基于Adams的工程車輛操縱穩(wěn)定性仿真分析及試驗對標(biāo)

李政，周松平

基于Adams的工程車輛操縱穩(wěn)定性仿真分析及試驗對標(biāo)

李政1，周松平2

（1.益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，湖南 益陽 413000；2.三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410000）

文章基于多體動力學(xué)理論，利用Adams虛擬樣機技術(shù)，建立整車多體動力學(xué)仿真分析模型，開展整車操縱穩(wěn)定性仿真分析及試驗對標(biāo)，驗證了多體動力學(xué)整車模型的可靠性，為后續(xù)車型開發(fā)及操縱穩(wěn)定性優(yōu)化提供了強有力的模型驗證手段及設(shè)計方向。

工程車；Adams/car；操縱穩(wěn)定性；仿真分析

前言

隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活質(zhì)量的不斷提升，汽車的操縱穩(wěn)定性及舒適性得到人們越來越多的關(guān)注，現(xiàn)在基本成為人們購車的關(guān)鍵因素之一。受乘用車操縱穩(wěn)定性的影響，商用車的整車操縱穩(wěn)定性也逐步開始受到重視，在商用車的整車開發(fā)流程中，操縱穩(wěn)定性試驗是眾多試驗中不可或缺的一環(huán)。

1 整車多體動力學(xué)模型搭建[1]

本文研究對象為某重型工程車，整車主要參數(shù)如表1所示。

本文對標(biāo)車型為4軸商用自卸車，前后懸均采用板簧懸架，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為液壓助力循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，采用Adams自帶標(biāo)準(zhǔn)模板，更新子系統(tǒng)參數(shù)，將前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車頭、車身、車架及輪胎系統(tǒng)拼裝成多體動力學(xué)整車模型。為提升模型精度，在各子系統(tǒng)模板中加入摩擦、阻尼、扭轉(zhuǎn)剛度等可調(diào)參數(shù)，并將整車車架進(jìn)行柔性化處理。整車模型如圖1所示。

表1 整車基本參數(shù)

參數(shù)滿載質(zhì)量/kg1-2軸距/mm2-3軸距/mm3-4軸距/mm前板簧剛度/(N/mm)后板簧剛度/(N/mm) 值3 1501 3504 2506607004 500 參數(shù)前輪距/mm后輪距/mm前輪前束角/(°)后輪前束角/(°)前輪外傾角/(°)后輪外傾角/(°) 值2 3901 8800.1±0.20.1±0.20.8±0.50.5±0.5

2 整車操縱穩(wěn)定性試驗及仿真對標(biāo)分析[2]

目前，各個乘用車主機廠公司在《GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》的基礎(chǔ)上，都有了自己公司一套成熟的操縱穩(wěn)定性試驗方法及評價體系，商用車的操縱穩(wěn)定性試驗處于起步階段，并沒有形成公司獨有的試驗方法及評價體系，所以商用車基本是按《GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》及《QC/T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限制與評價方法》進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性試驗及指標(biāo)值評價。

2.1 蛇形工況

國標(biāo)采用“繞樁行駛”測量法，根據(jù)測試車輛整車整備質(zhì)量，參照國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，確定蛇形試驗車輛車速為50 km/h，標(biāo)樁間距為50 m，如圖2所示。

圖2 標(biāo)樁布置

蛇形工況[3]通過對車輛車速、方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度及車身姿態(tài)角的穩(wěn)定性等數(shù)據(jù)的測量，來對整車操縱穩(wěn)定性的性能進(jìn)行評價。按國標(biāo)規(guī)定，試驗數(shù)據(jù)在處理時，需要剔除掉無效峰值，如圖3所示。

圖3 試驗數(shù)據(jù)處理

所以，仿真對標(biāo)結(jié)果，在進(jìn)行蛇形工況操縱穩(wěn)定性性能指標(biāo)評價計分時，也需要參考試驗國標(biāo)計分方法，具體參數(shù)指標(biāo)如下：

平均橫擺角速度峰值按公式（1）確定：

平均車身側(cè)傾角按公式（2）確定：

仿真試驗對標(biāo)結(jié)果曲線如下所示：

圖4 蛇形工況側(cè)向加速度

圖5 蛇形工況橫擺角速度

圖6 蛇形工況車身側(cè)傾角

2.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況主要評價車輛的轉(zhuǎn)向特性及車身的側(cè)傾特性，從而判斷車輛轉(zhuǎn)向行駛時的穩(wěn)定性。不足轉(zhuǎn)向度及車身側(cè)傾度，是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況衡量車輛操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。具有不足轉(zhuǎn)向特性的車輛，一般具有良好的操縱穩(wěn)定性，而具有過度轉(zhuǎn)向特性的車輛，會駕駛困難，并且車輛在達(dá)到臨界車速時，容易失控。

國標(biāo)采用的是“固定轉(zhuǎn)角法”來進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗。試驗時，先讓車輛進(jìn)行至少3公里的里程行駛，保證輪胎升溫。然后讓車輛沿半徑25 m的圓勻速行駛，調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角，待車輛在大半個圓周都可以對準(zhǔn)車道中心線時，固定此時的方向盤轉(zhuǎn)角，停車記錄此時車輛各參數(shù)的零線。然后緩慢且均勻加速（保持前后加速度為0.2 m/s2），直到車輛側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2（或車輛發(fā)動機所能允許的最大側(cè)向加速度、或汽車失控）為止，記錄整個試驗過程中車輛的各個參數(shù)狀態(tài)。按左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)兩個方向進(jìn)行，每個方向試驗次數(shù)不能低于3次。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況[4]考察的指標(biāo)參數(shù)是最大側(cè)向加速度、不足轉(zhuǎn)向度及車身側(cè)傾度。最大側(cè)向加速度就是車輛在回轉(zhuǎn)過程中所能達(dá)到的最大側(cè)向加速度，用a表示；不足轉(zhuǎn)向度是車輛在側(cè)向加速度為2 m/s2時，前后軸側(cè)偏角差與側(cè)向加速度的比值，用U表示；車身側(cè)傾度是車輛在側(cè)向加速度為2 m/s2時，車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度的比值，用A表示。前后軸側(cè)偏角由式（3）確定：

式中：1為前軸側(cè)偏角，（°）；2為后軸側(cè)偏角，（°）；為車輛軸距，m；0為初始車輛轉(zhuǎn)彎半徑，m；R為試驗過程中，第點的實時轉(zhuǎn)彎半徑。第點實時轉(zhuǎn)彎半徑由式（4）確定：

式中：V為試驗過程中，第點的實時車速，m/s；φ為試驗過程中，第點的實時橫擺角速度，（°）/s。

圖7 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況側(cè)向加速度

圖8 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況橫擺角速度

圖9 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況側(cè)傾角

圖10 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況車速

2.3 轉(zhuǎn)向回正工況

轉(zhuǎn)向回正性試驗[5]是鑒別汽車轉(zhuǎn)向回正能力的一種試驗，也是轉(zhuǎn)向盤力輸入的一個基本試驗，該試驗?zāi)鼙碚骱驮u價一輛汽車由曲線行駛自由恢復(fù)到直線行駛的過渡過程和能力。

國標(biāo)規(guī)定，汽車沿半徑15 m的圓進(jìn)行圓周行駛，逐漸加速，使得側(cè)向加速度達(dá)到m/s2，固定方向盤轉(zhuǎn)角，保持車速穩(wěn)定，并開始記錄數(shù)據(jù)，待3 s后，駕駛員松開方向盤，至少記錄松手后4 s的汽車運動過程。按左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)兩個方向進(jìn)行，每個方向盤試驗至少3次。

考察汽車轉(zhuǎn)向回正能力的指標(biāo)有很多，如：

車輛穩(wěn)定時間：從松開方向盤時刻開始，至橫擺角速度達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值（包括零值）為止的一段時間間隔。

殘留橫擺角速度：在橫擺角速度時間歷程曲線上，從松開方向盤時刻開始，3 s時橫擺角速度絕對值（包括零值）。

回正速度：在方向盤轉(zhuǎn)向角時間歷程曲線上，從松開方向盤時刻開始，1 s后橫擺角速度的差值與時間的比值，按公式（5）確定：

=(0?1)/T （5）

式中：為回正速度，(°/s)；0為松開方向盤時刻，方向盤轉(zhuǎn)向角，（°）；1為松開方向盤1 s后，方向盤轉(zhuǎn)向角，（°）；T為松開方向盤時間1 s。

橫擺角速度總方差按式（6）確定：

式中：Er為橫擺角速度總方差，s；rk為橫擺角速度時間歷程曲線第k點瞬時值，（°）/s；r0為橫擺角速度初始值，（°）/s；n為采樣點數(shù)，按n×?t=3s選?。?t為采樣時間間隔，s；一般不大于0.2 s。

圖12 低速回正工況車速

3 結(jié)論

以工程機械4軸自卸車為研究對象，利用Adams虛擬樣機技術(shù)建立整車多體動力學(xué)模型，并進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性相關(guān)工況對標(biāo)分析，應(yīng)用Adams后處理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)分析，驗證了仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)基本吻合，證明了所建的虛擬仿真模型的可信度，為后續(xù)車型開發(fā)及性能優(yōu)化提供了準(zhǔn)確的虛擬仿真模型及可信的虛擬仿真技術(shù)，能有效地節(jié)約性能優(yōu)化時試驗測試費用，節(jié)省試驗測試時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提升產(chǎn)品競爭力。

[1] 田文彬.基于ADAMS/CAR的汽車操縱性動力學(xué)仿真[D].福州:福建工程學(xué)院,2011.

[2] 程源,張翼,李鵬,等.基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗研究[J].公路與汽運,2011,18(2):7-9.

[3] 陳立平,張云清,任衛(wèi)群,等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 李自平,郝鋅,楊鈞浩.某轎車操縱穩(wěn)定性試驗與仿真對比分析[J].汽車實用技術(shù),2020,27(10):156-158.

[5] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法:GB/T6323—2014[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

Simulation Analysis and Test Benchmarking of Operation Stability of Engineering Vehicles Based on Adams

LI Zheng1, ZHOU Songping2

（1.Department of Automotive Engineering,Yiyang Vocational and Technical College, Hunan Yiyang 413000;2.Sany Automobile Manufacturing Co., Ltd., Hunan Changsha 410000）

Based on the multi-body dynamics theory, using adams virtual prototype technology, establish the vehicle multi-body dynamic simulation analysis model, carry out the vehicle operation stability simulation analysis and test benchmarking, verify the reliability of the multi-body dynamic vehicle model, for the subsequent model development and control stability optimization provides a powerful model verification means and design direction.

Engineering vehicle; Adams/car; Control stability; Simulation analysis

U461.6

B

1671-7988(2021)23-114-04

U461.6

B

1671-7988(2021)23-114-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.032

李政，男，助理講師，車輛工程工學(xué)學(xué)士，就職于益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，主要從事車輛工程相關(guān)技術(shù)的研究。