基于多體動(dòng)力學(xué)的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

楊俊華

摘 要：汽車的操縱穩(wěn)定性是保持汽車穩(wěn)定行駛的重要特性，關(guān)系到車輛、駕乘人員以及行人的安全。文章以基于多體動(dòng)力學(xué)的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)作為主要研究課題，選取某車對(duì)其操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出該車具有較好的操縱穩(wěn)定性能的結(jié)論，希望文章研究可以為汽車的開發(fā)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：多體動(dòng)力學(xué)；汽車；操縱穩(wěn)定性；仿真

中圖分類號(hào)：U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-41-06

Abstract： The steering stability of a car is an important feature that keeps the car moving steadily. It concerns the safety of vehicles， occupants and pedestrians. In this paper， based on the multi-body dynamics of the vehicle handling stability test as the main research topic， select a car to simulate its handling stability and draw the conclusion that the car has good handling and stability， I hope this study can be for the car The development and design play a guiding role.

Keywords： multi-body dynamics； automobile； handling stability； simulation

CLC NO.： U461.6 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-41-06

引言

所謂汽車操縱穩(wěn)定性能，指的是汽車能根據(jù)駕駛員的控制能力進(jìn)行行駛，且能夠抵抗外界干擾保持穩(wěn)定行駛的性能。操縱穩(wěn)定性決定著車輛在行駛過程中是否安全，且已作為關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)用來對(duì)汽車性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。多體動(dòng)力學(xué)為一種復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，是由多個(gè)物體通過運(yùn)動(dòng)副連接而成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中。尤其是多體動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，讓多體動(dòng)力學(xué)理論廣泛應(yīng)用于汽車操縱穩(wěn)定性研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域中。本文則基于此，以多體動(dòng)力學(xué)為理論，對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真分析。通過仿真分析得知，該車操縱穩(wěn)定性能較好。

1 方向盤角階躍輸入試驗(yàn)

1.1 仿真標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，該車在仿真車速為90kmh的情況下，進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)模型的滿載試驗(yàn)，方向盤的角階躍表現(xiàn)為0.1秒的時(shí)間內(nèi)起躍9.2°，使得汽車穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度的數(shù)值增長(zhǎng)為0.2g。

1.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于方向盤角階躍的輸入試驗(yàn)，其主要涉及到以下幾個(gè)變量。見圖1-圖6。

橫擺角速度峰值時(shí)間能夠由圖3得知。

橫擺角速度超調(diào)量根據(jù)式（1）明確：

在此之中，“汽車因素”TB主要由橫擺角速度峰值響應(yīng)時(shí)間和汽車質(zhì)心穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角相乘得來。

基于以上計(jì)算，得到表1所示的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.3 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的評(píng)分見式（4）：

2 方向盤角脈沖輸入試驗(yàn)

2.1 仿真標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，該車在仿真車速為90kmh的情況下，進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)模型的滿載試驗(yàn)，其中，方向盤轉(zhuǎn)角輸入脈寬表現(xiàn)為0.4s，在2s時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)88°，使之最高側(cè)向加速度增長(zhǎng)到0.4g，同時(shí)，仿真時(shí)間表現(xiàn)為10s。

2.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于方向盤角脈沖輸入試驗(yàn)，其主要涉及到以下幾個(gè)變量。見圖7-圖10。

根據(jù)試驗(yàn)所得到的結(jié)果，取其均值，可得出汽車的幅頻及相頻特性圖，見圖11、圖12，其中，橫坐標(biāo)的最大值表現(xiàn)為3Hz。

根據(jù)GB/T13047-1991分別計(jì)算出諧振頻率fP平均值，諧振峰水平D與相位滯后角α。數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

2.3 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)及方向盤角脈沖輸入試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分。

對(duì)于本車，f、D及α的上限值f100、D100、α100分別選擇1.00、2.00、40.0，其下限值f60、D60、α60則分別選擇0.60、5.00、80.0。

諧振頻率f的評(píng)價(jià)分值，根據(jù)式（6）明確：

NM表示的是方向盤角脈沖輸入試驗(yàn)的綜合評(píng)分。

根據(jù)以上參數(shù)和公式，可以得到Nf=100，ND=97.24，Nα=100。最終得出NM=99.08。

3 轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)

3.1 仿真標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，于低速情況下對(duì)車采取轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)。以半徑為15m為基礎(chǔ)，讓汽車以圓周行駛，將側(cè)向加速度提升至4m/s2，而后維持均勻車速，3s后突然松開方向盤，對(duì)其運(yùn)動(dòng)不低于4s的過程做記錄，運(yùn)用公式 對(duì)其仿真時(shí)的車速計(jì)算出為27.8Km/h，該試驗(yàn)側(cè)重對(duì)橫擺角速度與時(shí)間變化關(guān)系的研究。

3.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該車參照上述試驗(yàn)方法來作仿真試驗(yàn)，于橫擺角速度與時(shí)間歷程曲線上，定義t=10s時(shí)為坐標(biāo)原點(diǎn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

1）穩(wěn)定時(shí)間—時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)到處于新穩(wěn)態(tài)值時(shí)橫擺角速度的時(shí)間間隔；

2）殘留橫擺角速度—放開轉(zhuǎn)向盤3s時(shí)的橫擺角速度值（包含有零值）；

3）橫擺角速度超調(diào)量—第一個(gè)橫擺角速度峰值超出新穩(wěn)態(tài)值的部分與新穩(wěn)態(tài)值之間的比值；

4）橫擺角速度總方差值。

表3和圖13為轉(zhuǎn)向回正仿真試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

由上述公式算出低速轉(zhuǎn)向回正仿真試驗(yàn)的評(píng)價(jià)計(jì)分值，NH=83。見下表4。

根據(jù)表4計(jì)分值可見，低速轉(zhuǎn)向回正下橫擺角速度總方差計(jì)分較小，應(yīng)加大初始橫擺角速度值，整體上的低速回正性能較好。

4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)

4.1 仿真標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向輕便性實(shí)驗(yàn)是讓汽車按照雙扭線進(jìn)行等向行駛，并對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩等值做相關(guān)記錄。該試驗(yàn)往往用于轉(zhuǎn)向盤力輸入特性的評(píng)價(jià)，尤其是轉(zhuǎn)向輕便性的評(píng)價(jià)。

雙扭線的極坐標(biāo)方程見式（13）：

5 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

5.1 仿真標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，仿真中汽車以最低勻速按照初始半徑為20m進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為303.8度。然后加速（加速度為200mm/s2）并穩(wěn)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。本試驗(yàn)為左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤組，仿真分析結(jié)果見圖18-圖21：

5.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果

1）轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0與側(cè)向加速度ay關(guān)系

根據(jù)對(duì)橫擺角速度于汽車的前進(jìn)車速的相關(guān)記錄，采取式（21）對(duì)各點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行計(jì)算：

然后計(jì)算各點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0（R0為初始半徑，m），結(jié)合最終結(jié)果，繪制Ri/R0—ay曲線。

2）汽車前后偏差角差值（δ1?δ2）與側(cè)向加速度ay的關(guān)系

汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時(shí)，（δ1?δ2）根據(jù)式（22）明確：

3）車身側(cè)傾角Φ與側(cè)向加速度ay的關(guān)系曲線

結(jié)合對(duì)車身側(cè)傾角記的相關(guān)記錄，繪制Φ—ay關(guān)系曲線

基于GB/T 13047的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)側(cè)向加速度an、不足轉(zhuǎn)向度U以及車身側(cè)傾度KΦ進(jìn)行找尋。

參照郭孔輝《汽車操縱動(dòng)力學(xué)》書中所設(shè)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，各指標(biāo)計(jì)分如下：

1）中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值an的評(píng)價(jià)計(jì)分值根據(jù)式（23）計(jì)算：

2）對(duì)于不足轉(zhuǎn)向度U，由前、后橋側(cè)偏角差值和側(cè)向加速度值為2m/s2時(shí)的平均斜率為基礎(chǔ)來進(jìn)行計(jì)算，其評(píng)分值由式（24）來得出：

3）對(duì)于車廂側(cè)傾度KΦ，由車廂側(cè)傾角和側(cè)向加速度值為2m/s2時(shí)的平均斜率為基礎(chǔ)來進(jìn)行計(jì)算，其評(píng)分值由式（25）來得出：

結(jié)合式（24）（25）（26）評(píng)價(jià)可得出：

1）中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)側(cè)向加速度值的評(píng)價(jià)計(jì)分值Nan=100；

2）不足轉(zhuǎn)向度U=0.185（?）s2/m，其評(píng)價(jià)計(jì)分值NU=84.64；

3）車廂側(cè)傾度KΦ=0.378（?）s2/m，其評(píng)價(jià)計(jì)分值NΦ=100；

4）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的綜合評(píng)分94.88。根據(jù)上述特性曲線以及各指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果可得出：該車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)為不足轉(zhuǎn)向，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性較好。

6 蛇形試驗(yàn)

6.1 仿真標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標(biāo)準(zhǔn)，按照汽車基準(zhǔn)速度65km/h來試驗(yàn)，讓汽車沿蛇形路線運(yùn)動(dòng)。

6.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果

將以上各操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)所得到的評(píng)分值代入式中，可以得到該車操縱穩(wěn)定性的綜合分?jǐn)?shù)，即為NZ=89.06，說明整車操縱穩(wěn)定性較好。

8 結(jié)論

本文以多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)某車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，最終得出此車的操縱穩(wěn)定性總評(píng)價(jià)為89.06分，說明該車操縱穩(wěn)定性良好。本文研究可以為汽車設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用，降低汽車設(shè)計(jì)的成本。但由于筆者自身能力的不足，加之相關(guān)資料的缺失，本文研究還不夠深入詳細(xì)，在后期還有待進(jìn)一步完善。

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