車輛操穩(wěn)性對路面激勵的仿真分析

李 健，張亞岐

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430056 ）

0 引 言

車輛操穩(wěn)性作為汽車最重要的性能之一，是行車安全的必要保障，且其性能優(yōu)劣直接影響到駕駛員對當前車況的判斷以及車輛對駕駛員指令的執(zhí)行力。汽車操穩(wěn)性包括操縱性和穩(wěn)定性，影響操穩(wěn)性的因素主要包括懸架、傳動系統(tǒng)以及輪胎特性。這些因素在車輛行駛過程中相互交錯互相影響，綜合作用于車輛，且各因子間的匹配特性直接影響到各個系統(tǒng)的有效協(xié)同工作。通過分析，確定出影響操穩(wěn)性的關鍵性因子，準確掌握這些因子間的協(xié)調(diào)關聯(lián)性，能夠為車輛操穩(wěn)性能的提升提供理論依據(jù)。為全面客觀表現(xiàn)車輛的操穩(wěn)特性，國內(nèi)外研究機構(gòu)進行了廣泛深入的研究。Guo Xingdong在對車輛操控特性進行理論分析的基礎上，確定出影響車輛瞬時車速、橫向力、重心位置、輪胎側(cè)偏特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、轉(zhuǎn)向傳動比以及繞 Z軸的轉(zhuǎn)動慣量的因素，將車輛與駕駛員作為有機整體進行分析[1]。Wu Jiangyong針對四輪轉(zhuǎn)向提出結(jié)合匹配控制器的穩(wěn)健車輛模型，此種控制器在改善車輛操穩(wěn)性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)[2]。楊榮山等人考慮到車輛的運動特性，建立多體動力學模型，將車輛操穩(wěn)性與平順性進行協(xié)同優(yōu)化仿真，對懸架彈簧、減振器以及橫向穩(wěn)定桿建立多目標優(yōu)化函數(shù)，通過目標優(yōu)化工具對平順性和操穩(wěn)性的協(xié)同優(yōu)化問題進行求解分析[3]。上述研究偏重操穩(wěn)性影響因素之間的協(xié)調(diào)性，未充分考慮路面影響，而道路試驗采集到的數(shù)據(jù)均含有路面影響因子，分離出路面激勵的影響，能夠為準確確定出整車各個機構(gòu)間的協(xié)同作用提供理論依據(jù)。路況較差的路面對操穩(wěn)性的影響不容忽視。為此，依據(jù)常見路面激勵建立相應的不平度函數(shù)，在Carsim[4-5]中構(gòu)建路譜對車輛操穩(wěn)性影響的仿真控制模型，為保證前后輪對同一激勵具有同等遍歷特性，依據(jù)車速變化設定時間延遲，最終在Simulink中對典型路面激勵進行仿真，分析不同路面激勵對車輪的橫向力、車身橫擺角速度以及前后車輪側(cè)偏角差值的影響。

1 路面脈沖激勵對操穩(wěn)性影響

車輪的相對動載直接影響到車輪垂直載荷的變化，由此可見，車輛受路面激勵作用時，其各個車輪的垂直載荷是動態(tài)變化的，將Carsim中路面輸入設為I/O通道，并將4個車輪處路面高程相對于參考基準面的垂直位移作為輸入，利用脈沖信號模擬道路凸起，為保證仿真過程更為逼近真實情況，依據(jù)設置的車速，換算出各個車輪通過凸起的時間，并設置時間延遲，確保前后車輪依次通過凸起，最后，將 Carsim中車輛模型導入Simulink[6-8]，在Simulink中對路面脈沖激勵響應進行仿真，仿真模型如圖1所示。

橫擺角速度對轉(zhuǎn)向盤的響應是表征車輛操穩(wěn)性的指標，分析不同路面激勵下橫擺角速度變化，能夠為車輛穩(wěn)態(tài)控制模型提供數(shù)據(jù)支持。圖 2是橫擺角速度仿真結(jié)果的變化曲線。

圖2中脈沖信號1的幅值為8mm，帶寬為0.1 s，脈沖信號2的幅值為16 mm，帶寬為0.1 s，車速是60km/h，車輛前后輪依次受到脈沖信號的激勵，仿真時間為13 s，1 s后兩脈沖信號對橫擺角速度的影響均為零。從圖 2可以看出，路面激勵對車輛的橫擺運動產(chǎn)生一定影響，隨脈沖激勵幅值的增大，橫擺角速度波動峰值也相應增大，且達到穩(wěn)態(tài)所需時間更長。圖 2中曲線可以近似為線性 2自由度車輛模型的橫擺角速度瞬態(tài)響應曲線，經(jīng)計算，圖2中曲線相當于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生±5°變化，而車輛變道過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化不大于 8°，若車輛在變道過程中受到路面脈沖激勵過大，會使車輛出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的變道，所以，在特定駕駛行為下，路面激勵對操穩(wěn)性的影響變得尤為重要。

車輪所受橫向力的波動變化，直接決定了車輪抵抗橫向干擾能力的大小，若橫向力波動較大，會使車輪在某個瞬間保持恒定行駛的能力大大降低，從而使車輛的動態(tài)操穩(wěn)性降低，分析橫向力對路面激勵的響應，可以為駕駛員精確操控車輛提供參考。圖3是左前輪L1在路面脈沖激勵下橫向力的變化。

圖3表明在0～0.4 s之間車輪受到很大橫向力作用，且車輪的垂直載荷與橫向力變化不同步，致使車輛在該時間段內(nèi)抵抗橫向干擾能力大大下降，此過程駕駛員駕駛行為的隨意性會直接導致車輛出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)。橫向力峰值隨激勵脈沖信號幅值增加而增大，橫向力達到穩(wěn)態(tài)的時間小于橫擺角速度主要是由于前輪定位參數(shù)和前輪的擺振對橫向力波動具有一定的削減作用。

2 隨機路面激勵對操穩(wěn)性影響

路面高程是平穩(wěn)的隨機過程，路面高程的數(shù)學期望為零，因此，分析隨機路面對車輛操穩(wěn)性的影響具有一定的現(xiàn)實意義。同樣在Simulink中建立隨機路面高程激勵下車輛運動模型，由于左右兩側(cè)車輪相距較近，可認為左右輪行駛過的路面高程相等，而路面高程對于前后車輪具有同等遍歷性，為此，對在Simulink中產(chǎn)生的隨機信號進行延遲，延遲時間與車速有關，設軸距為L，車速為u，則延遲時間近似為L/u。設定道路高程滿足寬帶白噪聲，能量信號是有限可積的，可用信號能量來描述，而路面隨機信號的能量是無限的，所以，不能用能量來描述，故用其功率來描述。在Simulink中是利用信號功率和采樣頻率來對噪聲進行控制，信號功率就是幅度平方積分對可積時間的平均，此處對不同功率噪聲下車輛操穩(wěn)性參數(shù)（前向側(cè)偏角之差）進行分析，圖4是不同隨機路面下前后車輪側(cè)偏角差值的變化情況。

圖4中隨機路面1的功率為10-9W，隨機路面2功率為10-7W，采樣頻率為10 Hz，圖4直觀體現(xiàn)出隨機信號功率對車輛操穩(wěn)性參數(shù)的影響，較大功率信號使前后輪側(cè)偏角差值的波動性更大，側(cè)偏角差值大部分大于 0，表明該車是不足轉(zhuǎn)向，在0～1 s內(nèi)，側(cè)偏角差值為負值，此時車輛表現(xiàn)出過多轉(zhuǎn)向，若車輛長時間行駛在顛簸路面上，其轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性會大大下降，所以，路面的不平度對特定工況下車輛操穩(wěn)性有及其重要影響。

3 結(jié)束語

車輛操穩(wěn)性作為車輛最重要的性能之一，對行車安全產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)有的主觀和客觀的車輛操穩(wěn)性評價均未考慮路面激勵影響，為此，分析不同路面激勵對車輛操穩(wěn)性的影響。在Carsim中構(gòu)建車輛模型，通過設定路面輸入，在Simulink中加載路面激勵信號，為保證前后輪能夠同等遍歷路面高程，依據(jù)車速設定時間延遲，并在Simulink中對典型路面激勵進行仿真分析。通過對脈沖輸入路面和隨機輸入下車輛橫擺角速度、橫向力以及前后輪側(cè)偏角差值進行分析，確定不同信號幅值和信號功率對車輛操穩(wěn)性的影響。結(jié)果表明：脈沖輸入幅值和帶寬越大，橫擺角速度和橫向力的衰減速度越慢，振動峰值越高；隨機信號功率越大，前后輪側(cè)偏角差值的波動性越大。路面激勵對特定駕駛行為具有重要影響。

[1]Guo Xingdong，Guo Wenlong，Zhang Hao，etal.Analysis of Operating Vehicle Handling and Driving Stability Impact Element[C].CSIE 2011，PartⅡ，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，CCIS153，2011：42-47.

[2]Wu Jianyong，Tang Houjun，Li Shaoyuan，et al.Improvement of Vehicle Handling and Stability by Integrated Control of Four Wheel Steering and Direct Yaw Moment[C].Proceedings of the 26th Chinese Control Conference，July 26-31，2007，Zhangjiajie，Hunan，China，2007：731-736.

[3]楊榮山，袁仲榮，黃向東，等.車輛操穩(wěn)性及平順性的協(xié)同優(yōu)化仿真研究[J].汽車工程，2009，31（11）：1053-1055.

[4]朱茂桃，邵長征，王國林.基于Carsim的路面模型重構(gòu)及車輛平順性仿真分析[J].機械設計與制造，2010（10）：78-81.

[5]徐吉禪，牛禮民，劉超，等.基于Carsim的半主動懸架建模與仿真技術[J].機電工程，2013，30（5）：536-541.

[6]張亞岐，李健，杜春臣.基于龍格-庫塔算法的車輛行駛狀態(tài)研究[J].公路與汽運，2012（3）：6-9.

[7]安永東，杜嘉勇，羅萌.基于Simulink的汽車ABS建模與仿真[J].黑龍江工程學院學報（自然科學版），2008，22（2）：40-43.

[8]席在芳，鄔書躍，唐志軍，等.基于Simulink的現(xiàn)代通信系統(tǒng)仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學報，2006，18（10）：2995-2997.