某特種車輛整車動力學(xué)性能分析與評價

趙 權(quán)， 李韶華， 劉 歡， 馮桂珍

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050043)

特種車輛一般采用 6 × 6，8 × 8甚至 10 × 10 驅(qū)動形式，整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滿載質(zhì)量大、重心位置高，同時要求具備在復(fù)雜路面上的高速機(jī)動能力和主動安全能力，因此對其整車性能、特別是決定車輛高速行駛安全性的操縱穩(wěn)定性提出了更高的要求[1].汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[2].特種車輛的工作環(huán)境非常復(fù)雜，尤其針對一些大功率、大承載能力的特種車輛來說，其操作穩(wěn)定性、平順性、安全性等的要求更是嚴(yán)格，因此，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑小，通過性強(qiáng)、轉(zhuǎn)向靈敏等特性也尤為重要[3].有很多國內(nèi)學(xué)者對這方面進(jìn)行了試驗和研究，其中，彭文中[4]基于ADAMS進(jìn)行了汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析與優(yōu)化.李杰等[5]建立了三軸重型汽車13自由度空間剛體模型，借鑒有限元思想研究多剛體模型的建立，應(yīng)用虛擬激勵法進(jìn)行了行駛平順性仿真.朱延蕾[6]建立了八軸重型特種汽車15自由度平面剛體模型，分別在頻域和時域內(nèi)進(jìn)行了路面隨機(jī)激勵下行駛平順性仿真與對比，也在時域內(nèi)進(jìn)行了路面脈沖激勵下行駛平順性仿真等.

文中究利用車輛動力學(xué)仿真的優(yōu)勢，在TruckSim中建立8 × 8特種車輛整車模型，并通過典型工況的多次仿真，得到車輛動力學(xué)響應(yīng)，對該車的操縱穩(wěn)定性及平順性進(jìn)行評價.

1 車輛模型

文中以某型 8×8特種車輛為研究對象，采用TruckSim動力學(xué)仿真軟件，搭建整車車輛模型，參數(shù)見表1.

表1 某特種車輛主要參數(shù)

TruckSim采用面向特性的參數(shù)化建模方法，定義各總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并確定相關(guān)特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)是建模的主要內(nèi)容.基于TruckSim建立該車型的仿真模型，包括: 8 × 8特種車輛的整體外形、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)等.TruckSim整車模型如圖1所示,整車的功率流示意圖如圖2所示.

圖1 8 × 8特種車輛TruckSim整車模型

圖2 整車的功率流示意圖

2 蛇形工況仿真試驗

蛇形試驗?zāi)軌蚩己似囋诮咏鼈?cè)滑或側(cè)翻工況下的操縱性能，綜合評價汽車行駛穩(wěn)定性及乘坐舒適性.蛇形試驗的重要參數(shù)是標(biāo)樁間距和基準(zhǔn)車速.參照文獻(xiàn)[7]規(guī)定汽車以基準(zhǔn)車速(50 km/h或60 km/h) 進(jìn)入標(biāo)樁區(qū)(標(biāo)樁間距 50 m)，然后蛇行通過 6個標(biāo)樁，記錄各測量變量的時間歷程曲線及通過有效標(biāo)樁區(qū)的時間.

首先在普通瀝青路面進(jìn)行仿真試驗，車速依次取50 km /h、55 km /h、60 km /h，仿真得到方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角及車輛的運(yùn)動軌跡，如圖3～7示.結(jié)果表明：

1)車輛縱向速度幾乎不會影響方向盤轉(zhuǎn)角變化趨勢，但是方向盤轉(zhuǎn)動速度提高，車輛通過標(biāo)桿時間縮短.當(dāng)車輛縱向位移數(shù)值與標(biāo)桿點(diǎn)坐標(biāo)相等時，方向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到峰值，由于試驗車軸距較長，所以方向盤在最大轉(zhuǎn)角處需要保持一段微小時間.

2)橫擺角速度變化趨勢與方向盤轉(zhuǎn)角變化趨勢保持一致，隨著車速的增加，橫擺角速度峰值有所增加.

3)側(cè)向加速度變化趨勢與方向盤轉(zhuǎn)角變化趨勢相反，隨著車速的增加，側(cè)向加速度峰值有所增加.

4)車身側(cè)傾角變化趨勢與方向盤轉(zhuǎn)角變化趨勢相反，隨著車速的增加，車身側(cè)傾角峰值有所增加.

5)汽車能很好的按照設(shè)計標(biāo)桿行駛，說明該車追隨性良好.

圖3 方向盤轉(zhuǎn)角

圖4 不同車速下的橫擺角速度

圖5 不同車速下的側(cè)向加速度

圖6 不同車速下的車身側(cè)傾角

圖7 不同車速下的汽車運(yùn)行軌跡

根據(jù)QC/T480-1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評論方法[8]對該車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評價，需要計算的指標(biāo)有：平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、平均橫擺角速度、平均車身側(cè)傾角、平均側(cè)向加速度.

1)平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

(1)

式中:θ為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；θj為有效標(biāo)樁區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)向盤時間歷程曲線峰值.

2)平均橫擺角速度

(2)

式中:r為平均橫擺角速度；rj為有效標(biāo)樁區(qū)內(nèi)橫擺角速度時間歷程曲線峰值.

3)平均車身側(cè)傾角

(3)

式中:φ為平均車身側(cè)傾角；φj為有效標(biāo)樁區(qū)內(nèi)車身側(cè)傾角時間歷程曲線峰值.

4)平均側(cè)向加速度

(4)

式中:ay為平均側(cè)向加速度，m/s2；ayj為有效標(biāo)樁區(qū)內(nèi)側(cè)向加速度時間歷程曲線峰值，m/s2.

根據(jù)仿真結(jié)果計算得到各評價指標(biāo)，如表2所示.

表2 不同速度下試驗結(jié)果統(tǒng)計

以基準(zhǔn)車速下的平均橫擺角速度峰值r與平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值θ進(jìn)行評價計分.

1)平均橫擺角速度峰值r的評價計分值按下式計算.

(5)

式中:r60為平均橫擺角速度峰值的下限值，(°)/s，在此取10 (°)/s；r100為平均橫擺角速度峰值的下限值，(°)/s，在此取4 (°)/s.

2)平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值θ的評價計分值按下式計算.

(6)

式中:θ60為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的下限值，(°)/s，在此取180 (°)/s；θ100為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值的下限值，(°)/s，在此取60 (°)/s.

蛇形試驗的綜合評價計分值按下式計算.

(7)

根據(jù)式(5)～(7)計算各評分值如表3所示.從表3可以看出，試驗車蛇形試驗的最終評價分值為87.77，成績優(yōu)秀.說明該試驗車在閉路系統(tǒng)下急劇轉(zhuǎn)向能力突出，同時也說明在此種急劇轉(zhuǎn)向情況下乘員的舒適性和安全性良好.

表3 蛇形試驗的試驗評分值

3 正弦及大坡度凸起路面仿真試驗

汽車行駛平順性是指汽車在行駛過程中能保證乘員不致因車身振動而引起不舒適和疲乏的感覺，以及保持運(yùn)載貨物完整無損的性能[9].大量試驗表明，人體在不同方向承受加速度的能力也是不同的[10].我國軍用汽車平順性沒有專門的軍用標(biāo)準(zhǔn)，平順性試驗方法主要參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，評價指標(biāo)涉及脈沖路面情況[11].考核時，車輛滿載，輪胎中央充放氣系統(tǒng)處于越野模式下.

選取不同速度下小坡度的正弦波凸起路面、大坡度的凸起路面兩種工況.兩種工況可用于分析脈沖路面下車輛平順性.第1種工況是路長為40 m,波峰為150 mm的小坡度正弦波凸起路面，試驗車速分別為40 km/h、 45 km/h、 50 km/h；第2種工況是坡度為35°，坡高為1.8 m的大坡度凸起路面，試驗車速分別為10 km/h、 15 km/h、 18 km/h.兩種工況路面如圖8、圖9所示.

圖8 工況1：小坡度的正弦波凸起路面

圖9 工況2：大坡度的凸起路面

在不同工況下測得汽車的垂向加速度、橫擺角速度如圖10、圖11所示.

圖10 第1種工況下的垂向加速度、橫擺角速度

圖11 第2種工況下的垂向加速度、橫擺角速度

由圖10-11兩種工況下的仿真曲線得出，

1)工況1中,橫擺角速度峰值隨著速度的增加而增加，而垂向加速度其峰值變化不大，并且峰值也比較小，這說明在此工況下駕駛員不會感到不舒適和疲乏，汽車的平順性較好.

2)工況2中,橫擺角速度峰值也隨著速度的增加而增加，并且速度對其影響更大，當(dāng)速度為18 km/h汽車要通過坡頂時,橫擺角速度急劇增大，可以預(yù)測,此時汽車可能失穩(wěn).垂向加速度峰值在不同速度下變化明顯，且峰值較大，說明坡度和坡高對垂向加速度的影響顯著.

3)相對來說，工況2下的垂向加速度變化更快，且峰值增大許多，說明坡度對車輛的垂向加速度和駕駛員的乘坐舒適性影響較大.

4)兩種工況下的垂向加速度峰值都小于2.5g[12]，說明汽車的平順性較好，可滿足使用要求.

5 結(jié) 論

相比較于普通乘用車，特種車輛對其操作穩(wěn)定性、平順性、安全性等的要求更加嚴(yán)格.文中通過在不同速度下的蛇形仿真試驗，測得側(cè)向加速度、車身側(cè)傾角、車身橫擺角速度等數(shù)據(jù)，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到該車的評分為優(yōu)秀，說明該車的操縱穩(wěn)定性較好；其次，分別在正弦波凸起路面、大坡度凸起路面兩種工況下測試車輛的平順性，通過在不同速度下的仿真得到該車的垂向加速度、車身橫擺角速度仿真曲線，分析得到車速、坡度及坡高對車輛的平順性的影響，即車速越高、坡度越陡、陡坡越高對平順性的影響越大；通過計算試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該車輛的平順性較好.研究結(jié)果可為同類車型的特種車輛動力學(xué)性能評價提供參考.