LTRmax也逐漸減?。粦壹茏枘釋υ撥噦?cè)傾性影響最弱，隨著相對阻尼系數(shù)的增加，LTRmax略有增加，側(cè)傾穩(wěn)定性稍許下降。

圖6 各參數(shù)對LTRmax的影響

3.2 改進(jìn)措施

由影響參數(shù)敏感度仿真分析可知，車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)對越野車側(cè)傾穩(wěn)定性有很大影響。

運(yùn)用ADAMS/View進(jìn)行多次仿真，以車輛側(cè)翻的橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTRmax為評價指標(biāo)，通過改變車輛的個別結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析改進(jìn)后越野車的側(cè)傾穩(wěn)定性，見表2。從表2中可知，降低整車質(zhì)心高度和增加后橋輪距可以提高越野車的側(cè)傾穩(wěn)定性，適當(dāng)匹配懸架的剛度和阻尼（即增加懸架剛度，略微降低懸架阻尼）也可以增加越野車的抗側(cè)翻能力。

表2 改進(jìn)后橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTRmax

4 結(jié)論

仿真分析發(fā)現(xiàn)后橋輪距是影響側(cè)翻傾向最為明顯的參數(shù)，質(zhì)心高度與其相似，而懸架的剛度和阻尼對越野車側(cè)傾穩(wěn)定性也有較大影響。降低整車質(zhì)心高度和增加后橋輪距，重新匹配懸架剛度和阻尼（即增加懸架剛度，略微降低懸架阻尼）等措施，可以提高整車側(cè)傾穩(wěn)定性能。

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