基于CarSim的SUV抗側翻性能優化分析方法

張東珉 韓兵安 葛建勇 趙永坡

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

據NASS 統計的1997—2011年間汽車事故數據顯示，平均每年有28.1 萬輛輕型汽車發生側翻事故，有6.2 萬人因此受傷。在所有的輕型車側翻事故中，SUV高達27%[1]。文章以某公司SUV 為研究對象，利用操穩性能相關性較好的CarSim 汽車非線性模型，以懸架彈簧剛度及輔助側傾剛度為優化變量；以優化前后汽車在脈沖工況下，最大垂向加速度差值最小作為約束條件；以汽車能通過魚鉤試驗為優化目標，對汽車抗側翻穩定性進行優化分析。在利好結果的基礎上，提出了兼顧平順性能的同時提高抗側翻性能的分析方法。

1 抗側翻穩定性評價指標

當前評價汽車防側翻能力的試驗標準與法規僅有美國49CFR Part575[1]，該法規結合在現實中兩類側翻發生的概率統計規律提出了以靜態穩定系數（SSF，輪距的一半與質心高的比值）測試為主、魚鉤試驗為輔的星級評價體系。魚鉤試驗模擬汽車駛離正常軌跡，駕駛員在慌張情況下飛快轉動方向盤，但汽車往往會因過多矯正而導致側翻。魚鉤測試中方向盤轉角隨時間變化情況，如圖1 所示。其中，方向盤最大轉角（A）為方向盤轉角系數（不同車速需要采用不同的方向盤轉角系數）與緩慢增加轉向試驗過程中，側向加速度為0.3 g時，對應的方向盤轉角的乘積。初始轉向及反向轉向時，方向盤的角速度均為720（°）/s，t1為完成首次轉向到側向加速度ay=1.5 m/s2的時間，t2=3 s，t3=2 s。

魚鉤測試中需要在不同初始車速（56～80 km/h）下記錄是否有tip-up（超過一個車輪離地大于50.8 mm）的發生。測試完成后根據測試過程中是否發生tip-up并結合SSF，選擇不同的評價函數對汽車的抗側翻性能進行評估，如圖2 所示。當在魚鉤測試中發生了tip-up 時，該車的側翻概率按照式（1）計算：

若魚鉤測試中未發生tip-up，該車的側翻概率按照式（2）計算：

當側翻概率≤10%時，該車的抗側翻評級為5 顆星，當10%＜側翻概率≤20%時，該車的抗側翻評級為4 顆星，以此類推，當側翻概率＞40%時評級則為1 顆星。

2 基于CarSim和Isight的聯合仿真分析

2.1 CarSim模型搭建

文章應用某公司操穩性能相關性較好的CarSim整車模型，包括懸架模型、動力總成模型、輪胎模型及整車參數。此動力學模型在穩態回轉工況下與試驗對比，其精度為90%，部分結果，如圖3 所示。

2.2 優化平臺搭建

CarSim 是開放接口的動力學仿真軟件，因此，優化平臺的搭建可以采用專業的優化軟件Isight 通過接口技術集成CarSim 來實現；CarSim模型進行魚鉤仿真時，仿真工況按照其試驗標準進行設置。由于研究的SUV通過脈沖路面時一般以30 km/h 的車速通過，為減小優化次數，文章僅選擇30 km/h 的車速通過脈沖路面的仿真工況進行平順性仿真[2]。系統仿真框架，如圖4 所示。

2.2.1 設計變量的選擇

汽車抗側翻穩定性與汽車的質心高度、輪距及側傾剛度相關，而側傾穩定性能又與輪胎剛度、減震器阻尼、懸架彈簧剛度、輔助側傾剛度及車架剛度等有關。所以汽車的質心高度和輪距在汽車抗側翻穩定性起到決定性的作用[3]。但由于汽車在實際開發過程中，質心高度和輪距對整車影響廣泛且不易改變，而懸架彈簧剛度、輔助側傾剛度及減震器阻尼可通過實車調校的方法來提高其抗側翻穩定性[4]。因此文章選擇前后懸架彈簧剛度和前后輔助側傾剛度作為優化變量。

由于不改變質心及輪距，即SSF 在優化過程中為一常數，對比式（1）和式（2）可以發現，如果在仿真過程中該車不出現tip-up，即測試汽車能順利通過魚鉤測試，表明其抗側翻穩定性較高。因此，文章選擇使用該車在魚鉤仿真過程中所有車輪的最大離地間隙不大于50.8 mm 作為優化目標，即：min（Z－Rtire）。

式中：Rtire——輪胎的自由半徑，mm；

ZFL，ZFR，ZRL，ZRR——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪輪心距地面的高度，mm。

2.2.2 約束條件

通過改變懸架彈簧剛度、輔助側傾剛度及減震器阻尼提高汽車的抗側翻穩定性的同時，會導致汽車平順性變差。因此需要該車的平順不發生較大的變化作為約束條件。

為保證抗側翻穩定性優化后汽車的平順性不會因此發生較大的變化，文章選擇汽車以30 km/h 的車速通過脈沖路面時，最大垂向加速度變化最小為約束條件。

3 優化結果分析

優化結果相關性分析，如圖5～10 所示.

優化前后各主要參數變化情況，如表1 所示。

表1 優化前后汽車主要參數變化情況

對比表1 發現，優化前該車在魚鉤測試中的所有車輪的最大離地間隙為54 mm，側翻概率為49.13%，抗側翻性能評價為1 顆星；優化后最大離地間隙為30 mm，側翻概率為13.82%，抗側翻評價為4 顆星。優化后其質心位置的最大加速度相比優化前增加了0.96%，這種變化對汽車平順性的影響較小，在可接受范圍內。

4 結論

文章以汽車能通過魚鉤試驗為優化目標對汽車抗側翻穩定性進行了優化。通過優化，該車的側翻概率小于13.82%，以30 km/h 通過脈沖路面時質心位置的最大垂向加速度增加了0.96%。經過優化，該車同時滿足了抗側翻穩定及平順性的要求。