客車操穩(wěn)性模擬計(jì)算軟件開發(fā)

焦淵，吳晨，胡新

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

客車操穩(wěn)性模擬計(jì)算軟件開發(fā)

焦淵，吳晨，胡新

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

客車操縱穩(wěn)定性的研究對(duì)于旅客運(yùn)輸安全性、舒適性有重要意義。本文利用VC++平臺(tái)開發(fā)了客車操縱穩(wěn)定性模擬計(jì)算軟件，并以某中型客車為例，對(duì)該軟件的可行性進(jìn)行了研究。

操縱穩(wěn)定性；三自由度模型；VC++軟件開發(fā)

CLC NO.:U461.6Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)08-35-03

引言

高速公路的發(fā)展使得汽車交通安全問(wèn)題日益成為一個(gè)社會(huì)性問(wèn)題。而客車作為高速客運(yùn)的重要工具，其運(yùn)行品質(zhì)的好壞直接影響到人的生命安全，因此解決客車乘坐安全性、舒適性緊密相關(guān)的操縱穩(wěn)定性能問(wèn)題，尤其是針對(duì)國(guó)產(chǎn)客車的研究，就顯得尤為重要。

本文擬對(duì)客車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立三自由度模型，并采用VC++語(yǔ)言編制相應(yīng)的操穩(wěn)性模擬計(jì)算軟件。該軟件根據(jù)輸入的客車參數(shù)以及車速，求解相應(yīng)操穩(wěn)性數(shù)據(jù)和特性曲線，由輸出的數(shù)據(jù)以及曲線對(duì)客車進(jìn)行評(píng)價(jià)。并以ZK6100H客車為例，對(duì)軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1、操穩(wěn)性計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

1.1 建模

操穩(wěn)性數(shù)學(xué)模型主要有簡(jiǎn)化的二自由度模型及線性三自由度模型。線性三自由度模型相對(duì)于簡(jiǎn)化二自由度模型而言，考慮了變形轉(zhuǎn)向、側(cè)傾轉(zhuǎn)向、懸掛質(zhì)量的影響，其結(jié)論與實(shí)際較為一致[8]。

線性三自由度模型建立在以下假設(shè)基礎(chǔ)上：

（1）線性假設(shè)。即整車在低側(cè)向角速度工況下行駛，車輛與輪胎特性比較接近線性，近似認(rèn)為在一個(gè)車軸的內(nèi)、外側(cè)車輪上發(fā)生的側(cè)偏特性變化基本可以相互抵消；

（2）沿車身方向的速度保持不變；

（3）忽略空氣動(dòng)力的影響；

（4）在一個(gè)車軸上車輪總的側(cè)偏特性不受車輪上載荷轉(zhuǎn)

移的影響。

依據(jù)圖1、2建立三自由度模型。

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得三自由度模型運(yùn)動(dòng)微分方程為：

三自由度瞬態(tài)響應(yīng)包括：在前輪角階躍輸入下，客車在某一車速下的橫擺角速度響應(yīng)、質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)、車身相對(duì)側(cè)傾角響應(yīng)及車身相對(duì)側(cè)傾角速度響應(yīng)。

其中，用穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益來(lái)評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：

用rω 、β、φ.和φ 的時(shí)間歷程來(lái)評(píng)價(jià)瞬態(tài)響應(yīng)，利用改進(jìn)歐拉法來(lái)求解。

1.2 改進(jìn)歐拉法

歐拉(Euler)算法是數(shù)值求解中最基本、最簡(jiǎn)單的方法。微分方程的本質(zhì)特征是方程中含有導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，數(shù)值解法的第一步就是設(shè)法消除其導(dǎo)數(shù)值，這個(gè)過(guò)程稱為離散化。實(shí)現(xiàn)離散化的基本途徑是用向前差商來(lái)近似代替導(dǎo)數(shù)，這就是歐拉算法實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。

改進(jìn)歐拉法，先用歐拉法求得一個(gè)初步的近似值，稱為預(yù)報(bào)值，然后用它替代梯形法右端yi+1的再直接計(jì)算fi+1，得到校正值，這樣建立的預(yù)報(bào)—校正系統(tǒng)稱為改進(jìn)的歐拉格式：

采用改進(jìn)歐拉算法進(jìn)行VC++編程。程序如下：

2、軟件介紹

本客車操穩(wěn)性模擬計(jì)算軟件軟件主要用于：在前輪轉(zhuǎn)向角為階躍輸入的條件下，用戶輸入客車的相應(yīng)參數(shù)后，在對(duì)話框中輸出客車操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)參數(shù)以及圖像，進(jìn)而對(duì)客車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

輸入?yún)?shù)包括：整車質(zhì)量，前輪轉(zhuǎn)角，懸掛質(zhì)量，側(cè)傾力臂，車速，前輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)，后輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)，質(zhì)心距前軸距離，質(zhì)心距后軸距離，前輪側(cè)偏剛度，后輪側(cè)偏剛度，對(duì)X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)XZ 軸慣性積，前回正力矩剛度，后回正力矩剛度，前懸架側(cè)傾角剛度，后

懸架側(cè)傾角剛度，前懸架側(cè)傾角阻尼，后懸架側(cè)傾角阻尼。

參數(shù)輸入界面如圖3所示：

3、軟件系統(tǒng)的功能驗(yàn)證

取一例客車的主要參數(shù)如圖4所示：

參數(shù)輸入后，運(yùn)行軟件計(jì)算所得曲線分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示：

上述結(jié)果可知，從圖5為客橫擺角速度響應(yīng)，ZK6100H在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下經(jīng)過(guò)0.7s左右達(dá)到波動(dòng)峰值，在經(jīng)過(guò)大約2.5s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6為質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)，可知，汽車在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下，客車質(zhì)心向相反的方向發(fā)生偏移，在1s左右達(dá)到最大偏移量，2s之后逐漸穩(wěn)定在某一值。

圖7為客車質(zhì)心側(cè)傾角速度響應(yīng)，客車質(zhì)心側(cè)傾角速度在0.7s內(nèi)達(dá)到極大值，之后迅速減小，之后又最大，出現(xiàn)波動(dòng)衰減，最后當(dāng)客車達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)，質(zhì)心側(cè)傾角速度最后均趨近0。因?yàn)榇藭r(shí)汽車做等速圓周運(yùn)動(dòng)了。

圖8為相對(duì)質(zhì)心側(cè)傾角響應(yīng)，客車在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下，客車懸架上下質(zhì)量發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生側(cè)傾角，且側(cè)傾角隨時(shí)間逐漸增大，時(shí)間在2.5s左右之后逐漸達(dá)到某一穩(wěn)定值。

4、結(jié)論

所編譯的客車操縱穩(wěn)定性計(jì)算軟件也不是很完善，但還是能解決一般的問(wèn)題，從而提高計(jì)算效率。ZK6100H操穩(wěn)性的驗(yàn)證表明，本軟件的功能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

本軟件系統(tǒng)還存在一些不足，該軟件只對(duì)客車進(jìn)行了三自由度的分析，對(duì)客車的動(dòng)力分析還不是有很深的了解，有待于進(jìn)一步研究。

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The software development for simulation of vehicle handling and stability

Jiao Yuan, Wu Chen, HuXin
（Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064）

The study of vehicle handling and stability has a great significance of transport safety and comfort .This article takes use of the VC++ as a platform to develop the vehicle handling and stability of the simulation system software. Taking a medium-sized passenger car for instance, validated the feasibility of the software.

handling and stability；three degrees of freedom model；VC++ software development

U461.6

A

1671-7988(2014)08-35-03

焦淵，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。