越野車輛機動性研究

韓愈，孟廣偉，黃朝勝，門玉琢

(1.吉林大學機械科學與工程學院長春 130025;2.中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011; 3.長春工程學院機電工程學院長春 130012)

越野車輛機動性研究

韓愈1，2，孟廣偉1，黃朝勝2，門玉琢3

(1.吉林大學機械科學與工程學院長春 130025;2.中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011; 3.長春工程學院機電工程學院長春 130012)

為研究越野車輛行駛在不平路段機動性問題，通過偏頻試驗識別車輛部分特征參數(shù)，測量試驗車輛懸架位移，計算行駛路段路面不平度，監(jiān)測駕駛員座椅Z加速度在不平試驗路段時序信號，據(jù)人體疲勞特性計算人體吸入功率，并建立“人體－車身－車輪”三自由度振動模型;用傅里葉逆變換生成不平路段的時序信號作為仿真輸入，利用Simulink仿真試驗車輛駕駛員座椅Z向加速度在不平路段的時序信號;提出人體吸入功率為6 W時對應的車速作為評判越野車在不平路段的機動性能。

車輛機動性;路面不平度;偏頻試驗;動力學仿真

越野車輛在不平路面上行駛時，振動通過輪胎、懸架及車身傳遞至駕駛員，振幅隨車速增加而增加，最終因振動影響使駕駛員不能正常駕駛。國內(nèi)外對車輛平順性進行過大量試驗、研究，但較少將平順性作為軍用越野車輛機動性評價指標［1－3］。

本文以人體吸入功率為評價指標，對UNIMOG越野車的機動性能進行測量評價，并進行仿真研究。

1 車輛模型

為一輛越野車(UNIMOG－U4000)安裝加速度、位移、車速儀等傳感器。通過偏頻試驗測量識別車輛輪胎、懸架、座椅主要參數(shù)。對某汽車試驗場不平路段進行路面不平度測量計算。據(jù)文獻［2］，人體吸入功率為6 W時對應車速作為越野車輛不平路段的機動性能評價指標。建立車輛振動模型，利用Matlab軟件Simulink模塊對車輛在不平路段的人體吸入功率進行仿真計算，流程見圖1。

車輛振動簡化模型［4］為:前后懸掛系統(tǒng)的垂直振動是獨立的;車輛各彈性元件剛度均為位移的線性函數(shù);各減震器阻尼均為相對速度的線性函數(shù)。將人體、座椅部分質量簡化為剛性質量ms，與座椅彈性、阻尼元件構成單自由度子系統(tǒng)，與車身－車輪構成人體－車身－車輪三自由度振動系統(tǒng)，見圖2。

圖1 吸入功率計算流程框圖Fig.1 Absorbed power calculation flow diagram

忽略人體質量的慣性力msp··對車身質量m2運動影響，車身垂直振動z2為“人體－座椅”子系統(tǒng)輸入?！叭梭w－車身－車輪”三自由度振動系統(tǒng)微分方程為

圖2 人體－車身－車輪振動模型Fig.2 Human－vehicle body－wheel vibration model

2 路面不平度

車輛垂直振動輸入激勵為路面凸凹不平。通常將路面相對基準平面高度q、沿道路長度l的變化q(I)稱路面不平度函數(shù)，見圖3。

圖3 路面不平度模型Fig.3 Road roughness q(I)model

用空間功率譜密度函數(shù)描述路面不平度［5－6］為

式中:n為空間頻率(單位，m－1)，為波長λ的倒數(shù)，表示單位長度中所含波長數(shù);n0=0.1/m－1為參考空間頻率;Gq(n0)為參考空間頻率n0下路面功率譜密度值，稱路面不平度系數(shù)(單位m3);W為頻率指數(shù)，為雙對數(shù)坐標下斜線斜率，決定路面功率譜密度的頻率結構。

功率譜密度與空間功率譜密度間轉換關系為

式中:u為車輛行駛速度。

3 人體疲勞特性

車輛在不平路段行駛時駕駛員臀部吸入通過輪胎、車身及座椅傳遞的振動，單位時間內(nèi)吸入振動的能量稱為人體吸入功率。Z向人體吸入功率計算式［7－10］為

式中:Ai為駕駛員座椅加速度均方根有效值(單位，ft/s2);Ci為第i個頻譜權系數(shù)，即

式中:Wi為角速度，單位rad/s。

各參數(shù)值見表1，其中fi為第i頻段中心頻率。

表1 人體吸入功率計算系數(shù)Tab.1 Absorbed power calculation coefficients

人體吸入功率計算權系數(shù)Ci隨頻率變化曲線見圖4，人體吸入功率計算程序流程見圖5。

圖4 權系數(shù)Ci隨頻率變化曲線Fig.4 Frequency－weighting Cicurve

圖5 人體吸入功率程序流程框圖Fig.5 Absorbed power program flow diagram

4 試驗測量

4.1 車輛偏頻試驗及參數(shù)識別

通過偏頻試驗計算識別獲得試驗車輛整車動力學參數(shù)［4，11］。偏頻試驗方法采用滾下法，即將汽車測試端車輪沿斜坡駛上圖6的凸塊，停車掛空檔發(fā)動機熄火后將汽車車輪從凸塊上推下，滾下時應盡量保證左、右輪同時落地。

試驗車輛偏頻試驗過程見圖7。已知輪胎氣壓為385 kPa，四分之一車輛整備質量為1 724 kg，通過偏頻試驗獲得整車動力學參數(shù)見表2。

圖6 凸塊斷面示意圖Fig.6 Schematic of the block section plane

圖7 車輛偏頻試驗Fig.7 Vehicle frequency offset test

表2 整車動力學參數(shù)Tab.2 Vehicle dynamics parameters

4.2 路面不平度測量

車輛在路面行駛時，路面不平度引起的振動通過輪胎、車身、座椅傳遞到駕駛員。故對試驗路段不平度進行測量計算，試驗路段見圖8。

在式(2)、(3)中，若令y=z2－z1，則有

圖8 試驗路段Fig.8 Test road

測量懸架位移y，其均方值統(tǒng)計計算式［12］為

式中:A為路面不平程度;V為車輛行駛速度;u= m2/m1;ε=C/2m2。

估算路面不平程度A為

測量路面不平度時車輛以穩(wěn)定低車速通過試驗路段，能有效避免輪胎離開地面的可能性。車輛以V=20 km/h車速通過試驗路段，得=324.540 2。

表3 試驗車輛計算系數(shù)表Tab.3 Test vehicle calculation coefficients

國標路面不平度分級標準［13－15］n0=0.1 cycle/m，頻率指數(shù)W=2，試驗車輛參數(shù)見表3。據(jù)式(13)計算得Gq(n0)=0.005 062/m3，查表4知該試驗路段屬E級路面。

表4 路面不平度分級Tab.4 Road roughness grades

5 人體吸入功率仿真

5.1 傅里葉逆變換生成時序信號

利用上述計算結果，并用傅里葉逆變換方法生成試驗路段時序信號［16］。路面不平度時域序列x(n)對應的傅里葉變換X(k)，Gx(fk)為功率譜密度函數(shù)，即

式中:n=0，1，2，…，N－1;k=0，1，2，…，N－1;f為采樣頻率，Δt=1/f;T為采樣時間;N為采樣點數(shù)。

式中:Nl，Nu分別為上下截止頻率(此處取0.5、80 Hz);u為車速;n0=0.1 cycle/m。

路面隨機激勵頻譜Q(k)為

式中:k=1，2，…，N/2+1;φk為路面隨機激勵頻譜相位，服從(0，2π)均勻分布。

據(jù)實數(shù)序列離散傅里葉變換性質，得采樣點后一半頻譜為

將復數(shù)序列Q(k)(k=1，2，…，N)進行傅里葉逆變換，得時域路面隨機激勵q(n)為

據(jù)式(15)～式(19)計算擬合獲得試驗路段不平度隨機激勵信號q(I)，見圖9。

圖9 計算所得試驗路段不平度q(I)時序信號Fig.9 Road roughness q(I)sequence signals by the calculation

5.2 Simulink仿真

車輛在不平路段行駛時，由于路面不平度引起振動，使駕駛員難以控制車輛以穩(wěn)定速度通過不平路段。因此通過試驗方法很難準確對車輛機動性進行描述。而仿真軟件可進行仿真試驗，如Matlab Simulink可模擬仿真車輛高速通過不平試驗路段，從而更準確評價試驗車輛的真實機動性能［17］。據(jù)表2，利用Matlab Simulink軟件仿真試驗車輛在通過不平試驗路段時的機動性能，仿真框圖見圖10。利用駕駛員座椅Z向加速度時序信號，據(jù)式(6)計算人體吸入功率，見圖11。對比試驗與仿真所得駕駛員Z向吸入功率結果表明，利用Matlab Simulink仿真及由試驗所得數(shù)據(jù)具有一致性，表明仿真能替代試驗描述車輛機動性能。圖11中，吸入功率為6 W時試驗越野車(UNIMOG)在該路段的機動性能為31.5 km/h。

圖10 Matlab Simulink仿真框圖Fig.10 Matlab Simulink diagram

圖11 人體吸入功率Fig.11 Human absorbed power

6 結論

本文通過為某奔馳越野車(UNIMOG－U4000)安裝傳感器進行偏頻試驗測量識別車輛輪胎、懸架及座椅主要參數(shù);對試驗路段進行路面不平度測量計算;用傅里葉逆變換生成不平路段時序信號作為仿真輸入，利用Matlab Simulink軟件仿真試驗車輛在不平試驗路段的機動性能;仿真計算得出吸入功率為6 W時試驗車輛(UNIMOG)的機動性能為31.5 km/h。

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Mobility of off-road vehicle

HAN Yu1，2，MENG Guang－wei1，HUANG Chao－sheng2，MEN Yu－zhuo3
(1.School of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China;
2.China FAW Group Corporation R＆D Center，Changchun 130011，China;
3.School of Mechatronics Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China)

The problem of mobility of off－road vehicle on roughness roads was studied.The vehicle model parameters were identified by using frequency offset tests.The road roughness was estimated by testing the suspension displacement.The driver seat＇s vertical acceleration time series signal on roughness roads was detected.The absorbed power was calculated based on human tolerance limit.The‘human－vehicle body－wheel＇three－degree－of－freedom vibration model was built.The road roughness time series signals were worked out by the inverse Fourier transform，and then were used as the input of the simulation.On the other hand，the driver seat＇s vertical acceleration signal on roughness roads was simulated by utilizing the Simulink software.The speed at absorbed power of six－Watt was suggested to indicate the mobility of the off－road vehicle passing through roughness roads.

vehicle mobility;road roughness;frequency offset test;dynamics simulation

U467.6

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.017

國家自然科學基金(51378075)

2014－07－04修改稿收到日期:2014－08－30

韓愈男，博士生，1979年生

孟廣偉男，教授，博士生導師，1959年生

郵箱:mgw@jlu.edu.cn