基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某商用車操縱穩(wěn)定性仿真分析研究

周寧，張學(xué)萍

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230011；2.安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

操縱穩(wěn)定性是衡量汽車主動(dòng)安全性能的重要因素，其性能的好壞直接影響汽車的安全行駛。評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性的指標(biāo)往往包括轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)響應(yīng)、回正性及蛇形試驗(yàn)等一系列核心參數(shù)；廣大學(xué)者為了獲取這些評(píng)價(jià)指標(biāo)往往采用兩種方法，即建立開路系統(tǒng)的客觀評(píng)價(jià)法和建立人-車閉路系統(tǒng)的主觀評(píng)價(jià)法，而這兩種研究方法普遍存在周期過長(zhǎng)、成本較大的缺點(diǎn)。

本文采用虛擬仿真的方法建立所研究汽車的整車數(shù)字化模型，按照具體國(guó)標(biāo)的要求設(shè)置仿真條件，展開針對(duì)該車的蛇行試驗(yàn)、方向盤角階躍輸入仿真及穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)等方面的仿真試驗(yàn)研究，為該車的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論支撐。

1 操縱穩(wěn)定性理論分析

在汽車操縱穩(wěn)定性的建模中，通常把整車簡(jiǎn)化為側(cè)向、橫擺兩個(gè)自由度的兩輪汽車模型，兩輪汽車模型及車輛坐標(biāo)系如圖1所示；建模過程中忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，僅以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；假定車輛相對(duì)于地面只作簡(jiǎn)單的平面運(yùn)動(dòng)，且其沿x軸的速度不變，側(cè)向加速度限定在0.4g以下，車輛的輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍［1］。

圖1 兩輪汽車模型及車輛坐標(biāo)系

經(jīng)過計(jì)算，建立二自由度的汽車運(yùn)動(dòng)微分方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)的分析，并推導(dǎo)出各個(gè)參數(shù)的表達(dá)式。通常用來描述汽車瞬態(tài)響應(yīng)的參數(shù)有橫擺角速度ωr波動(dòng)的固有（圓）頻率ω0和反應(yīng)時(shí)間τ［1］。ω0的值越高，代表瞬態(tài)響應(yīng)品質(zhì)越好橫擺角速度ωr波動(dòng)時(shí)的固有（圓）頻率ω0：

式（1）中，m為整車質(zhì)量，k1、k2分別為前、后車輪的側(cè)偏剛度，a、b分別為前、后軸到質(zhì)心的距離，u為橫向速度，K為穩(wěn)定性因數(shù)，Iz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，L為軸距。

響應(yīng)時(shí)間τ：汽車的橫擺角速度在前輪角階躍輸入下，需要經(jīng)過一個(gè)短暫的響應(yīng)時(shí)間τ才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，這個(gè)時(shí)間也是橫擺角速度第一次達(dá)到穩(wěn)定值ω0的時(shí)間。

式（2）中，M為整車質(zhì)量，Φ為角度，Ω為角速度，k1、k2分別為前、后車輪的側(cè)偏剛度，a、b分別為前、后軸到質(zhì)心的距離，u為橫向速度，δ為前輪轉(zhuǎn)角，Ζ為阻尼比。

2 整車模型的建立

根據(jù)該商用車的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)圖紙，將其主要參數(shù)作為在ADAMS/Car中建立整車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)和參考，如表1所示。

表1 商用車整車主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 前后懸架模型的建立

商用車的前后懸架均為非獨(dú)立懸架，建立符合實(shí)車結(jié)構(gòu)特性的前后懸架系統(tǒng)模板。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

ADAMS軟件中包含卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模板，為了建立商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，在模版基礎(chǔ)上對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了修改，重新賦值系統(tǒng)中部件的質(zhì)量特性，對(duì)轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比進(jìn)行了修改，編輯轉(zhuǎn)向助力特性［2］，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

2.3 輪胎模型

虛擬樣機(jī)中有Fiala輪胎模型、UA輪胎模型、使用魔術(shù)公式Magic-Formula的輪胎模型、柔性環(huán)輪胎模型(FTire)共4種輪胎模型。

根據(jù)表1整車輪胎相關(guān)參數(shù)，設(shè)置輪胎模型相關(guān)參數(shù)，調(diào)用系統(tǒng)中的UA輪胎模型，建立的前后輪胎模型。

2.4 動(dòng)力系統(tǒng)模型

ADAMS所提供的動(dòng)力系統(tǒng)模板中提供了發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器和差速器分總成功能。文中所用的動(dòng)力系統(tǒng)模型是參照軟件中的模板建立，建立的動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

2.5 整車系統(tǒng)模型

在Adams/car模塊標(biāo)準(zhǔn)界面中，對(duì)上面步驟中建立的各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，隱去車身后的整車模型結(jié)果如圖2所示。

圖2 Adams/Car中整車模型

3 操縱穩(wěn)定性仿真分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.2-94的規(guī)定，本文對(duì)該商用車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真、轉(zhuǎn)向回正仿真和蛇形仿真三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

3.1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真

3.1.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.2-94中規(guī)定的試驗(yàn)方法，結(jié)合文中商用車的實(shí)際情況，此次仿真設(shè)定在滿載的狀態(tài)下進(jìn)行，并且只進(jìn)行一次向左轉(zhuǎn)。在本次實(shí)驗(yàn)過程中，車輛的行駛速度為90km/h，當(dāng)直線行駛到2秒時(shí)，在0.2秒的短暫時(shí)間內(nèi)，以極快的速度，將方向盤轉(zhuǎn)角從0°調(diào)整為50°，之后方向盤轉(zhuǎn)角保持在50°固定不動(dòng)，直到車輛再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度達(dá)到2m/s2。

3.1.2 仿真結(jié)果分析

本商用車按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行仿真，橫擺角速度、側(cè)向加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 角階躍轉(zhuǎn)向下的橫擺角速度

圖4 角階躍轉(zhuǎn)向下的側(cè)向加速度

響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響車輛的瞬態(tài)響應(yīng)性能，即響應(yīng)時(shí)間越短，代表車輛瞬態(tài)響應(yīng)性能越好，反之則越差。從圖3可以看出，該商用車的橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間為1.5s，其反應(yīng)時(shí)間較短，表明其車輛瞬態(tài)響應(yīng)性能較好。從圖4可以看出，該商用車方向盤轉(zhuǎn)角在50°時(shí)，側(cè)向加速度達(dá)到峰值所用的時(shí)間為0.5s，響應(yīng)時(shí)間較短，并且經(jīng)過1.0s后，該商用車的側(cè)向加速度即趨于穩(wěn)定，整個(gè)過程中，響應(yīng)時(shí)間較短，說明此商用車的側(cè)向加速度瞬態(tài)穩(wěn)定性較好。

3.2 轉(zhuǎn)向回正仿真試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.4-94規(guī)定，結(jié)合該商用車的具體情況，對(duì)其進(jìn)行低速回正和高速回正兩個(gè)仿真試驗(yàn)。本試驗(yàn)在滿載狀態(tài)下進(jìn)行，仿真只按向左轉(zhuǎn)方向進(jìn)行一次。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

本商用車橫擺角速度、側(cè)向加速度與時(shí)間的仿真關(guān)系曲線如圖5、圖6所示（圖5、圖6中，低速回正實(shí)線表示，高速回正虛線表示）。

圖5 轉(zhuǎn)向回正下的橫擺角速度

圖6 轉(zhuǎn)向回正下的側(cè)向加速度

從圖5、圖6分析可知，在松開方向盤后，該商用車的橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)應(yīng)的均進(jìn)行波形的振動(dòng)，且低速和高速回正兩種類型的振幅都不斷在變小，經(jīng)過10s左右的震蕩后，波形進(jìn)入到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在整個(gè)變化過程中，低速回正表現(xiàn)出來的角度比高速回正的振幅均大，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的回正試驗(yàn)要求。同時(shí)，也說明該車由曲線自行恢復(fù)到直線行駛的能力強(qiáng)，回正性能良好。

3.3 蛇行仿真試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.1-94的規(guī)定，設(shè)定蛇形實(shí)驗(yàn)在汽車處于滿載狀態(tài)下進(jìn)行，標(biāo)樁間距設(shè)定為30m，該車分別以32.5km/h、40km/h、50km/h三種穩(wěn)定車速進(jìn)行直線行駛進(jìn)入試驗(yàn)路段。首先記錄各測(cè)量變量的零線，然后該車蛇行通過試驗(yàn)路段，在這個(gè)過程中記錄各測(cè)量變量的時(shí)間歷程曲線和通過有效標(biāo)樁區(qū)的時(shí)間［3］。

3.3.2 仿真結(jié)果分析

本商用車按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行仿真，橫擺角速度、側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角以及汽車運(yùn)動(dòng)軌跡（圖7-圖10中，粗實(shí)線代表車速為32.5km/h、粗虛線代表車速為40km/h、細(xì)虛線代表車速為50km/h）。

從圖7-圖9可知，橫擺角速度峰值、側(cè)向加速度峰值、質(zhì)心側(cè)偏角峰值與車速變化成正比，隨著該商用車車速的增加，三個(gè)參數(shù)的峰值增大，通過標(biāo)桿時(shí)間縮短。

圖7 不同車速下的橫擺角速度

圖8 不同車速下的側(cè)向加速度圖

圖9 不同車速下的質(zhì)心側(cè)偏角

圖10 不同車速下的汽車運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖10可以看出，車輛在進(jìn)行蛇形試驗(yàn)時(shí)，三種車速運(yùn)動(dòng)軌跡重合，在運(yùn)動(dòng)過程中，車輛可以較好的按照設(shè)計(jì)標(biāo)桿行駛。結(jié)合蛇形試驗(yàn)的目標(biāo)可知，說明該商用車追隨性能良好。

4 結(jié)論

本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，運(yùn)用Adams/Car模塊建立整車模型，根據(jù)國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和蛇行試驗(yàn)，得到橫擺角速度、側(cè)向加速度及質(zhì)心偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)隨時(shí)間變化的仿真曲線。通過對(duì)仿真參數(shù)結(jié)果與國(guó)標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，該商用車的操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)符合要求，結(jié)果對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路和借鑒。