車輛操穩性對路面激勵的仿真分析

李 健，張亞岐

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430056 ）

0 引 言

車輛操穩性作為汽車最重要的性能之一，是行車安全的必要保障，且其性能優劣直接影響到駕駛員對當前車況的判斷以及車輛對駕駛員指令的執行力。汽車操穩性包括操縱性和穩定性，影響操穩性的因素主要包括懸架、傳動系統以及輪胎特性。這些因素在車輛行駛過程中相互交錯互相影響，綜合作用于車輛，且各因子間的匹配特性直接影響到各個系統的有效協同工作。通過分析，確定出影響操穩性的關鍵性因子，準確掌握這些因子間的協調關聯性，能夠為車輛操穩性能的提升提供理論依據。為全面客觀表現車輛的操穩特性，國內外研究機構進行了廣泛深入的研究。Guo Xingdong在對車輛操控特性進行理論分析的基礎上，確定出影響車輛瞬時車速、橫向力、重心位置、輪胎側偏特性、轉向系統剛度、轉向傳動比以及繞 Z軸的轉動慣量的因素，將車輛與駕駛員作為有機整體進行分析[1]。Wu Jiangyong針對四輪轉向提出結合匹配控制器的穩健車輛模型，此種控制器在改善車輛操穩性方面有優異的表現[2]。楊榮山等人考慮到車輛的運動特性，建立多體動力學模型，將車輛操穩性與平順性進行協同優化仿真，對懸架彈簧、減振器以及橫向穩定桿建立多目標優化函數，通過目標優化工具對平順性和操穩性的協同優化問題進行求解分析[3]。上述研究偏重操穩性影響因素之間的協調性，未充分考慮路面影響，而道路試驗采集到的數據均含有路面影響因子，分離出路面激勵的影響，能夠為準確確定出整車各個機構間的協同作用提供理論依據。路況較差的路面對操穩性的影響不容忽視。為此，依據常見路面激勵建立相應的不平度函數，在Carsim[4-5]中構建路譜對車輛操穩性影響的仿真控制模型，為保證前后輪對同一激勵具有同等遍歷特性，依據車速變化設定時間延遲，最終在Simulink中對典型路面激勵進行仿真，分析不同路面激勵對車輪的橫向力、車身橫擺角速度以及前后車輪側偏角差值的影響。

1 路面脈沖激勵對操穩性影響

車輪的相對動載直接影響到車輪垂直載荷的變化，由此可見，車輛受路面激勵作用時，其各個車輪的垂直載荷是動態變化的，將Carsim中路面輸入設為I/O通道，并將4個車輪處路面高程相對于參考基準面的垂直位移作為輸入，利用脈沖信號模擬道路凸起，為保證仿真過程更為逼近真實情況，依據設置的車速，換算出各個車輪通過凸起的時間，并設置時間延遲，確保前后車輪依次通過凸起，最后，將 Carsim中車輛模型導入Simulink[6-8]，在Simulink中對路面脈沖激勵響應進行仿真，仿真模型如圖1所示。

橫擺角速度對轉向盤的響應是表征車輛操穩性的指標，分析不同路面激勵下橫擺角速度變化，能夠為車輛穩態控制模型提供數據支持。圖 2是橫擺角速度仿真結果的變化曲線。

圖2中脈沖信號1的幅值為8mm，帶寬為0.1 s，脈沖信號2的幅值為16 mm，帶寬為0.1 s，車速是60km/h，車輛前后輪依次受到脈沖信號的激勵，仿真時間為13 s，1 s后兩脈沖信號對橫擺角速度的影響均為零。從圖 2可以看出，路面激勵對車輛的橫擺運動產生一定影響，隨脈沖激勵幅值的增大，橫擺角速度波動峰值也相應增大，且達到穩態所需時間更長。圖 2中曲線可以近似為線性 2自由度車輛模型的橫擺角速度瞬態響應曲線，經計算，圖2中曲線相當于轉向盤轉角發生±5°變化，而車輛變道過程中轉向盤轉角變化不大于 8°，若車輛在變道過程中受到路面脈沖激勵過大，會使車輛出現非穩態的變道，所以，在特定駕駛行為下，路面激勵對操穩性的影響變得尤為重要。

車輪所受橫向力的波動變化，直接決定了車輪抵抗橫向干擾能力的大小，若橫向力波動較大，會使車輪在某個瞬間保持恒定行駛的能力大大降低，從而使車輛的動態操穩性降低，分析橫向力對路面激勵的響應，可以為駕駛員精確操控車輛提供參考。圖3是左前輪L1在路面脈沖激勵下橫向力的變化。

圖3表明在0～0.4 s之間車輪受到很大橫向力作用，且車輪的垂直載荷與橫向力變化不同步，致使車輛在該時間段內抵抗橫向干擾能力大大下降，此過程駕駛員駕駛行為的隨意性會直接導致車輛出現非穩態。橫向力峰值隨激勵脈沖信號幅值增加而增大，橫向力達到穩態的時間小于橫擺角速度主要是由于前輪定位參數和前輪的擺振對橫向力波動具有一定的削減作用。

2 隨機路面激勵對操穩性影響

路面高程是平穩的隨機過程，路面高程的數學期望為零，因此，分析隨機路面對車輛操穩性的影響具有一定的現實意義。同樣在Simulink中建立隨機路面高程激勵下車輛運動模型，由于左右兩側車輪相距較近，可認為左右輪行駛過的路面高程相等，而路面高程對于前后車輪具有同等遍歷性，為此，對在Simulink中產生的隨機信號進行延遲，延遲時間與車速有關，設軸距為L，車速為u，則延遲時間近似為L/u。設定道路高程滿足寬帶白噪聲，能量信號是有限可積的，可用信號能量來描述，而路面隨機信號的能量是無限的，所以，不能用能量來描述，故用其功率來描述。在Simulink中是利用信號功率和采樣頻率來對噪聲進行控制，信號功率就是幅度平方積分對可積時間的平均，此處對不同功率噪聲下車輛操穩性參數（前向側偏角之差）進行分析，圖4是不同隨機路面下前后車輪側偏角差值的變化情況。

圖4中隨機路面1的功率為10-9W，隨機路面2功率為10-7W，采樣頻率為10 Hz，圖4直觀體現出隨機信號功率對車輛操穩性參數的影響，較大功率信號使前后輪側偏角差值的波動性更大，側偏角差值大部分大于 0，表明該車是不足轉向，在0～1 s內，側偏角差值為負值，此時車輛表現出過多轉向，若車輛長時間行駛在顛簸路面上，其轉向的穩定性會大大下降，所以，路面的不平度對特定工況下車輛操穩性有及其重要影響。

3 結束語

車輛操穩性作為車輛最重要的性能之一，對行車安全產生重要影響。現有的主觀和客觀的車輛操穩性評價均未考慮路面激勵影響，為此，分析不同路面激勵對車輛操穩性的影響。在Carsim中構建車輛模型，通過設定路面輸入，在Simulink中加載路面激勵信號，為保證前后輪能夠同等遍歷路面高程，依據車速設定時間延遲，并在Simulink中對典型路面激勵進行仿真分析。通過對脈沖輸入路面和隨機輸入下車輛橫擺角速度、橫向力以及前后輪側偏角差值進行分析，確定不同信號幅值和信號功率對車輛操穩性的影響。結果表明：脈沖輸入幅值和帶寬越大，橫擺角速度和橫向力的衰減速度越慢，振動峰值越高；隨機信號功率越大，前后輪側偏角差值的波動性越大。路面激勵對特定駕駛行為具有重要影響。

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