新型全地形車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析

黃澤好，徐文強(qiáng)，孫章棟，陳衛(wèi)東

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.重慶汽車學(xué)院，重慶 400054)

全地形車(ATV)適合所有地形，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域［1］。特別在軍事應(yīng)用中ATV不僅要運(yùn)載戰(zhàn)斗人員，而且要搭載武器裝備，這就對(duì)其行駛穩(wěn)定性提出了較高要求。國(guó)內(nèi)ATV行業(yè)近幾年才發(fā)展起步，這方面的研究尚不多，相關(guān)操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有待制定和完善［2］。

原型ATV實(shí)車已進(jìn)行相關(guān)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證。在原型ATV實(shí)車的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，在CATIA中建立前2輪后1輪的新型ATV三維模型，進(jìn)而在Adams中建立多體動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)新型ATV進(jìn)行相關(guān)操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)，分析穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)響應(yīng)特性、角階躍響應(yīng)特性以及蛇行試驗(yàn)響應(yīng)特性［3］。參考汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，對(duì)其操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 ATV動(dòng)力學(xué)模型

在Adams中建立由車架、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、懸架、輪胎模型和路面譜等組成的整車模型。原ATV整車多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示，新型ATV整車多體動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。使用由Adams軟件提供的適合整車操縱穩(wěn)定性分析的平整路面(Flate)和柔性環(huán)輪胎模型(F-Tire)［4－7］。

2 ATV操縱穩(wěn)定性分析

新型ATV主要進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)以及蛇行試驗(yàn)仿真，并進(jìn)行比較［8－9］。

2.1 角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

新型ATV的轉(zhuǎn)向特性主要由角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于新型ATV后輪為鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，載荷遠(yuǎn)小于軸傳動(dòng)，要保證新型ATV總的驅(qū)動(dòng)力與原ATV相等，在前后驅(qū)動(dòng)力分配時(shí)，前驅(qū)動(dòng)力為后驅(qū)動(dòng)力的4倍。

根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與標(biāo)定方法，按中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速值an、不足轉(zhuǎn)向度U、車箱側(cè)傾度Kф等3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)分。

虛擬試驗(yàn)中，在新型ATV方向把上施加30°的轉(zhuǎn)向角(保證ATV轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎側(cè)偏角處在線性范圍內(nèi))并不斷加速［3］。方向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 方向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡

中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值an是指前、后橋側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上斜率為零處的側(cè)向加速度。如果中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)未出現(xiàn)在所測(cè)試的側(cè)向加速度范圍內(nèi)，應(yīng)用最小二乘法按無(wú)常數(shù)項(xiàng)的三次多項(xiàng)式擬合曲線對(duì)an進(jìn)行推算。中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向速度an可以很容易地由轉(zhuǎn)向半徑比R/R0與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線得到，如圖5、7中R/R0為1時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)向加速度即為中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度。中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度評(píng)分值由式(1)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 側(cè)向加速度計(jì)分

不足轉(zhuǎn)向度U按前后橋側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度值為2 m/s2處的平均斜率(縱坐標(biāo)值除以橫坐標(biāo)值)計(jì)算，如圖4、6。評(píng)價(jià)計(jì)分值按式(2)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 不足轉(zhuǎn)向度計(jì)分

車箱側(cè)傾度K0按車箱側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度值為2 m/s2處的平均斜率計(jì)算。如圖8、9，新型摩托車為1.54，原型摩托車為1.56，均大于評(píng)分限值，因此按限值計(jì)算。評(píng)價(jià)計(jì)分值按式(3)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 車箱側(cè)傾度計(jì)分

ATV穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值按式(4)計(jì)算。

ATV穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)分值Nw:新型ATV 為75.7;原型 ATV 為77.0。

2.2 方向盤角階躍下的瞬態(tài)響應(yīng)

新型ATV的操縱穩(wěn)定性用轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)表征。仿真試驗(yàn)中ATV先勻速直線行駛，在t=10 s時(shí)，將方向把急速轉(zhuǎn)動(dòng)至15°保證ATV輪胎側(cè)偏角處在線性范圍內(nèi)，并保證方向把轉(zhuǎn)角不變，測(cè)量ATV質(zhì)心橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)響應(yīng)［10－11］，如圖 10所示。原型 ATV在相同條件下仿真并與新型ATV進(jìn)行比較。瞬態(tài)響應(yīng)下的橫擺角速度如圖11所示。

圖10 角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)

圖11 瞬態(tài)響應(yīng)下的橫擺角速度

根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)法得到響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將側(cè)向加速度值為2 m/s2時(shí)的汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間T作為角階躍評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)計(jì)分值按式(5)計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間計(jì)分

角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)分值NJ:新型ATV為76;原型ATV為64。

2.3 蛇行試驗(yàn)

簡(jiǎn)單模擬實(shí)車的蛇行試驗(yàn)如圖12所示。通過(guò)測(cè)試新型ATV質(zhì)心的橫擺角速度并與原型ATV進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)新型ATV的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)性能。

圖12 蛇行軌跡

按基準(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(píng)價(jià)計(jì)分。由于仿真條件限制，只對(duì)橫擺角速度峰值r進(jìn)行評(píng)分。r由圖13可得，即為圖13中曲線4個(gè)峰值的絕對(duì)值的平均值［6－7］。

圖13 橫擺角速度響應(yīng)

平均橫擺角速度峰值r的計(jì)分值由式(6)計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 平均橫擺角速度峰值計(jì)分

蛇行試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)分值:新型ATV為81.9，原型ATV為85.1。

2.4 綜合評(píng)分

根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值和評(píng)價(jià)法，通過(guò)3個(gè)試驗(yàn)對(duì)新型ATV的操縱穩(wěn)定性與原型車比較，總評(píng)分值

新型ATV的總評(píng)分值為77.9，原型ATV的總評(píng)分值為75.4。

3 結(jié)束語(yǔ)

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)新型ATV隨著車速的提高，轉(zhuǎn)向半徑不斷增大，不足轉(zhuǎn)向度偏大，但中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)加速度偏小，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)評(píng)價(jià)分值小于原型ATV。方向把角階躍下新型ATV的瞬態(tài)響應(yīng)快，瞬態(tài)響應(yīng)分值大于原型ATV，對(duì)操縱穩(wěn)定性有利。但蛇行試驗(yàn)的平均橫擺角速度偏大，導(dǎo)致分值小于原型ATV。綜合評(píng)價(jià)新型ATV的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、角階躍輸入和蛇行試驗(yàn)，操縱穩(wěn)定性優(yōu)于原型ATV。

［1］張志飛，徐中明，彭旭陽(yáng)，等.全地形車操縱穩(wěn)定性建模與仿真［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(6):620－624.

［2］施演兵，李宏波.淺談全地形車的制動(dòng)性能［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(3):22－24.

［3］黃澤好，孫章棟，劉吉明，等.新型全地形車操縱穩(wěn)定性仿真分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(6):1－4.

［4］鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］.北京:械工業(yè)出版社，2002.

［5］李軍，刑俊文.ADAMS實(shí)例教程［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［6］王國(guó)強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［7］郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程［M］.2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［8］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［9］QC/T 480—1999，汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法［S］.

［10］汽車工程手冊(cè):摩托車篇［K］.北京:人民交通出版社，2001.

［11］喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.