某越野車操縱穩(wěn)定性仿真分析

朱利超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某越野車操縱穩(wěn)定性仿真分析

朱利超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著消費者對車輛性能要求的提高，作為評價車輛性能重要指標之一的操縱穩(wěn)定性對于商用車變得愈發(fā)重要。良好的操縱穩(wěn)定性可以保證駕駛員的舒適性，使得駕駛員能夠安全可靠的駕駛汽車，減少道路事故發(fā)生的可能性。文章以某帶平衡懸架四軸重型商用車為研究對象，建立了車輛的多體動力學模型和數學模型，對車輛進行了操縱穩(wěn)定性分析。

操縱穩(wěn)定性；平衡懸架；四軸；多體動力學

CLC NO.:U463.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-99-03

前言

隨著汽車技術水平的不斷進步，越野車使用環(huán)境的多樣化、復雜化程度也在不斷加重，因此對越野車機動性的要求也在不斷提高。同時用戶對汽車安全性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性的要求也越來越高。操縱穩(wěn)定性是評價汽車的關鍵指標之一，但以往測試操縱穩(wěn)定性，需要經過多輪樣車試制，反復的道路試驗和整車性能試驗。不僅花費大量人力、物理，設計周期長，而且有些試驗非常危險難以進行。隨著虛擬樣機技術發(fā)展，從整車匹配到子系統(tǒng)開大都大量運用了數字虛擬化設計。對汽車來說，動態(tài)性能更為重要，這樣利用數字樣機對汽車操縱穩(wěn)定性和平順性進行計算機仿真愈發(fā)重要。本文研究對象是帶平衡軸懸架的四軸重型商用車，第一軸懸架和第二軸懸架均采用葉片式鋼板彈簧的非獨立懸架，第三軸和第四軸共同采用平衡軸懸架，平衡軸懸架共用一根鋼板彈簧。根據現有參數，建立ADAMS模型，并進行操縱穩(wěn)定性試驗仿真，反應整車操縱穩(wěn)定性水平。

1、基于ADAMS的模型建立

本文研究的四軸重型汽車在結構上和組成上均比較復雜，在建模的過程中必須要對其進行較為合理的抽象和簡化，從而在保證準確性的同時減少相應工作量，為此本文的多體動力學建模工作遵循以下幾點原則：

（1）由于本文不涉及研究發(fā)動機的振動對整車操縱穩(wěn)定性的影響，所以只考慮動力總成的驅動作用，忽略其振動影響并作相應簡化；

（2）將簧上質量看作一個具有六個自由度的剛體，即不考慮車身的彈性特征；

（3）除了輪胎、彈性和阻尼元件以及襯套考慮彈性特征，其他所有部件都看作剛體；

（4）模型所采用的整車坐標系的坐標原點位于整車縱向對稱面內，X軸正向為整車后方，Y軸正向為整車右方，Z軸正向為整車上方；

（5）用橡膠襯套實現剛體與剛體之間的柔性連接，并忽略各運動副內的摩擦作用。

其中整車載荷參數、幾何參數、轉動慣量如表 1、2、3所示：

表1 整車載荷參數

表2 整車幾何參數

表3 整車慣量參數

各硬點參數較多，不一一列舉，整車ADAMS模型如圖1-圖5：

圖1 第一軸懸架多體動力學模型

圖2 平衡軸懸架多體動力學模型圖

圖3 一軸和二軸懸架鋼板彈簧多體動力學模型

圖4 平衡軸懸架鋼板彈簧多體動力學模型

圖5 轉向系統(tǒng)多體動力學模型

本文建立整車模型時就假設了將簧上質量視作六個自由度的剛體，所以對于車架和駕駛室沒有考慮其彈性特性，也沒有建立柔性模型，將駕駛室和車架等效成一個質量點，對其定義質量和轉動慣量，同理動力傳動系統(tǒng)亦做此處理。

2、整車穩(wěn)態(tài)回轉試驗仿真

穩(wěn)態(tài)回轉試驗是改變橫向加速度，以一定車速在固定半徑的圓弧上行駛，從而對汽車的不足轉向及過度轉向特性、側傾特性、最大橫向加速度、保舵力等進行評價的試驗。改變橫向加速度可采用定半徑法、定轉向盤轉角連續(xù)加速法及定車速法實現[52]。穩(wěn)態(tài)回轉試驗的目的是測定汽車對轉向盤角輸入達到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺響應。仿真采用定方向盤轉角連續(xù)加速法。駕駛員操縱汽車以最低穩(wěn)定速度沿半徑為15m的圓周行駛，待穩(wěn)定后，緩緩連續(xù)而均勻地加速（縱向加速度不超過0.25m/s2），直至汽車的側向加速度達到6.5m/s2（或受發(fā)動機功率限制而所能達到的最大側向加速度、或汽車出現不穩(wěn)定狀態(tài)）為止，記錄整個過程。如圖6-圖10所示：

圖6 整車穩(wěn)態(tài)回轉仿真軌跡

圖7 側偏角VS側向加速度

圖8 橫擺角速度VS側向加速度

圖9 側傾角VS側向加速度

圖10 車速VS側向加速度

按國標QC/T 480-1999穩(wěn)態(tài)回轉試驗中對結果處理的方法，對仿真結果進行處理，得到圖11轉彎半徑變化的仿真結果；圖12是轉彎半徑比的仿真結果；圖13是前后側偏角差的仿真結果：

圖11 轉彎半徑VS側向加速度

圖12 轉彎半徑比VS側向加速度

圖13 前后側偏角差VS側向加速度

3、整車轉向回正試驗仿真

轉向回正試驗是轉彎行駛中松開轉向盤時，汽車橫擺加速度等變量恢復直線行駛狀態(tài)的試驗。轉向回正試驗是表征和測定汽車自曲線回復到直線行駛的過渡過程，是測定自由操縱力輸入的基本性能試驗，回正能力是汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要方面。低速回正試驗是使汽車沿半徑為15±1m的圓周行駛，調整車速，使側向加速度達到 0.4g,固定轉向盤轉角，穩(wěn)定車速并開始記錄，待3s后，駕駛員突然松開轉向盤，記錄松手后4s的汽車運動過程。如圖14-圖18所示：

圖14 低速回正仿真行駛軌跡

圖15 方向盤轉角變化曲線

圖16 側向加速度變化曲線

圖17 側傾角變化曲線

圖18 橫擺角速度變化曲線

4、結論

建立好的整車多體動力學模型為本文所研究的帶平衡軸懸架的四軸重型商用車的提供了虛擬樣機模型，根據模型模擬仿真了整車穩(wěn)態(tài)回轉試驗和轉向回正試驗。由于本章是對多體動力學模型進行操縱穩(wěn)定性分析，多體動力學模型的建立是在詳細并且充分的車輛參數的基礎上建立起來的，通過ADAMS/Car模塊對整車的仿真也是得到了廣大工程師的認可，所以得到的分析評價結果是比較接近于實車的。對實車驗證提供了可靠的理論依據，也為本車型后續(xù)的分析研究以及同類別車型的開發(fā)研究打下了基礎。

[1] QC/T 480-1999. 汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法[S], 1999.

[2] 成大先主編.機械設計手冊（第五版）第 5卷.化學工業(yè)出版社. 2008.

[3] 余志生主編，汽車理論（第三版），機械工業(yè)出版社，2000.

[4] 任衛(wèi)群. 車-路系統(tǒng)動力學中的虛擬樣機[M].電子工業(yè)出版社, 2005.

[5] 丁亞康, 翟潤國, 井緒文. 基于 ADAMS/INSIGHT 的汽車懸架定位參數優(yōu)化設計[J].汽車技術, 2011 (5): 33-36.

Calculation of Cross trench width of Off-road Vehicle

Zhu Lichao
（Anhui Jianghuai Automobile CO. LTD, Anhui Hefei 230601）

With the improvement of consumer of vehicle performance requirements, as one of the important indicators of evaluation vehicle performance steering stability for commercial vehicle has become increasingly important. Good control stability can guarantee the driver's comfort, allows the driver to safe and reliable driving a car, reduce the possibility of a road accident. This paper takes an investigation on a four-axle heavy commercial vehicle. Multi-body dynamic model and mathematical model of the vehicle are constructed. On the vehicle steering stability analysis.

Handling stability; Balanced suspension; Four axis; Multi-body dynamics

U463.1

A

1671-7988 (2017)06-99-03

朱利超，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.034