整車操縱性能仿真客觀評價體系研究

姜洪旭，王海艷

[浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 264300]

輪胎作為車輛與地面接觸的唯一部件，對整車的操縱性能有決定性作用[1]。整車的操縱穩(wěn)定性是整車廠評價輪胎性能的核心指標(biāo)之一。輪胎必須通過整車廠的整車主觀評價，達(dá)到其評分標(biāo)準(zhǔn)，才能獲得最終的技術(shù)認(rèn)可。輪胎動力學(xué)建模能力、輪胎操縱穩(wěn)定性試驗和仿真以及輪胎與整車的操縱穩(wěn)定性匹配是輪胎能否達(dá)到高端整車廠技術(shù)要求的核心技術(shù)[2-3]。

本研究根據(jù)整車評價實際工況確定科學(xué)的六分力試驗方法，建立輪胎的PAC2002模型，根據(jù)整車懸架的運動學(xué)與動力學(xué)（K&C）試驗數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)，在Carsim軟件中建立某品牌SUV整車模型；根據(jù)GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》和主觀評價試驗項目建立仿真流程，選取關(guān)鍵的客觀評價指標(biāo)并與主觀評價結(jié)果對比，以建立整車操縱性能仿真客觀評價體系。

1 輪胎模型

采用SUV車型常用的215/60R17輪胎，分別選擇國內(nèi)品牌輪胎A，B及韓國品牌輪胎C，進(jìn)行輪胎六分力試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立輪胎動力學(xué)模型。

1.1 六分力試驗方法

（1）試驗充氣壓力。根據(jù)測試車型輪胎的額定充氣壓力來確定，試驗過程中保持不變。

（2）試驗負(fù)荷。通常，在小角度轉(zhuǎn)向主觀評價時，車輛的橫向加速度不超過0.2g（g為9.80 m·s-2），在此范圍內(nèi)，輪胎負(fù)荷轉(zhuǎn)移，輪胎負(fù)荷分別是前輪靜態(tài)負(fù)荷的80%和120%。極限操縱時，車輛的橫向加速度不超過0.6g，在此范圍內(nèi)，輪胎負(fù)荷分別為前輪靜態(tài)負(fù)荷的40%和160%。

以某車型為例，該車輛前軸承重726 kg，后軸承重510 kg。前軸單輪負(fù)荷＝前軸承重/2＋駕駛員體重/2＝726/2＋75/2＝400.5（kg）；后軸單輪負(fù)荷＝后軸承重/2＝510/2＝255（kg）。

車輛橫向加速度為0.6g，則轉(zhuǎn)向前軸載荷轉(zhuǎn)移時，前輪最大負(fù)荷＝400×1.6＝640（kg），前輪最小負(fù)荷＝400×0.4＝160（kg），后輪最大負(fù)荷＝255×1.6＝408（kg），后輪最小負(fù)荷＝255×0.4＝102（kg）。前輪對車輛操縱性能的影響遠(yuǎn)大于后輪，因此確定試驗負(fù)荷時以前輪負(fù)荷為基準(zhǔn)。

據(jù)此，可確定試驗負(fù)荷分別為前輪靜態(tài)負(fù)荷的40%，80%，100%，120%和160%。

（3）試驗速度。根據(jù)平帶式輪胎六分力試驗機的試驗?zāi)芰?，綜合考慮整車使用工況，試驗速度定為80 km·h-1。

（4）縱向滑移率。通常輪胎的縱向滑移率為8%～15%時，其縱向力達(dá)到峰值，縱向滑移率為80%時，其縱向力達(dá)到穩(wěn)定?？v向滑移率達(dá)到80%時需考慮電子穩(wěn)定系統(tǒng)（如ABS）失靈時輪胎的抓著性能。本試驗縱向滑移率范圍為－80%～80%。

（5）輪胎側(cè)傾角。車輛側(cè)傾角需考慮駕駛員體重的影響及側(cè)傾角與前束角的配合，一般為0.05°～0.15°。駕駛員坐入車內(nèi)時，輪胎與地面應(yīng)該垂直。

（6）側(cè)偏角。車輛側(cè)偏角取值為0°，2°，4°。側(cè)偏角為4°時對應(yīng)的側(cè)向加速度約為0.6g。側(cè)偏角掃描范圍為－20°～20°。

（7）側(cè)偏角掃描速度。車輛操縱穩(wěn)定性試驗取小角度轉(zhuǎn)向，輪胎轉(zhuǎn)向速度約為4（°）·s-1，極限操作時為12（°）·s-1。蛇形試驗方向盤速度為90（°）·s-1，一般車輛轉(zhuǎn)向比為15～16.5，換算至輪胎轉(zhuǎn)向速度為6（°）·s-1。本試驗為減少輪胎磨損，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將側(cè)偏角掃描速度定為12（°）·s-1。

輪胎六分力試驗條件如表1所示。

表1 輪胎六分力試驗條件

1.2 試驗結(jié)果及輪胎模型

根據(jù)上述試驗方法進(jìn)行輪胎六分力測試。為了消除試驗過程中輪胎磨損的影響，每個品牌需要6條輪胎，部分試驗結(jié)果如圖1—4所示。

從圖1—4可以看出，3個品牌輪胎的側(cè)向力峰值、回正力矩以及縱向力等影響整車操縱性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存在明顯差異。

圖1 輪胎側(cè)向力與側(cè)偏角關(guān)系曲線

輪胎模型可分為純經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒗碚撃Ｐ秃桶虢?jīng)驗?zāi)Ｐ?。Magic Formula（MF/PAC模型）屬于純經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其精度取決于試驗數(shù)據(jù)及對試驗數(shù)據(jù)的處理與擬合。根據(jù)試驗結(jié)果，MF/PAC2002模型適用于描述輪胎在光滑路面上的特性，適用如下工況仿真：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、單移線和雙移線、轉(zhuǎn)向減速、不同摩擦因數(shù)路面剎車、J-轉(zhuǎn)向和類似工況、ABS剎車等。

圖2 輪胎回正力矩與側(cè)偏角關(guān)系曲線

圖3 輪胎縱向力與縱向滑移率關(guān)系曲線

本研究采用的輪胎模型為MF/PAC2002模型。

2 整車模型

整車車型為某國產(chǎn)SUV，根據(jù)整車試驗數(shù)據(jù)在Carsim軟件中建立虛擬整車模型。

整車模型系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 輪胎側(cè)向力與縱向滑移率關(guān)系曲線

圖5 Carsim軟件中整車模型系統(tǒng)

除了輪胎六分力特性，整車模型還要考慮整車質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量特性、懸架的K&C特性，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性均對整車操縱穩(wěn)定性有很大影響，懸架的K&C特性決定車輪是否有合理的前束角、外傾角變化規(guī)律，最終表現(xiàn)為橫擺角速度響應(yīng)，受多個參數(shù)（如縱向力、側(cè)向力、回正力矩、車身側(cè)傾和輪胎跳動等）影響并相互關(guān)聯(lián)[1]。

2.1 懸架的K&C試驗

懸架的K&C試驗包含多項內(nèi)容，其試驗臺如圖6所示。

圖6 懸架K&C試驗臺

試驗中對Carsim建模有意義的項目包括垂向輪胎跳動試驗、車身側(cè)傾試驗、轉(zhuǎn)向測試-發(fā)動機開、縱向力測試、側(cè)向力測試-反向加載、回正力矩測試-反向加載。

2.2 整車質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量特性

整車質(zhì)量為1 626.39 kg，整車質(zhì)心的X，Y和Z坐標(biāo)分別為－1 274.27，63.40和663.34 mm，整車?yán)@質(zhì)心X，Y和Z方向的轉(zhuǎn)動慣量分別為732.2，2 596.8和2 814.2 kg·m2，整車?yán)@質(zhì)心處任兩軸的慣性積Ixy，Ixz，Iyz分別為34.4，－81.8和26.1 kg·m2。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)

2.4 整車建模

設(shè)立整車車身參數(shù)、懸架系統(tǒng)參數(shù)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)。整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)模塊如圖7所示。

圖7 整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)模塊

3 仿真

參照GB/T 6323—2014及后續(xù)主觀評價試驗項目，進(jìn)行蛇形試驗、非國標(biāo)的變道試驗（變道試驗）、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗（包含角脈沖試驗和角階躍試驗）、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗、轉(zhuǎn)向回正性試驗、轉(zhuǎn)向輕便性試驗、轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗、轉(zhuǎn)彎試驗和橫風(fēng)穩(wěn)定性試驗。

以蛇形試驗為例，過程如下。

（1）仿真方法。行駛速度（基準(zhǔn)車速）為65 km·h-1，以駕駛員預(yù)瞄路徑方式控制車輛繞樁。蛇形布樁如圖8所示。蛇形繞樁工況仿真如圖9所示。

圖8 蛇形布樁示意

圖9 蛇形繞樁工況仿真

（2）評價指標(biāo)。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)行評價計分。

蛇形工況指標(biāo)對比如表3所示。其中，r、θ和車身側(cè)傾角越小說明蛇形試驗繞樁時的操縱性和安全穩(wěn)定性越好。

表3 蛇形工況指標(biāo)對比

從表3可以看出，輪胎A的綜合性能最好。

（3）評分計算。仿真項目客觀評價各項得分均按照Q/CT 480—1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法》計算。

橫擺角速度峰值的評價指標(biāo)（Nr）為

式中，r60為r的下限，r100為r的上限。

轉(zhuǎn)向角峰值的評價指標(biāo)（Nθ）為

式中，θ60為θ的下限，θ100為θ的上限。

蛇形試驗的綜合評價指標(biāo)（Ns）為

本試驗中，對最大總質(zhì)量不大于2.5 t的轎車、客車和貨車車型，其r60和r100分別為25和10（°）·s-1，θ60和θ100分別為60°和180°。

根據(jù)公式（1）—（3）可得仿真項目蛇形工況客觀評價各指標(biāo)得分，如表4所示。

表4 仿真項目蛇形工況客觀評價各指標(biāo)得分

采用類似方法，可得其他仿真項目客觀評價各指標(biāo)得分，如表5所示。

表5 其他仿真項目客觀評價各指標(biāo)得分

4 主觀評價及一致性驗證

主機廠目前仍以車手的主觀評價作為對輪胎操縱性能的最終評判手段。為了驗證上述客觀評價指標(biāo)的可靠性，本研究由經(jīng)驗豐富的車手進(jìn)行3組輪胎的操縱性能主觀評價試驗。

項目主觀評價得分如表6所示。仿真與主觀評價一致性驗證如表7所示。從表7可以看出，仿真與主觀評價結(jié)果的一致性良好。

表6 項目主觀評價得分

表7 仿真與主觀評價一致性驗證

5 結(jié)語

本研究建立了整車操縱性能仿真客觀評價體系，經(jīng)與主觀評價對比，具有一定的可靠性。

研究中需要注意：仿真應(yīng)盡可能與試驗條件一致，關(guān)鍵的輪胎六分力試驗工況應(yīng)與輪胎實際使用工況一致；整車模型尤其是與操縱性密切相關(guān)的懸架K&C參數(shù)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)通過試驗測量。