一種小型純電動(dòng)越野賽車操縱穩(wěn)定性仿真分析

王 競 雷 雄 鄧均成

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽618000）

小型越野賽車要在巖石、沙丘、原木、陡坡、泥濘等崎嶇地形和越野條件下安全行駛，因此對其操縱穩(wěn)定性有很高的要求。良好的操縱穩(wěn)定性充分體現(xiàn)了賽車的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，保障賽車在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中取得好成績。在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS 對賽車整車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，從而獲得賽車操縱穩(wěn)定性能的相關(guān)影響因素，有效指導(dǎo)賽車設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。

1 賽車整車模型建立

賽車是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，建模時(shí)要忽略和簡化對測量目標(biāo)值影響不大的零部件，通過確定各關(guān)鍵零部件的連接點(diǎn)位置、施加各部件之間的約束副、建立各系統(tǒng)之間的連接端口、編輯彈性襯套、減震器、懸架彈簧等部件的特性曲線來搭建各個(gè)子系統(tǒng)模型。賽車整車可簡化為前后懸架系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)7 個(gè)子系統(tǒng)。因形體對仿真結(jié)果沒有影響，所以將車身系統(tǒng)簡化成一個(gè)包含車身所有質(zhì)量特性參數(shù)的球體，將動(dòng)力系統(tǒng)系統(tǒng)簡化成一個(gè)包含其所有質(zhì)量特性參數(shù)的質(zhì)點(diǎn)。

圖1 賽車整車虛擬樣機(jī)

將各子系統(tǒng)在ADAMS/Car 軟件模塊中聯(lián)結(jié)形成整車虛擬樣機(jī)，如圖1 所示。整車模型組裝過程中需要反復(fù)調(diào)試與修改，首先應(yīng)對懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，再對整車裝配模型進(jìn)行直線行駛、轉(zhuǎn)彎行駛、加速行駛、制動(dòng)行駛仿真的調(diào)試完善后，即可進(jìn)行仿真分析。

2 賽車操縱穩(wěn)定性仿真分析

本文以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6323.6-1994 和汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 480-1999 為參照，對賽車整車模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)仿真，并對操縱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真分析。按照國標(biāo)要求，運(yùn)用已建立的整車虛擬樣機(jī)仿真模型，先給方向盤一個(gè)轉(zhuǎn)角，使它在轉(zhuǎn)彎半徑為15米的圓周行駛狀態(tài)中緩慢加速，待側(cè)向加速度值達(dá)到6.5m/s2停止仿真。輸出轉(zhuǎn)彎半徑比R/R0、前后軸側(cè)偏角差值α1-α2、車身側(cè)傾角Φ 及穩(wěn)定性因數(shù)K 隨側(cè)向加速度ay的變化曲線如圖2-5 所示。

圖2 R/R0隨ay 的變化曲線

圖3 α1-α2隨ay 的變化曲線

圖4 Φ 隨ay 的變化曲線

圖5 穩(wěn)定性因數(shù)K 隨ay 的變化曲線

從圖2 和圖3 可以看出，當(dāng)側(cè)向加速度大于0.4g 以后，因輪胎側(cè)偏特性已進(jìn)入非線性區(qū)域，R/R0、α1-α2與側(cè)向加速度不再是線性關(guān)系；穩(wěn)定性因素K 偏小，導(dǎo)致不足轉(zhuǎn)向量偏小。根據(jù)穩(wěn)定性因數(shù)的計(jì)算公式：

其中，a、b 為質(zhì)心到前后軸的距離，K1、K2為前后輪胎的側(cè)傾高度。因此，增大前軸荷分配比例，可以增大賽車的不足轉(zhuǎn)向度；增大后軸荷的分配比例，將會(huì)減小賽車的不足轉(zhuǎn)向度。要減小軸荷轉(zhuǎn)移的影響，可以采用斷面較寬的輪胎，提高輪胎的側(cè)偏剛度，從而提高賽車的操縱穩(wěn)定性。

2.2 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)仿真分析。參照國標(biāo)要求，給賽車輸入轉(zhuǎn)角階躍，穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度從1m/s2開始，每隔0.5m/s2進(jìn)行一次試驗(yàn)，直至達(dá)到3m/s2；讓賽車以試驗(yàn)車速直線行駛，消除轉(zhuǎn)向盤自由行程并記錄各測量變量的零線，0.2-0.5s 后快速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，達(dá)到預(yù)選位置時(shí)固定數(shù)秒，待所測變量過渡到新穩(wěn)態(tài)值后停止記錄。仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6 左轉(zhuǎn)側(cè)向加速度（縱坐標(biāo)單位g）

圖7 左轉(zhuǎn)橫擺角速度

由以上圖線可以看出，車速不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增大，側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值及橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值增大。但是根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出賽車的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性評分值較低，賽車響應(yīng)時(shí)間偏長，會(huì)使駕駛員感覺轉(zhuǎn)向遲鈍。因此，可通過采用具有更大側(cè)偏剛度的后輪輪胎、適當(dāng)減小賽車的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來減小響應(yīng)時(shí)間值。

3 結(jié)論

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真結(jié)果顯示，賽車的不足轉(zhuǎn)向量偏小，可通過采用斷面較寬的輪胎、提高輪胎的側(cè)偏剛度來改進(jìn)。

3.2 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)仿真結(jié)果顯示，賽車的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性評分值較低，可通過提高后輪的側(cè)偏剛度、減小整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來改進(jìn)。