基于流入角實(shí)時(shí)變化的氣動(dòng)性對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

高璐 高磊 孫禮

摘要：? 為研究汽車受側(cè)風(fēng)影響時(shí)風(fēng)壓中心線位置對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響，在CCM+軟件中計(jì)算不同風(fēng)速和不同流入角下的氣動(dòng)力，獲得氣動(dòng)力與風(fēng)速和車速的合速度以及流入角的初始關(guān)系曲線。利用MATLAB和Adams/Car聯(lián)合仿真，搭建空氣動(dòng)力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)的雙向耦合模型，以風(fēng)壓中心線與質(zhì)心的距離為變量進(jìn)行仿真分析。結(jié)果顯示，隨著風(fēng)壓中心線由質(zhì)心前方移動(dòng)到質(zhì)心后方：在開環(huán)仿真工況中，車輛的側(cè)向位移會(huì)減小，但是如果風(fēng)壓中心線位于車輛后方超過一定的距離，車輛會(huì)在氣動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩作用下向另外一側(cè)偏移;閉環(huán)仿真工況中，當(dāng)風(fēng)壓中心線穿過車輛質(zhì)心時(shí)，由于側(cè)向力的存在，方向盤依然需要一個(gè)很小的轉(zhuǎn)角以維持直線行駛，風(fēng)壓中心線需要繼續(xù)后移以保證方向盤穩(wěn)態(tài)時(shí)的回正。

關(guān)鍵詞：? 氣動(dòng)性; 操縱穩(wěn)定性; 雙向耦合; 風(fēng)壓中心線; 流入角; 質(zhì)心; 側(cè)風(fēng); 聯(lián)合仿真

中圖分類號(hào)：? U461.1;TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

收稿日期： 2020-08-04修回日期： 2021-08-31

作者簡介： 高璐（1986—），女，安徽廬江人，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)，（E-mail） 416431884@qq.comInfluence of aerodynamics on handling stability based on

real time change of inflow angle

GAO Lu， GAO Lei， SUN Li

（CAE Department， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： To study the influence of the position of the wind pressure center line on the handling and stability of the vehicle under the influence of crosswind， the aerodynamic forces under different wind speeds and inflow angles are calculated in CCM+ software， and then the initial relationship curves of aerodynamic force with wind speed， vehicle speed and inflow angle are obtained. Using the co-simulation of MATLAB and Adams/Car， a bidirectional coupling model of air aerodynamics and vehicle dynamics is established， and the distance between the wind pressure center line and center of mass is taken as the variable for simulation analysis. The results show that， as the wind pressure center line moves from the front of the mass center to the back of the center， the lateral displacement of the vehicle will be reduced in open loop simulation， however， while the wind pressure center line is located behind the vehicle for more than a certain distance， the vehicle will offset to the other side under the yaw moment generated by aerodynamic force. In closed-loop simulation， while the wind pressure center line passes through the vehicle centroid， due to the existence of lateral force， the steering wheel still need a small angle to maintain straight driving， and the wind pressure center line needs to continue to move backward to ensure the alignment of the steering wheel in steady state.

Key words： aerodynamics; handling stability; bidirectional coupling; wind pressure center line; inflow angle; centroid; crosswind; co-simulation

0引言汽車技術(shù)的發(fā)展、新材料和新工藝的應(yīng)用，以及輕量化水平的提升，導(dǎo)致整車輪荷降低。為滿足顧客的個(gè)性化追求，汽車造型不得不在氣動(dòng)性方面作一些犧牲。這些改變均對(duì)整車操控產(chǎn)生不利影響。為研究氣動(dòng)性對(duì)整車操控的影響，實(shí)現(xiàn)在不影響整體造型風(fēng)格的前提下，提出有利于車輛穩(wěn)定性的建議，部分學(xué)者嘗試結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)研究汽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，結(jié)果表明：側(cè)風(fēng)的大小、方向和波形等變化，均會(huì)對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[1-14]。但是，這些研究只考慮風(fēng)載荷變化對(duì)汽車姿態(tài)的影響，實(shí)際上，汽車行駛姿態(tài)的變化也會(huì)反過來影響汽車側(cè)風(fēng)氣動(dòng)特性，且風(fēng)載荷距離車輛質(zhì)心的位置對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性有重要影響。本文著重于在空氣動(dòng)力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)雙向耦合、相互影響下研究側(cè)風(fēng)對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，通過提取風(fēng)壓中心線，分析風(fēng)壓中心線與車輛質(zhì)心的位置關(guān)系，改變氣動(dòng)力在Adams/Car模型中的加載位置，模擬風(fēng)壓中心線的移動(dòng)，對(duì)風(fēng)壓中心線與車輛質(zhì)心的距離進(jìn)行變量分析，為汽車造型開發(fā)提供更加準(zhǔn)確的量化建議。

1雙向耦合聯(lián)合仿真模型首先，在CCM+軟件中獲得氣動(dòng)力和力矩與車速、流入角之間的關(guān)系曲線，再將這些曲線作為二維查表，導(dǎo)入MATLAB與Adams/Car聯(lián)合仿真模型中，通過Adamc/Car輸出車速和車輛在風(fēng)場中的姿態(tài)，計(jì)算出風(fēng)速與車速的合速度和流入角，再通過查表讀取氣動(dòng)力和力矩，并施加到Adams/Car模型中，形成閉環(huán)仿真。

1.1風(fēng)場的定義風(fēng)場主要模擬城市隔離帶中間縫隙帶來的側(cè)風(fēng)井噴效應(yīng)，其定義示意見圖1。車輛沿右側(cè)車道向前行駛，同時(shí)車身右側(cè)受側(cè)風(fēng)影響，具體風(fēng)速設(shè)置見表1[15]。

1.2氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩原始數(shù)據(jù)獲取通常，車輛在側(cè)風(fēng)中直線行駛時(shí)，流入角小于30°，當(dāng)風(fēng)速為10 m/s、車速為27.7 m/s（100 km/h）時(shí)，兩者的合速度小于145 km/h。在CCM+軟件中，流入角τ取0°～30°，車速取100～145 km/h進(jìn)行計(jì)算，獲得氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩與流入角以及合速度的原始關(guān)系曲線，見圖2～7。將該曲線作為MATLAB和Adams/Car聯(lián)合仿真模型中氣動(dòng)力和力矩二維查表的原始曲線。

1.3實(shí)時(shí)流入角的計(jì)算

1.3.1坐標(biāo)系定義取車輛局部坐標(biāo)系與Adams/Car坐標(biāo)系相同，x軸指向車尾，y軸指向車身右側(cè)，z軸垂直向上。風(fēng)場絕對(duì)坐標(biāo)系為：x軸由北指向南，y軸由西指向東，z軸垂直于地面向上。以上2個(gè)坐標(biāo)系的繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均符合右手定則。

1.3.2風(fēng)速和車速的夾角車輛在風(fēng)場中受到的風(fēng)速與車速的關(guān)系示意見圖8。根據(jù)車輛在風(fēng)場絕對(duì)坐標(biāo)系中繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度θ和汽車的質(zhì)心側(cè)偏角β計(jì)算風(fēng)速與車速的夾角α，具體計(jì)算公式[15-16]見表2。α用于計(jì)算風(fēng)速和車速的合速度。

1.3.3風(fēng)速和車速合速度計(jì)算根據(jù)風(fēng)速和車速的夾角α以及車速和風(fēng)速的大小，通過余弦定理計(jì)算風(fēng)速和車速的合速度，作為聯(lián)合仿真模型中氣動(dòng)力和力矩二維查表的輸入?yún)?shù)之一。V2合=V2風(fēng)+V2車-2V風(fēng)V車cos（π-α）????? （1）式中：V車為車速;V風(fēng)為風(fēng)速;V合為風(fēng)速和車速的合速度;α為風(fēng)速與車速的夾角。

1.3.4實(shí)時(shí)流入角的計(jì)算當(dāng)車輛位于第一、四象限時(shí)，風(fēng)速與車速合速度的流入角τ等于合速度與車速的夾角減去車輛的質(zhì)心側(cè)偏角β;當(dāng)車輛位于第二、三象限時(shí)，τ等于合速度與車速的夾角加上質(zhì)心側(cè)偏角β。通過余弦定理計(jì)算合速度與車速的夾角δ，即V2風(fēng)= V2合+V2車-2V合V車cos δ???????? （2）將流入角τ作為聯(lián)合仿真模型中氣動(dòng)力和力矩二維查表的另外一個(gè)輸入?yún)?shù)，其計(jì)算公式見表3。

2單向模型說明在分析側(cè)風(fēng)影響時(shí)，單向模型假設(shè)側(cè)風(fēng)始終垂直于汽車縱向，忽略行駛中汽車質(zhì)心側(cè)偏角的存在，且車速方向?yàn)檠仄嚳v向，同時(shí)忽略汽車受側(cè)風(fēng)影響后發(fā)生橫擺而造成流入角的變化。

3仿真工況的設(shè)計(jì)

3.1角階躍工況單向模型和雙向耦合模型的差異在角階躍工況下，分析單向模型和雙向耦合模型的差異，見圖9～11。隨著時(shí)間推移，單向模型和雙向耦合模型中的橫擺角、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度結(jié)果差異越來越大，并且有隨時(shí)間增加而持續(xù)增大的趨勢(shì)。具體模型結(jié)果對(duì)比見表4。

3.2基于雙向耦合模型分析風(fēng)壓中心線和車輛質(zhì)心相對(duì)位置對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響3.2.1開環(huán)仿真時(shí)直線行駛當(dāng)行駛中的車輛受側(cè)風(fēng)影響時(shí)，評(píng)價(jià)無駕駛員干預(yù)情況下車輛的偏航程度，設(shè)定車速為100 km/h。為分析風(fēng)壓中心線位置對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，在CCM+軟件中提取風(fēng)壓中心線，發(fā)現(xiàn)車輛質(zhì)心位于風(fēng)壓線后方553 mm、上方95 mm處。想要得到具有準(zhǔn)確風(fēng)壓中心線位置的新造型非常困難，因此通過調(diào)整氣動(dòng)力在Adams/Car模型中的加載點(diǎn)模擬風(fēng)壓中線位置的變化。基于開環(huán)仿真和閉環(huán)仿真2個(gè)工況，評(píng)估風(fēng)壓中心線位置對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響。在開環(huán)仿真中，車輛行駛時(shí)風(fēng)壓中心線到車輛質(zhì)心距離對(duì)操縱穩(wěn)定性影響的分析結(jié)果見圖12。

隨著風(fēng)壓中心線后移，車輛的側(cè)向位移在一定范圍內(nèi)逐漸減小，但是當(dāng)風(fēng)壓中心線位于車輛質(zhì)心后方很遠(yuǎn)處時(shí)，車輛會(huì)在氣動(dòng)力矩的作用下向另一側(cè)偏移。

3.2.2閉環(huán)仿真時(shí)直線行駛當(dāng)行駛中的車輛受側(cè)風(fēng)影響時(shí)，評(píng)價(jià)駕駛員通過修正方向盤維持直線行駛的難易程度。閉環(huán)仿真中車輛行駛時(shí)風(fēng)壓中心線位置對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響結(jié)果見圖13。當(dāng)風(fēng)壓中心線穿過車輛質(zhì)心，即氣動(dòng)力加載點(diǎn)后移553 mm、上移95 mm時(shí)，雖然氣動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩幾乎為0，但此時(shí)側(cè)向力仍然存在，故穩(wěn)態(tài)時(shí)方向盤仍需要較小的轉(zhuǎn)角以維持直線行駛，不能回正。隨著風(fēng)壓中心線繼續(xù)后移，當(dāng)氣動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩可以平衡側(cè)向力時(shí)，方向盤穩(wěn)態(tài)角度幾乎為0，即方向盤可以回正。此時(shí)，若風(fēng)壓中心線繼續(xù)后移，氣動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩會(huì)繼續(xù)增大，導(dǎo)致方向盤需向另一個(gè)方向給定一個(gè)角度，才能維持直線行駛，

4結(jié)論提出基于流入角實(shí)時(shí)變化的空氣動(dòng)力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)雙向耦合分析方法，該方法可以更準(zhǔn)確地反應(yīng)氣動(dòng)力對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響程度。以風(fēng)壓中心線與車輛質(zhì)心的相對(duì)位置為變量，分析開環(huán)仿真和閉環(huán)仿真時(shí)氣動(dòng)力對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論。（1）隨著風(fēng)壓中心線由質(zhì)心前方移到質(zhì)心后方，開環(huán)仿真時(shí)，車輛行駛的側(cè)向位移會(huì)減小，但是如果風(fēng)壓中心線位于車輛后方超過一定的距離，車輛會(huì)在氣動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩作用下向另外一側(cè)偏移。（2）閉環(huán)仿真時(shí)，若風(fēng)壓中心線穿過車輛質(zhì)心，由于側(cè)向力的存在，方向盤依然需要一個(gè)很小的轉(zhuǎn)角維持直線行駛，風(fēng)壓中心線需要繼續(xù)后移以保證方向盤穩(wěn)態(tài)時(shí)的回正，本文模型中風(fēng)壓中心線約位于質(zhì)心后方100 mm處可實(shí)現(xiàn)方向盤的穩(wěn)態(tài)回正。文中未考慮車輛發(fā)生小角度俯仰、側(cè)傾時(shí)氣動(dòng)力的變化，而事實(shí)上車輛的俯仰和側(cè)傾也會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)力和力矩變化，可以借用相似的手段進(jìn)行綜合分析。參考文獻(xiàn)：

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