某高端載貨汽車的操縱穩定性能仿真分析與調校

楊祥利井廣紅沈磊尹春華宣晨陽

（1.南京依維柯汽車有限公司；2.南京汽車集團有限公司南汽研究院）

某高端載貨汽車的操縱穩定性能仿真分析與調校

楊祥利1井廣紅1沈磊2尹春華1宣晨陽1

（1.南京依維柯汽車有限公司；2.南京汽車集團有限公司南汽研究院）

針對某新開發的載貨汽車試制樣車操縱穩定性能指標低于設計目標問題，應用ADAMS軟件建立了其動力學模型，對其操縱穩定性能進行仿真分析。結合主觀評價試驗，建立了參數化板簧模型，利用相關性分析技術對板簧弧高等參數進行調校。試驗結果表明，調校后該車操縱穩定性能指標有較大提升，達到了高端載貨汽車的設計要求。

1 前言

為適應城際物流對高端品牌載貨汽車的要求，遵照Benchmark理念參考對標車型開發了中體、寬體6t載貨汽車。其中最重要的一項設計目標就是提升操縱穩定性，不僅要使其滿足試驗評價方法QCT480-1999[1]要求，同時還要滿足駕駛員的主觀感受要求。

傳統新車型設計方法是先完成新車型的開發與設計,搭建試驗樣車,然后對樣車按照GB/T 6323-2014[2]進行道路試驗,將采集到的數據進行擬合處理，并進行性能計分評價。一旦性能不能滿足要求，需要設計工程師根據經驗重新調整設計參數，重新搭建樣車并組織試驗。這種方式費時費力，無法滿足現代汽車產品開發需求。底盤調校工作基于對車輛性能的主觀評價，包括前期競品車性能分析、目標設定以及后期實車調試工作[3]等。作為一種先進的開發手段，該工作已經在乘用車生產企業普遍應用。本文運用車輛動力學軟件ADAMS對某載貨汽車進行了仿真分析，對其操縱穩定性進行計分初評。分析和樣車試驗均表明，該車穩態回轉性能明顯低于對標車型。由于車輛懸架硬點和各系統布置已經確定，不便修改，因此，結合主觀評價試驗，利用相關性分析技術對其板簧懸架參數進行了調整優化，最終達到提升操縱穩定性的目的。

2 整車操縱穩定性初步仿真分析

對汽車操縱穩定性影響較大的3個主要因素是整車質心位置、輪胎側偏特性和懸架剛度及其導向機構。由于設計要求，整車質量和質心參數不可修改。另外，該車仿真數學模型采用Pacejka魔術公式，輪胎參數從臺架試驗測量并通過參數識別方法獲取，費用很高，也不能更改。相對而言，鋼板彈簧懸架系統為自主開發，其修改和樣件試制比較容易實施，因此本文重點討論鋼板彈簧懸架的建模及分析。

2.1 前后懸架建模

前后懸架彈性元件均由多片板簧組成。前懸架彈性元件為單副板簧，后懸架設計為主副簧結構，以適應不同裝載質量要求。

設計之初已經考慮了板簧導向作用對操縱穩定性的影響，將前板簧設計成平直姿態，如圖1所示。將后板簧設計成前低后高的姿態，如圖2所示。

與前后板簧都是平直布置相比，后板簧前低后高布置時，轉向時由于車身側傾，左、右后輪中心將沿著圖3a所示虛線圓弧分別做上、下運動，而前、后軸側偏角之差會增加一個水平面內的軸轉角θr，如圖3b所示，這樣就保證了車輛有良好的不足轉向特性[4]。

由于ADAMS軟件建模功能限制，所建板簧為矩形截面，與真實板簧截面有微小倒角差異，板簧剛度計算結果比試驗結果大10%。而板簧剛度計算時，也需要考慮修正系數η（η=90%）[5]，因此，根據板簧剛度試驗結果，對所建板簧模型的轉動慣量進行了調整，將截面轉動慣量乘以修正系數η，保證了板簧剛度計算值與試驗值一致。

2.2 整車模型操縱穩定性仿真與樣車試驗

獲取整車硬點坐標和各子系統參數，建立各子系統模型，并和懸架系統裝配成整車動力學模型如圖4所示。該模型是根據汽車工程手冊[6]估算了整車質心坐標系的轉動慣量后所建立的整車模型。

根據GB/T 6323-2014描述的試驗方法，編制了適用于各工況的驅動文件，對該車進行穩態回轉、轉角脈沖、轉角階躍、轉向回正和轉向輕便性等性能仿真計算。

同時，在定遠試驗場，對樣車和競品車的操縱穩定性進行了5輪試驗并進行打分比較。打分結果表明，樣車少部分指標略超過了競品車型，其他大部分重要指標均低于競品車型。表1為操縱穩定性主觀評價的平均分值對比，受篇幅限制，只列出部分指標。

表1 操縱穩定性指標試驗平均分值對比

表1中圈注的數據表示該指標未達到設計要求，與競品車型相差較大，需要重點關注。

樣車的評分結果和仿真計算趨勢一致，絕大部分評分也相差不大，其主要原因是轉向系統、各類襯套特性都做了臺架試驗，仿真模型較精確反映了物理樣機的操縱穩定性。

3 操縱穩定性相關性分析

仿真和試驗結果表明，現有樣車的操縱穩定性低于競品車。考慮成本和上市周期限制，對懸架系統板簧參數進行優化分析和調校，以達到超越競品車的指標要求。為最快找出優化方案，分析板簧各主要參數對操縱穩定性的影響程度，應用相關性分析技術對操縱穩定性進行耦合分析。

3.1 板簧參數化模型

板簧建模是整車模型中的難點，合理簡化是正確建模的關鍵。ADAMS軟件中的LeafSpring工具基于Beam梁理論，建立的板簧模型由若干小段梁單元拼接而成，精度很高，但自由度多，不便用于優化計算。為進行優化分析，可以將板簧簡化為3-link模型[7～9]。

板簧建模需要同時考慮三向剛度和導向運動軌跡，用文獻[10～13]中介紹的方法，SAE 3-link板簧簡化模型如圖5所示。圖中，L為鋼板彈簧主片弧長，m為U形螺栓前部無效長度，n為U形螺栓后部無效長度，a為鋼板彈簧前半部分弧長，b為鋼板彈簧后半部分弧長，c為吊耳長度。

模型將板簧總成簡化為3個通過旋轉鉸或彈性襯套相連的連桿，旋轉鉸中加入力元描述板簧的承載特性。模型中的幾何參數由以下公式確定:

根據試驗得到的板簧名義剛度特性，通過迭代方法調整彈簧阻尼器的參數獲取襯套剛度和阻尼參數[10]，最終建立的后懸架板簧模型如圖6所示。

3.2 相關性分析

文獻[15]創建了設計變量和目標值的平行坐標圖，可通過改變變量和目標值范圍來縮小滿足條件解的范圍。用相關性矩陣圖給出了各設計變量、目標值之間線性相關系數，分析了各設計變量對目標值的影響程度。

根據上述思路，選取設計變量和目標參數列于表2，應用相關性分析方法，運用Mode Frontier軟件與Adams/ Car聯合仿真手段，對該車進行迭代仿真。

表2 設計變量和目標參數

根據隨機振動和相關性分析理論，對輸入變量和輸出變量進行了相關性分析，圖7輸出了所有變量之間的相關系數矩陣。圖7中，相關系數矩陣右上三角每個元素中每個小點表示每次迭代過程中各隨機變量的值，對角線表示該隨機變量的概率密度函數，左下三角為兩個變量之間的相關系數。

相關系數計算公式為:

式中，μX與μY分別為隨機變量X、Y的均值；σX與σY分別為X、Y的方差；E[X]表示變量X的數學期望。

相關系數取值范圍是[-1,+1]，-1表示負相關，+1表示正相關。相關系數的值越大，表示其對操縱穩定性的影響越明顯。

從圖7的相關系數矩陣可以看出，后簧弧高、前簧預載、前簧吊耳長度、后簧剛度、副簧剛度和后簧吊耳位置對操縱穩定性指標有較大影響。而后簧吊耳長度和前簧剛度則對操縱穩定性指標幾乎無影響。

3.3 優化方案的選取

根據板簧參數和性能指標之間的相關系數，選擇對操縱穩定性影響較大的板簧參數進行DOE分析，從中選出最優參數作為該車調校方案的基準，優化前、后各參數如表3所列。

表3 設計變量初始值與優化值

4 調校方案的試驗驗證

為了驗證分析結果的正確性，確定分析方案的可行性，在定遠試驗場進行了整車操縱穩定性試驗。根據試驗車輛要求，試驗前對儀器設備進行了預熱，同時以一定的側向加速度行駛一段時間以對輪胎進行預熱。

主觀評價試驗由國外評車專家根據自己的駕乘經驗對車輛進行操控完成，對每項測試指標進行計分。最終的調校結果與競品車評分對比如圖8所示。

調校后，側向加速度、車身側傾角、響應線性化、轉彎響應指標均優于競品車型，不足轉向、側傾/俯仰控制指標已達到競品車型水平，不平路面直線保持指標略低于競品車型水平，穩態回轉和瞬態轉向兩項綜合指標達到不低于競品車型的要求。

5 結束語

本文建立的整車動力學模型是車輛操縱穩定性提升的基礎，板簧參數化建模是調校的關鍵。通過試驗驗證、相關性分析和主觀評價對板簧參數進行優選，顯著提升了車輛的操縱穩定性。結果表明，應用動力學模型聯合仿真和主客觀試驗測評相結合的方法，可以為底盤調校工作提供重要的技術支持。

1 QCT480-1999.汽車操縱穩定性指標限值與評價方法.

2 GB/T6323-2014.汽車操縱穩定性試驗方法.

3 孫福祿，朱建勝，趙壁凌等.某車型底盤調校樣件規格設定淺析.農業裝備與車輛工程，2013，（10）：12～14,22.

4 余志生.汽車理論.北京：機械工業出版社，2009.

5 王霄峰.汽車底盤設計.北京：清華大學出版社，2010.

6 汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊（試驗篇）.北京：人民交通出版社，2001.

7 Michael Blundell，Damian Harty.Multibody Systems Ap?proach to Vehicle Dynamics.New York，USA，2004.

8 SAE Hs-788 Spring Design Manual，Pan I：Design and Ap?plication of Leaf 8prings.Warrendale，Pennsylvania：society of Automotive Engineers Inc，1982

9 Adams2010 truck help.

10 齊海政.高品質商用車動力學建模關鍵問題研究：[學位論文]，吉林：吉林大學，2011.

11 侯宇明.商用車板簧建模及整車性能指標分解與綜合關鍵技術研究：[學位論文]，湖北：華中科技大學，2011.

12 景立新，郭孔輝，盧蕩.鋼板彈簧三連桿模型參數辨識研究.汽車技術，2010，（12）：10～13,54.

13 李凌陽，張云清，覃剛等.鋼板彈簧建模方法研究.汽車工程，2013，（7）：660～666.

14 姜吉光，王登峰，蘇麗俐等.車內噪聲品質偏好性主客觀評價及相關性分析.汽車技術，2012，（8）：6～10.

15 Zhao Zheng，Wu Shenrong，Wang Yajun.Optimization of Front Rail Based on Energy Management.The 9th Int.Fo?rum of Automotive Traffic Safety（INFATS）.Changsha，China.December 2011：（66～71）.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

Simulation Analysis and Adjustment of Handling Stability for A High-end Truck

Yang Xiangli1,Jing Guanghong1,Shen Lei2,Yin Chunhua1,Xuan Chenyang1
（1.NAVECO Automobile Co.,Ltd;2.Nanjing Engineering Research Institute,Nanjing Automobile Group Co.,Ltd）

Handling stability of a newly developed truck prototype is inferior to the design objective,to solve this problem,we build the dynamics model using ADAMS software and simulate its handling stability.According to the results of subjective evaluation test,we establish a parameterized leaf spring model,and use correlation analysis technology to adjust the leaf arc height and other parameters.Test result shows that,after adjustment,the handling stability of this truck is improved significantly and meets the design requirements.

Truck,Handling stability,Leaf Spring,Correlation Analysis,Adjustment

載貨汽車 操縱穩定性 板簧 相關性分析 調校

U461.6

A

1000-3703（2015）07-0010-04