基于上坡行駛的駕駛行為規(guī)律研究

梁媛媛， 張 晶， 吳 正， 高若曼

(1.中國人民解放軍63966部隊,北京100072；2.北京交通大學 機電工程學院,北京100044)

通過分析履帶式裝甲車各典型任務的主要駕駛特點，發(fā)現裝甲車行駛地形復雜，許多任務剖面都包括上坡道路行駛[1].因此，文中將對裝甲車上坡行駛任務開展仿真研究.

駕駛員駕駛訓練是為了提升駕駛員駕駛水平，提升作戰(zhàn)效率.軍隊已有一些較為成熟的駕駛訓練指導資料，但不同裝甲車有不同的特點，現有資料不能包含所有車型的特點，如果都進行實驗研究，又將增加實驗周期，提高研發(fā)成本.GT-suite軟件不僅可以搭建發(fā)動機工作過程仿真模型和車輛行駛仿真模型，還能搭建駕駛員模塊與控制模塊，模擬駕駛員駕駛行為對車輛行駛的影響，能夠較好地滿足對駕駛員駕駛行為的研究需求.因此，文中將針對某一車型用GT-suite仿真軟件，研究駕駛員駕駛行為對車輛行駛狀態(tài)的影響情況[2-5].對上坡行駛的駕駛行為規(guī)律進行仿真研究，分析不同駕駛行為、不同車輛初始狀態(tài)對車輛行駛狀態(tài)的影響，為駕駛員駕駛訓練提供理論依據.

1 數學模型

1.1 發(fā)動機工作過程數學模型

能量守恒方程表示為

(1)

式中：m為缸內氣體質量；u為缸內氣體內能；QB為燃料在氣缸內燃燒放出的熱量；QW為氣缸各壁面?zhèn)魅牖騻鞒龅臒崃?；ms為流入氣缸的氣體質量；me為流出氣缸的氣體質量；hs為進氣門門處氣體的比焓；he為排氣門處氣體的比焓；V為氣缸工作體積；p為缸內氣體壓力；φ為曲軸轉角.

質量守恒方程表示為

(2)

理想氣體狀態(tài)方程可表示為

pV=mRT,

(3)

式中：T為氣體溫度；R為比例常數.

1.2 車輛動力學模型

基于GT-suite軟件的特點，分析車輛行駛過程中的受力情況.車輛起動后，發(fā)動機輸出的扭矩經傳動系統(tǒng)傳到主動輪，半徑為r的主動輪帶動履帶運動.地面對履帶的作用力就是驅動車輛的力，可表示為

(4)

式中：Ttq為發(fā)動機輸出的扭矩；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比；ηT為傳動系統(tǒng)機械效率.

車輛勻速行駛在平直路面時，需克服滾動阻力Ff和空氣阻力FW；當車輛行駛在上坡道路時，需要克服重力沿坡道的分力，即坡度阻力Fi；當車輛加速行駛時，還需克服加速阻力Fj.車輛行駛阻力可表示為

Fr=Ff+FW+Fi+Fj.

(5)

汽車行駛方程為

(6)

式中：G為車輛重力；f為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；δ為車輛旋轉質量換算系數，δ>1；dv/dt為車輛加速度，m/s2.

車輛爬坡能力一般指在良好路面上克服滾動阻力和空氣阻力后，驅動力的余力全部用來克服坡度阻力，即等速狀態(tài)爬坡行駛，du/dt=0，所以

(7)

因此，車輛爬坡度可由下式計算

(8)

車輛行駛過程中，除了驅動力與行駛阻力平衡，發(fā)動機功率和車輛行駛的阻力功率也相互平衡.將車輛行駛方程兩邊同時乘上車速，經變換可得到車輛功率平衡方程.當坡度較小時，cosα≈1，sinα≈tanα=i.

(9)

2 仿真模型建立及驗證

通過對比多種仿真軟件發(fā)現，GT-suite軟件不僅可以搭建發(fā)動機工作過程仿真模型和車輛行駛仿真模型，還能搭建駕駛員模塊與控制模塊，模擬駕駛員駕駛行為對車輛行駛的影響，能夠較好地滿足文中對駕駛員駕駛行為的研究需求.利用GT-suite軟件搭建仿真模型，為后文仿真研究奠定基礎.

2.1 道路模型

裝甲車依靠履帶與路面之間的相互作用獲得前進所需的牽引力，道路特性對車輛運動有著直接的影響.文中對干燥土地道路的上坡行駛任務開展仿真研究.在GT-suite中設定路面參數，搭建道路模型，同時，在車體模塊、駕駛員模塊等模塊中設定相應參數，開展不同道路條件下駕駛員駕駛行為規(guī)律研究.

2.2 發(fā)動機模型建立

在進行仿真研究時，如果將發(fā)動機工作過程仿真模型和整車行駛仿真模型耦合計算，則計算效率非常低.因此，在研究整車行駛過程時，使用發(fā)動機模塊替代發(fā)動機工作過程仿真模型.建立發(fā)動機工作過程仿真模型，調試模型使之精度達到要求.再利用該模型計算出發(fā)動機模塊所需的數據，輸入到整車仿真模型的發(fā)動機模塊中，進行整車仿真研究，可大大降低計算時間，提高研究效率.

基于發(fā)動機工作過程數學模型和發(fā)動機簡化后的物理模型，將發(fā)動機劃分為若干個系統(tǒng)模塊.在GT-suite軟件中搭建發(fā)動機的工作過程仿真模型，具體建模步驟如下：

1)將發(fā)動機氣缸模塊、曲軸箱模塊、進排氣模塊、進出口環(huán)境模塊、噴油器模塊等各個模塊從模板庫中拖拽至建模區(qū)域，將各模塊合理擺放.

2)根據發(fā)動機的工作原理，將發(fā)動機子系統(tǒng)的各個模塊依次連接起來.

3)雙擊打開各個模塊，將發(fā)動機結構參數、性能參數等輸入到各子模塊中.

4)將各個系統(tǒng)和環(huán)境條件模塊連接起來，將發(fā)動機子模塊與子系統(tǒng)集成.發(fā)動機主要技術參數如表1所示.氣缸排列方式為V型60o；進氣方式為渦輪增壓.通過調試和修改，建立發(fā)動機工作過程仿真模型.

表1 發(fā)動機主要參數

2.3 整車行駛模型建立及驗證

基于整車行駛數學模型和車輛物理模型，搭建整車行駛仿真模型.基于GT-suite軟件的特征，同時為了簡化仿真計算過程，對車輛系統(tǒng)作如下假設：①忽略傳動系統(tǒng)各個部件的彈性阻尼變化；②簡化傳動系統(tǒng)的工作過程，假設傳動軸僅傳遞轉矩；③忽略車輛系統(tǒng)行駛過程中的震動情況；④車輛系統(tǒng)各個部件均以集中質量形式出現.

搭建整車行駛仿真模型主要包含以下幾個部分：發(fā)動機模塊、傳動系統(tǒng)仿真模型、行駛系統(tǒng)模塊、制動系統(tǒng)模塊、駕駛員模塊、控制器模塊.首先,分別建立各部分的仿真模塊，然后,將各個部分依次連接起來建立整車行駛仿真模型.進行調試并與試驗數據對比進行驗證，最終將模型誤差控制在指定范圍內.

車輛的主要參數如表2所示.搭建完成的整車行駛仿真模型如圖1所示.

表2 履帶式裝甲車主要參數

圖1 整車行駛仿真模型

表3為整車仿真模型的計算值與實車試驗值對比結果.可以看出，整車行駛仿真模型精度達到要求.

表3 整車行駛仿真值與實車試驗值誤差對比

3 上坡行駛仿真研究

通過對駕駛員駕駛行為的模擬，對裝甲車上坡行駛開展仿真研究[6].其中，所研究車型的最佳動力性換擋規(guī)律，如表4所示.

表4 動力性換擋規(guī)律

3.1 低擋、低速上坡行駛

為了研究駕駛員駕駛行為對車輛行駛的影響，接下來針對不同的坡度和長度進行仿真，研究不同駕駛行為對車輛行駛的影響情況.選擇所研究車型的各擋性能參數如表5所示.

在仿真模型中設定不同的駕駛員駕駛行為參數和道路模型參數，模擬研究不同道路上的駕駛操作對車輛行駛狀態(tài)的影響.一般的履帶式裝甲車爬坡的坡度范圍在10%～25%之間，因此，針對坡度為5 %、10 %和25 %的道路開展研究.

首先，研究裝甲車1擋狀態(tài)下、以0 km/h的初速度，駛入不同坡度、長度200 m的上坡道路后的駕駛行為.具體設定參數如表5所示.

表5 道路參數與駕駛員動作參數設定

經過仿真計算得到如下結果.圖2為在5 %的坡道上車輛行駛速度與擋位變換情況.

圖2 5%坡道上擋位選擇對車輛行駛狀態(tài)的影響

從圖中可以看出，坡度為5 %時，1至3擋均可穩(wěn)定爬坡.且隨著最高擋位的升高，車輛動力性升高，完成200 m上坡路程所需時間逐漸減少.

仿真得到車輛在10 %的坡道上的行駛速度與擋位變換情況，如圖3所示.

圖3 10%坡道上擋位選擇對車輛行駛狀態(tài)的影響

坡度為10 %時，1擋和2擋均可穩(wěn)定爬坡.且隨著最高擋位的升高，車輛行駛200 m所消耗的時間越來越少，動力性越來越好.約14 s時，從2擋升至3擋，車速開始下降，到27 s時，擋位切換至2擋，車速再次上升，并開始出現換擋循環(huán)現象.出現這種情況的原因是10 %的坡度超出了3擋的爬坡能力，使用3擋時后備功率不足，發(fā)動機提供的功率不足以使車輛克服滾動阻力、坡道阻力等行駛阻力.仿真得到車輛在25 %的坡道上行的駛速度與擋位變換情況，如圖4所示.

圖4 25%的坡道上擋位選擇對車輛行駛狀態(tài)的影響

坡度為25 %時，1擋可以穩(wěn)定爬坡.2擋和3擋均出現了換擋循環(huán)情況，因為25 %的坡度超出了2擋和3擋的爬坡能力，車輛后備功率不足，發(fā)動機提供的功率不足以使車輛克服行駛阻力.

3.2 中低擋、中速上坡行駛

前文仿真了車輛在上坡起點處靜止出發(fā)，在上坡過程中逐步換擋、提速的過程.而在實際駕駛任務中，通常不會在上坡的起點處從靜止加速，而是以某一初速度駛入上坡道路.接下來，研究車輛以不同初速度、中低擋位駛入長度為100 m坡道的情況.具體的參數設定與相應算例的仿真時間，如表6所示.

表6 道路參數與駕駛員動作參數設定與仿真結果

從上表可以看出，在坡度為5%和10%的坡道上行駛，初始擋位和初始車速越高，完成起步加速至32 km/h的時間越短，車輛動力性越好.保持坡度能夠使用的最高擋位用時最短；盲目遵循動力性換擋規(guī)律的用時最長.

3.3 高擋、高速上坡行駛

車輛在高初速度、高擋位駛入長度為200 m的上坡道路時，車輛行駛狀態(tài)變化規(guī)律.參數設定如表7所示.

表7 道路參數與駕駛員動作參數設定

第1至4和5至8算例的仿真結果發(fā)現，由于坡度較小，車輛高速駛入坡道時速度降低很慢，因此，在有限的距離內未到達降擋車速不需要進行換擋操作，車輛能夠以很短的時間高速通過坡道.

第9～11算例仿真計算車輛在10%的坡道上，以32 km/h的初速度、4擋狀態(tài)駛入上坡坡道，設定不同的換擋規(guī)律，得到的車速與擋位變換情況如圖5所示.

圖5 10%坡道上初速度為32 km/h時，擋位選擇對車輛行駛狀態(tài)的影響

由仿真結果可以發(fā)現，道路坡度為10 %時，車輛動力性不足，上坡后，車速逐漸下降，因為4擋下的發(fā)動機功率不足.約22 s時，車輛速度降低到14km/h，達到了降擋車速，于是擋位切換至2擋，當保持2擋行駛時，車輛可以逐步加速至平穩(wěn)行駛；當繼續(xù)按照動力性換擋規(guī)律，切換擋位至3擋時，車速便又開始下降，并且照此趨勢發(fā)展，可能出現換擋循環(huán)的情況.

算例12～14模擬了初始速度為59 km/h在25 %坡度的坡道上的行駛情況.受坡度阻力的影響車輛速度迅速下降，并且擋位也逐漸降至3擋.但由于初始速度高，在車速還沒有到達3-2擋的降擋車速時，車輛已經行駛了200 m的距離，耗時21.36 s，所以3個算例的曲線趨勢一致，不再繪制該組算例的曲線.

第15和16算例仿真計算車輛在25 %的坡道上，以32 km/h的初速度、4擋狀態(tài)駛入上坡坡道，設定不同的換擋規(guī)律，得到的車速與擋位變換情況如圖6所示.算例17、18與算例15、16圖線非常相似，不再繪制算例17、18的曲線.

圖6 25%坡道上初速度為32 km/h時，擋位選擇對車輛行駛狀態(tài)的影響

該車型只有1擋位的爬坡度超過了25 %，因此很容易在途中發(fā)現，車輛高擋、高速駛入25 %的坡道后，車速都迅速下降，擋位逐步下降至1擋.按照換擋規(guī)律進行換擋的例子中，擋位切換至1擋后，后備功率增大，車輛速度增加，當車速增加至9 km/h時，擋位切換入2擋，但2擋的后備功率不足以為車輛提供充足的動力，因此，車速再次降低，陷入換擋循環(huán)的行駛狀態(tài).維持1擋的例子中，車輛逐漸加速，車輛受到的行駛阻力逐漸增加，當發(fā)動機提供的牽引力與車輛受到的行駛阻力相等時，車輛受力達到平衡，車輛保持穩(wěn)定車速行駛.

綜上所述，駕駛員在駕駛裝甲車上坡行駛時，應注意以下幾個駕駛操作要點：

1)以低擋、低速駛入某一坡度的坡道時，如有提升擋位的需要，注意升擋的最高擋位，不能超過該坡度能夠使用的最大擋位；

2)坡度上換擋會對車輛行駛效率有一定影響，因此，應盡量減少在上坡過程中的換擋動作；

3)如果上坡前的行駛距離足夠長，駕駛員可在上坡前加速，以較高的擋位和初速度駛入坡道，比低擋位下的加速性能更好，可以減少行駛過指定坡道的行駛時間；

4)以高擋、高初速度駛入坡道.若坡道距離短，利用慣性和高擋位的動力性足以快速駛過坡道；若坡道距離中等，利用慣性并按照換擋規(guī)律逐步降低擋位，駛過坡道；若坡道過長，車速一直下降并逐步降擋，為避免出現動力不足或換擋循環(huán)情況，則應在降至能夠爬上該坡度的最大擋位時，維持該擋繼續(xù)行駛.

4 結 論

文中用整車性能仿真軟件GT-suite建立了發(fā)動機仿真模型和整車行駛仿真模型，利用發(fā)動機模型計算得到相應數據，輸入到整車行駛仿真模型中的發(fā)動機模塊中，經過驗證發(fā)現整車行駛仿真模型精度達到要求，同時大大提高了計算效率.基于建立的整車行駛仿真模型，通過模擬不同駕駛員駕駛意圖設定換擋方式，仿真研究以不同初始車速和初始擋位駛入坡度為5%、10%、15%和25%的坡道上時駕駛員的駕駛行為規(guī)律，并分析駕駛行為對車輛行駛狀態(tài)的影響，歸納了上坡行駛時，提升車輛動力性的駕駛行為規(guī)律.能夠為駕駛員駕駛訓練提供理論參考.