基于虛擬樣機(jī)的某摩托車(chē)操縱穩(wěn)定性分析

李金波 余大江 劉興君

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

摩托車(chē)作為高速機(jī)動(dòng)車(chē)輛，一直是以操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、振動(dòng)舒適性等作為研究重點(diǎn)[1]。使用多體動(dòng)力學(xué)軟件VI-Motorcycle研究大排量摩托車(chē)的操縱穩(wěn)定性，可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，對(duì)我國(guó)摩托車(chē)的生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)摩托車(chē)行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，并取得了不少成果。

Whipple[2]開(kāi)創(chuàng)性地對(duì)自行車(chē)的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，為兩輪車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)研究奠定了基礎(chǔ)。

Renzo等人采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立車(chē)輛機(jī)械模型，完成車(chē)輛的“8”字形行駛試驗(yàn)和“J”形轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)[3]。

新的本田CBR1000RR[4]車(chē)型采用大活塞懸架技術(shù)，這使整個(gè)減振過(guò)程更加順暢，在緊急制動(dòng)下，車(chē)手在前端感覺(jué)更穩(wěn)定。

黃澤好[5]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了精確的摩托車(chē)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模型，并且通過(guò)優(yōu)化前后懸架剛度從而提高摩托車(chē)的行駛平順特性。

徐中明等人[6]利用BikeSim建立摩托車(chē)參數(shù)化模型，聯(lián)合Isight和Matlab對(duì)前后懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼進(jìn)行優(yōu)化，獲得了Pareto最優(yōu)解集。

本文通過(guò)三維數(shù)模測(cè)得某摩托車(chē)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用VI-Motorcycle建立了摩托車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)摩托車(chē)高速行駛過(guò)程中受到脈沖干擾和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其高速直線(xiàn)行駛時(shí)的安全性能和低速轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向性能做出合理評(píng)價(jià)，對(duì)摩托車(chē)行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)特性研究具有一定的工程意義。

1 整車(chē)模型建立

摩托車(chē)整車(chē)模型是建模最重要的部分之一，模型數(shù)據(jù)來(lái)源于某國(guó)產(chǎn)大排量摩托車(chē)，整車(chē)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與三維模型分別如表1和圖1所示。

表1 整車(chē)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 摩托車(chē)三維模型

1.1 前懸架系統(tǒng)模型

摩托車(chē)的前懸架系統(tǒng)模型是整車(chē)模型最重要的系統(tǒng)模型之一，其結(jié)構(gòu)形式的不同會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)性能的不同。本文前懸架由上下前叉組成，其部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，輸入相應(yīng)的模型參數(shù)，完成如圖2所示的前懸架系統(tǒng)模型。

表2 前懸架部分參數(shù) 單位：mm

圖2 前懸架系統(tǒng)模型

1.2 后懸架系統(tǒng)模型

摩托車(chē)的后懸架系統(tǒng)模型對(duì)整車(chē)模型而言也相當(dāng)重要，摩托車(chē)在行駛過(guò)程中，后懸架系統(tǒng)直接影響車(chē)輛的乘坐舒適性。本文采用搖臂式雙減震器后懸架系統(tǒng)，其部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，針對(duì)現(xiàn)有的模型參數(shù)，建立的后懸架系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 后懸架系統(tǒng)模型

表3 后懸架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真試驗(yàn)

2.1 脈沖仿真分析

本文通過(guò)建立的模型對(duì)車(chē)輛進(jìn)行脈沖仿真試驗(yàn)，即車(chē)輛以120 km/h的初速度在道路上直線(xiàn)行駛，8 s時(shí)在車(chē)輛手柄施加一個(gè)最大為10 N·m的轉(zhuǎn)向力矩，其輸入信號(hào)如圖4所示，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，20 s后仿真結(jié)束。

圖4 脈沖輸入信號(hào)

完成仿真后，可從圖5仿真過(guò)程中看出該摩托車(chē)在高速直線(xiàn)行駛時(shí)的受力情況。

圖5 仿真過(guò)程

圖6為該摩托車(chē)操縱穩(wěn)定性相關(guān)性能指標(biāo)參數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。圖6（a）、圖6（b）分別為橫向加速度和橫擺角速度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，可看出在施加脈沖信號(hào)后，車(chē)輛橫向加速度和橫擺角速度上下急劇波動(dòng)，4 s后車(chē)輛行駛趨于平穩(wěn)狀態(tài)；圖6（c）、圖6（d）為駕駛員所需的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向力矩與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，可看出在施加脈沖信號(hào)后，為了控制車(chē)輛平穩(wěn)，駕駛員所需轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向力矩也呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，4 s后車(chē)輛行駛趨于平穩(wěn)行駛狀態(tài)。

圖6 高速直線(xiàn)仿真結(jié)果

由圖6可知，雖然車(chē)輛需要經(jīng)過(guò)4 s才能趨于平穩(wěn)行駛狀態(tài)，但由于車(chē)輛在受到10 N·m的瞬態(tài)力矩時(shí)，橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉(zhuǎn)向角以及駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩幅值較小，由此判定該車(chē)型在高速直線(xiàn)行駛中受到脈沖干擾時(shí)穩(wěn)定性較好。

2.2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向分析

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)已被證明是評(píng)估摩托車(chē)和其他兩輪車(chē)低頻和非瞬態(tài)操縱性能的有效和定量方法[7]。描述駕駛員控制動(dòng)作的量是轉(zhuǎn)向扭矩和駕駛員側(cè)傾角，在大多數(shù)情況下，駕駛員控制主要由轉(zhuǎn)向扭矩組成，而傾斜角度和車(chē)身橫向位移可被視為輔助控制輸入。

本文通過(guò)建立的整車(chē)模型與半徑為20 m的圓形道路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)，在該試驗(yàn)中，摩托車(chē)沿圓形道路等速行駛，如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

扭矩傳感器記錄下駕駛員作用在摩托車(chē)方向把上的轉(zhuǎn)向扭矩、摩托車(chē)側(cè)傾角和橫向加速度。摩托車(chē)的轉(zhuǎn)向性能用側(cè)傾指數(shù)k和加速度指數(shù)ka來(lái)衡量[7]。

側(cè)傾指數(shù)k表示車(chē)輛轉(zhuǎn)向扭矩與側(cè)傾角之間的比率，即：

式中：τ為轉(zhuǎn)向扭矩；φ為車(chē)輛側(cè)傾角。

加速度指數(shù)ka表示車(chē)輛轉(zhuǎn)向扭矩與橫向加速度之比，即：

式中：v為摩托車(chē)車(chē)速；R為圓形跑道半徑；g為重力加速度。

側(cè)傾指數(shù)或側(cè)向加速度指數(shù)越小，表明車(chē)輛完成等速圓周行駛所需轉(zhuǎn)向扭矩越小，該車(chē)型轉(zhuǎn)向比較靈活，轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異[8-9]。

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，車(chē)速v=30km/h，轉(zhuǎn)向扭矩τ=-0.4 N·m，側(cè)傾角φ=22°≈0.384 rad。

圖8 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)

側(cè)傾指數(shù)大?。?/p>

加速度指數(shù)大?。?/p>

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，該車(chē)型側(cè)傾指數(shù)和加速度指數(shù)較小，在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向性能較好。

3 結(jié)論

（1）本文基于摩托車(chē)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件VI-motorcycle建立整車(chē)模型，根據(jù)駕駛員和道路對(duì)摩托車(chē)操縱穩(wěn)定性的影響，建立駕駛員與道路模型。

（2）對(duì)摩托車(chē)高速直線(xiàn)行駛受到脈沖激勵(lì)的情況進(jìn)行分析，該車(chē)輛的橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉(zhuǎn)向角以及駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩幅值較小，由此判定該車(chē)型在高速直線(xiàn)行駛中受到脈沖干擾時(shí)的穩(wěn)定性較好。

（3）對(duì)摩托車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，該車(chē)輛側(cè)傾指數(shù)k=1.042N·m/rad，側(cè)向加速度指數(shù)ka=0.11N/s2，表明在低速行駛時(shí)該車(chē)轉(zhuǎn)向靈活，轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異。