基于Adams的機場擺渡車操縱穩(wěn)定性仿真分析

張 巖

基于Adams的機場擺渡車操縱穩(wěn)定性仿真分析

張 巖

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710061）

為研究機場擺渡車的操縱穩(wěn)定性，在軟件Adams的Car模塊中，修改對應參數(shù)，建立前、后懸架系統(tǒng)，轉向系統(tǒng)，前、后輪胎系統(tǒng)，車身系統(tǒng)等六個子系統(tǒng)模型，并組建成機場擺渡車操縱穩(wěn)定性分析模型，進而根據(jù)《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》（GB/T 6323—2014）對組建的整車模型進行操穩(wěn)性仿真試驗，并根據(jù)《汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法》（QC/T 480—1999）對機場擺渡車操縱穩(wěn)定性進行評價，得到總評價計分值為71.13分，評價結果為合格，為機場擺渡車操縱穩(wěn)定性的研究提供了一定的理論基礎。

操縱穩(wěn)定性；機場擺渡車；Adams；仿真分析

當前機場飛機數(shù)量多，但機位少，而建設一個機位需要的資金大，所以多數(shù)飛機停留在遠機位，需要通過擺渡車運送乘客。為了滿足駕駛員和乘客有良好的乘坐舒適性，就需要機場擺渡車具有良好的操縱穩(wěn)定性。

汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性是安全行駛的保障，也是駕駛人感到舒適的前提[1]。對于機場擺渡車而言，其主要作用是運送乘客到達指定位置[2]，操縱穩(wěn)定性不僅影響到機場擺渡車駕駛的操縱方便程度，也是決定機場擺渡車安全行駛的一個主要性能。從國內(nèi)與國外的研究現(xiàn)狀來看，對于特種車輛，比如機場擺渡車、飛機加油車、飛機牽引車以及飛機除冰車的操穩(wěn)性研究還相對較少，車輛操縱性和穩(wěn)定性是一種十分重要的動態(tài)性能，直接影響汽車駕駛的乘坐安全性和舒適性，以往設計方法通常依靠經(jīng)驗及反復試驗，不僅周期長，而且投資大，效果還不理想。為了提高對機場特種車輛的研究，采用仿真軟件對機場擺渡車的研究必不可少[3]。

機場擺渡車具備普通客車的基本功能和性能，但其屬于特種車輛，還具備普通客車不具備的特點，比如對機場擺渡車的容量要求較大，一次能承載多名乘客及其行李；其次機場擺渡車的底盤較低，目的是方便乘客拿取行李，因此，機場擺渡車對底盤的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高[4]，研究機場擺渡車的操縱穩(wěn)定性具有重要意義[5]。

1 操縱穩(wěn)定性分析模型的建立

本文在建立操縱穩(wěn)定性分析模型時的簡化原則：（1）將汽車當作是6自由度的系統(tǒng)；（2）除了輪胎、彈簧和減震器等柔性體之外，其余部件都被視為非彈性元件；（3）不考慮零部件之間的摩擦；（4）用軟件自帶的發(fā)動機模型和制動系統(tǒng)模型，本文只需要利用它們來控制車速。

簡化后，在Adams/Car2016環(huán)境下建立各大子系統(tǒng)[6]，主要包括前、后懸架系統(tǒng)，轉向系統(tǒng)，前、后輪胎系統(tǒng)以及車身系統(tǒng)；以前后懸架子系統(tǒng)為例，其硬點坐標如圖1、圖2所示。

子系統(tǒng)建立后需要對其進行裝備和調(diào)試。在標準界面上，新建整車裝配，選擇之前創(chuàng)建好的各個子系統(tǒng)，如圖3所示。

將建立的各大子系統(tǒng)模型進行組裝完成后要進行準靜態(tài)測試，選擇測試臺類型為_MDI_SDI_ TESTRIG，靜態(tài)測試如圖4所示。

圖1 前懸架的硬點坐標

圖2 后懸架的硬點坐標

圖3 操縱穩(wěn)定性分析模型的裝配

通過后處理讀取車身質(zhì)心高度437.67 mm，應調(diào)整為自動更新后的數(shù)值433.84 mm，手動調(diào)整質(zhì)心高度為430 mm，重復靜平衡后，車身質(zhì)心高度已近似433.84 mm，完成質(zhì)心調(diào)整之后繼續(xù)進行驗證，校核整車基本參數(shù)，若得到的結果與整車參數(shù)不符，繼續(xù)通過上述步驟進行調(diào)整，直至整車基本參數(shù)符合要求為止，完成之后對模型進行保存，為下面要完成的各大操縱穩(wěn)定性仿真試驗做好準備，圖5是整車試驗的三級菜單。

圖4 準靜態(tài)測試

圖5 整車仿真試驗的三級菜單

2 操縱穩(wěn)定性試驗分析及評價

2.1 轉向盤角脈沖輸入仿真試驗及評價

轉向盤角脈沖輸入仿真試驗按照《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》（GB/T 6323—2014）進行設置來完成仿真[7]。開始試驗時需要對試驗工況設置，首先確定行駛車速，行駛速度根據(jù)機場擺渡車最大速度的70%并圓整為10的整數(shù)倍，機場擺渡車的最大速度為50 km/h，在Adams/Car中設置模型的速度為40 km/h。對所搭建的模型在仿真路面上按照上述速度進行勻速行駛，并標記轉向盤此時位置為開始位置，記錄下轉向盤的中間位置，記錄完后轉動轉向盤，使其獲得一個三角脈沖輸入，本次試驗采用向左轉動方向盤，以脈寬為0.3 s～0.5 s轉角迅速轉動方向盤并恢復到最初位置，在這個試驗中要使得側向加速度的最大值為0.4，整個試驗仿真中要保持油門踏板的位置不變。在Adams/Car模塊輸入所需參數(shù)，輸入脈沖轉向的有關參數(shù)，如圖6所示，設置完成后開始仿真，試驗結束后點擊回放，按F8打開數(shù)據(jù)分析，并記錄相關試驗數(shù)據(jù)。

圖6 脈沖轉向參數(shù)設置

在進行轉向盤角脈沖輸入工況操縱穩(wěn)定性評價計分時，參考國標計分方法[8]，具體參數(shù)指標如下：

諧振頻率f的計算公式可通過式（1）計算得

式中，100和60分別為其對應的上下限值，為0.50和0.30，單位為Hz，p為幅頻特性諧振峰所對應的頻率，Hz，值為0.35。通過計算，諧振頻率的評價計分值為71分。

諧振峰水平d的計算公式為

式中，60和100分別為其對應的上下限值，為5.00和2.00，單位為dB；為試驗值，為10.8 dB。

通過計算，諧振峰水平的評價計分值為73分。

相位滯后角的計算方法為

式中，100和60分別為其對應的上下限值，取60和100，單位為°；為試驗值，取14.8°。

通過計算，相位滯后角的評價計分值為66分。

此次試驗總評價計分值的計算公式為

通過計算，轉向盤角脈沖輸入試驗的綜合評價計分值M為70分。

2.2 轉向回正性仿真試驗及評價

道路試驗方法為在仿真環(huán)境內(nèi)先直行20 m，隨后改變方向盤轉角，使其進行圓周行駛，半徑為15 m，在行駛過程中調(diào)整車速，直到側向加速度值為4 m/s2，隨后保持車速不變行駛一段時間后，松開方向盤，記錄其運動軌跡，在Adams/Car中設置對應參數(shù)，如圖7所示，隨后進行仿真試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)[9]?？紤]到機場擺渡車的最高車速為50 km/h，本次試驗為低速回正，試驗向左進行3次，取其中一次仿真結果進行評價計分。

圖7 參數(shù)設置

依照國標對該仿真試驗進行評價計分，具體參數(shù)指標如下：

殘留橫擺角速度評價計分公式為

式中，Δ60為對應的下限值，取6.0°/s；Δ100為對應的上限值，取0°/s；Δ為試驗值，°/s，值為3.2。

通過計算，其評價計分值為72分。

橫擺角速度總方差的評價計分公式為

通過計算，橫擺角速度總方差的評價計分值為64分。

此次試驗總評價計分值的計算公式為

通過計算得到轉向回正性能試驗的綜合評價計分值H為68分。

2.3 穩(wěn)態(tài)回轉仿真試驗及評價

本文的穩(wěn)態(tài)回轉仿真方法依照《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》（GB/T 6323—2014）所要求的試驗方法完成，本次試驗擁有固定轉向盤轉角、固定行駛軌跡半徑和準靜態(tài)穩(wěn)態(tài)回轉三種仿真方法，本文采用的穩(wěn)態(tài)回轉試驗仿真方法為固定轉向盤轉角，將建好的操縱穩(wěn)定性分析模型以最低穩(wěn)定車速進行圓周行駛，半徑為15 m，行駛過程中保持方向盤不動，讓車輛加速，直到其側向加速度值為6.5 m/s2結束試驗，在Adams中更改MINI_1中的參數(shù)，讓車輛以3 m/s2車速直線行駛10 m，沿著半徑15 m的圓周行駛，直至側向加速度為0.6 m/s2，對MINI_2進行參數(shù)設置，在MINI_1的基礎上固定轉向盤，設置完成后打開MINI_2，將油門控制設置為0.25 m/s2，擋位選擇3擋，結束條件為側向加速度為6.5 m/s2。設置完參數(shù)后進行仿真[10]，并記錄試驗結果。

參考國標計分方法，具體參數(shù)指標如下：

中性轉向點的側向加速度評價計分值為

式中，a為試驗值，為4.3 m/s2；為對應的下限值，取3 m/s2；為對應的上限值，取6 m/s2。

根據(jù)國標進行計算可得其評價計分值為76分。

不足轉向度的評價計分值按式（9）計算。

式中，60為不足轉向度的上限值，°/（m/s2），值為1.2；100為不足轉向度的下限值，°/（m/s2），值為0.5；值為6；為不足轉向度的試驗值，°/（m/s2），為0.8。

通過計算，不足轉向度的評價計分值為84.6分。

車身側傾度的評價計分值按式（10）計算：

通過計算，車身側傾度的評價計分值為65.6分。

通過上述指標得到對應的評價分值，進而可得到穩(wěn)態(tài)回轉試驗的綜合評價計分值，通過式（11）計算。

可得，穩(wěn)態(tài)回轉試驗的綜合評價計分值為75.4分。

2.4 機場擺渡車操縱穩(wěn)定性總評價計分值

總評價計分值可根據(jù)式（12）計算。

車輛操縱穩(wěn)定性的好壞，可根據(jù)總評價計分值大小進行判斷，小于60分說明操縱穩(wěn)定性不好。通過計算，機場擺渡車的操縱穩(wěn)定性評價分數(shù)為71.13分，該機場擺渡車操縱穩(wěn)定性良好。

3 結論

以機場擺渡車為研究對象，利用Adams/Car模塊建立整車操縱穩(wěn)定性分析模型，根據(jù)國標規(guī)定的方法完成了轉向盤角脈沖試驗、穩(wěn)態(tài)回轉試驗和轉向回正試驗，仿真結束后利用Adams軟件中回放功能的數(shù)據(jù)處理模塊勾選所需要的數(shù)據(jù)和曲線，對仿真得到的數(shù)據(jù)按照國標進行分析處理，按照標準對每個仿真試驗進行打分，計算出綜合評價計分值為71.13分，表明操縱穩(wěn)定性良好，為機場擺渡車操縱穩(wěn)定性的研究奠定了基礎。

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[2] 徐赫男.純電動機場擺渡車的研發(fā)和應用[J].中國新技術新產(chǎn)品,2018(7):18-19.

[3] 李兵,王澤平.純電動機場擺渡車應用的可行性[J].客車技術與研究,2016,38(3):60-62.

[4] 岳鳳來,張俊紅,林杰威,等.純電動機場擺渡車動力系統(tǒng)匹配與性能仿真[J].機械設計與制造,2014(7): 120-122,126.

[5] 梁程.淺談機場擺渡車的現(xiàn)狀、特點及發(fā)展前景[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2021(1):99-100.

[6] 施京凱,劉成武,吳銘.基于ADAMS/Car的汽車操穩(wěn)性仿真優(yōu)化研究[J].機電技術,2020(6):68-72.

[7] 全國汽車標準化技術委員會.汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法:GB/T 6323—2014[S].北京:中國標準出版社. 2014.

[8] 國家機械工業(yè)局.汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法:QC/T 480—1999[S].北京:中國標準出版社, 1999.

[9] 夏建華,于志超,張鵬.低速轉向回正性能的分析及優(yōu)化[J].汽車實用技術,2020,45(15):149-151.

[10] 苗文興,劉秋影,梁延召,等.汽車操縱穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)回轉試驗及評價[J].汽車工程師,2019(9):38-40.

Simulation Analysis of Handling Stability of Airport Shuttle Bus Based on Adams

ZHANG Yan

( School of Automobile, Chang’an University, Xi’an 710061, China )

In order to study the handling stability of the airport shuttle bus, in the car module of the software Adams, modify the corresponding parameters, establish six subsystem models of the front and rear suspension system, steering system, front and rear tire system, body system, etc, and form the handling stability analysis model of the airport shuttle bus, and then conduct the handling stability simulation test on the completed vehicle model according to(GB/T6323—2014). According to(GB/T480—1999), the handling stability of the airport shuttle car is evaluated, and the total evaluation score is 71.13 points, and the evaluation result is qualified, which provides a certain theoretical basis for the study of the handling stability of the airport shuttle bus.

Handling stability; Airport shuttle bus; Adams; Simulation analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.026

U461.6

A

1671-7988(2022)21-138-05

U461.6

A

1671-7988(2022)21-138-05

張巖（1998—），男，碩士研究生，研究方向為智能駕駛技術、車輛主動安全，E-mail:2020122012@chd.edu.cn。