基于ADAMS的某重型牽引車操縱穩定性仿真分析

王俊偉，李海波

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

?

基于ADAMS的某重型牽引車操縱穩定性仿真分析

王俊偉，李海波

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：以某6×4重型牽引車為分析對象，采用ADAMS建立了整車的仿真模型，根據國標《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》，進行整車操縱穩定性仿真試驗，從不同角度反映在運動過程中的穩態響應和瞬態響應，綜合評價牽引車的操縱穩定性。同時，通過對牽引車的前懸架鋼板彈簧剛度和整車載荷等參數參數的變化，研究了不同狀態下參數的變化對操縱穩定性所造成的影響。

關鍵詞：重型牽引車；ADAMS；操縱穩定性；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.043

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-128-04

前言

隨著國內高速公路的發展，遠距離大批量的物流運輸給重型牽引車提供了巨大的舞臺，隨著客戶對車輛的安全性、舒適性越來越關注，重型牽引車逐步向高端化發展。通常，所謂的高端重型牽引車，其主要特征是載荷大、速度快、功率大、經濟性好、舒適性好為衡量標準。而重型牽引車的操縱穩定性是衡量整車舒適性的重要指標之一[1]。

本文將利用ADAMS軟件建立某重型牽引車的整車模型，根據GB/T13047《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》在ADAMS軟件中進行仿真試驗，從不同角度反映汽車在運動過程中的穩態響應和瞬態響應，綜合評價某重型牽引車的操縱穩定性[4]。

1、仿真模型的建立

利用多體系統動力學軟件ADAMS分別建立前懸架、后懸架、動力總成、轉向系統、車架、駕駛室、駕駛室懸置、輪胎等子系統，并通過“通訊器（communicators）”對各個子系統進行連接，最終建立整車的仿真模型[3]。

參數準備齊全后即可進行建模。重型牽引車的主要結構：動力總成系統、駕駛室、駕駛室懸置系統、前懸架系統、轉向系統、后懸架系統、車架、鞍座等，按照車輛各部分作用不同和建模的方便將整車分成前懸架、驅動橋、輪胎、鋼板彈簧、轉向、驅動、車架、鞍座、駕駛室、駕駛室懸置等模塊，然后建立模板，再由模板生成子系統，最后總裝成整車樣機（見圖1）。

圖1　搭建整車模型流程

2、操縱穩定性仿真分析

汽車的操縱穩定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的能力[2]。汽車的操縱穩定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個主要性能，所以人們稱之為“高速車輛的生命線”。

本文基于GB/T13047《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》，進行某重型牽引車仿真試驗，主要包括：轉向盤轉角階躍輸入轉向瞬態響應試驗、轉向回正性能試驗以及穩態回轉試驗等[6]。

2.1 轉向盤轉角階躍輸入仿真試驗

角階躍輸入試驗是為了測定汽車對轉向盤轉角輸入時的瞬態響應，是汽車瞬態閉環響應特性的一種重要試驗方法，可以綜合評價汽車行駛穩定性及乘坐舒適性。該試驗在一定程度上表現出汽車轉向運動的綜合性能。

圖2　角階躍轉向下的方向盤轉角

根據國標GB/T6323.2規定的方法：汽車處于滿載狀態，以70km/h的速度直線行駛，行駛到2秒時迅速將方向盤在0.2秒時間內從0°轉到50°，然后固定方向盤不動，直至汽車再次達到穩態，穩態側向加速度達到2m/s2，研究方向盤轉角、橫擺角速度、側向加速度和質心側偏角等隨時間變化曲線。仿真只按向左轉方向進行一次。

仿真結果曲線如圖2～圖5所示，包括方向盤轉角、橫擺角速度、側向加速度和質心側偏角。

圖3　角階躍轉向下的橫擺角速度

圖4　角階躍轉向下的側向加速度

圖5　角階躍轉向下的質心側偏角

表1　轉向盤角階躍評價結果

結論：由表1和以上幾圖可得，車速在70km/h時，橫擺角速度響應時間、橫擺角速度峰值響應時間、側向角速度響應時間均較小，橫擺角速度總方差、側向加速度總方差較小，瞬態響應時間較好，并且質心側偏角也比較小，說明某重型牽引車的瞬態響應性能良好。

2.2 轉向回正仿真試驗

轉向回正試驗是研究汽車瞬態響應特性的一種重要試驗方法，尤其是研究汽車能否恢復直線行駛能力的一種重要試驗方法，汽車的轉向回正表達了汽車的自由控制運動特性，其實質是一種力階躍輸入試驗。

按照國標GB/T6323.4規定，需要做低速回正和高速回正兩個仿真試驗。本試驗在滿載狀態下進行，仿真只按向左轉方向進行一次[6]。

（1）低速回正試驗：汽車沿半徑為15±1m的圓周行駛，調整車速，使側向加速度達到4±0.2m/s2，固定轉向盤轉角，穩定車速并開始記錄，待3s后，駕駛員突然松開轉向盤并做一標記，至少記錄松手后4s的汽車運動過程。

（2）高速回正試驗：汽車沿試驗路段以最高車速的70%直線行駛，記錄各測量變量的零線。隨后駕駛員轉動轉向盤使側向加速度達到2±0.2 m/s2，待穩定并開始記錄后，駕駛員突然松開轉向盤并做一標記，至少記錄松手后4s內的汽車運動過程。

仿真結果曲線如圖6、圖7所示，包括方向盤轉角、橫擺角速度（以下圖中實線代表低速回正，虛線代表高速回正）。

圖6　轉向回正下的方向盤轉角

圖7　轉向回正下的橫擺角速度

表2　回正試驗基本評價參數值

結論：從圖6、圖7和表2可以看出，汽車在40km/h時，殘留橫擺角速度低于下限值0.5°/s，回正時間較小；在高速70km／h時回正時間較小且殘留橫擺角速度為0.1024°/s，結果較好，高速和低速均符合國標汽車操縱穩定性指標限值與評價QC/T 480-1999的要求。

2.3 穩態回轉仿真試驗

穩態回轉特性是表征汽車操縱穩定性的一個重要的時域響應。汽車的穩態轉向特性分為三種類型：不足轉向、中性轉向和過多轉向。操縱穩定性良好的汽車應該具有適度的不足轉向特性。過多轉向汽車在達到臨界車速時會失去穩定性，有時很小的前輪轉角便會產生極大的橫擺角速度，這意味著汽車的轉向半徑極小，汽車會發生激轉而側滑或者翻車。汽車也不應具有中性轉向特性，因為中性轉向汽車在使用條件變動時，有可能會變成過多轉向特性。穩態回轉試驗就是測試汽車穩態轉向特性的一種重要試驗方法。

根據國標GB/T6323.6規定：汽車滿載，以最低穩定車速沿所畫圓周行使，達到穩定后固定轉向盤不動，緩緩連續而均勻地加速（縱向加速度不超過0.25 m/s2），直至汽車的側向加速度達到6.5 m/s2（或受發動機功率限制而能達到的最大側向加速度、或汽車出現不穩定狀態）為止，記錄整個過程。仿真只按向左轉方向進行一次。

仿真結果曲線如圖8～圖11所示。

圖8　穩態回轉下的汽車運動軌跡

圖9　轉向半徑的比R/R0與側向加速度關系曲線

圖10　前后輪側偏角之差與側向加速度關系

圖11　車廂側傾角與側向加速度關系

表3　穩態回轉評價結果

結論：從圖8、圖9可以看出，隨著側向加速度的增加，汽車的轉彎半徑也隨之增大，呈現明顯的不足轉向特性；由圖10、圖11和表3可知，該重型牽引車不足轉向度U和車廂側傾度Kφ均符合國標QC/T 480-1999要求，穩態回轉性能較好[2]。

綜上可知，通過對某重型牽引車轉向角階躍試驗、穩態回轉試驗和轉向回正試驗的仿真分析，表明該重型牽引車操縱穩定性能較好。

3、操縱穩定性若干影響因素分析

影響汽車操縱穩定性的因素有很多，此次主要選取整車前懸架鋼板彈簧剛度和整車載荷等參數，以操穩中比較典型的角階躍仿真為例，通過研究仿真曲線的變化規律，來分析這些參數的變化對汽車操縱穩定性所造成的影響程度。

3.1 前懸架鋼板彈簧剛度對操縱穩定性的影響

改變前板簧剛度進行三次仿真對比：

Original：原前板簧剛度；

increase：前板簧剛度增加20%；

decrease：前板簧剛度減少20%。

以下為仿真后對比曲線圖12～14。

圖12　前板簧不同剛度下的橫擺角速度

圖13　前板簧不同剛度下的側向加速度

圖14　前板簧不同剛度下的質心側偏角

從以上幾圖可以看出，鋼板彈簧剛度的改變對操縱穩定性有較大影響。剛度增大，橫擺角速度和側向加速度峰值和穩態值降低，同時質心側偏角減少，從而使得響應時間縮短，整車的瞬態響應性能得到提高。剛度減少，橫擺角速度和側向加速度峰值和穩態值增加，同時質心側偏角增大，從而導致響應時間延長，不利于整車的瞬態響應性能。

3.2 整車載荷對操縱穩定性的影響

Full：滿載；

Empty：空載；

以下為仿真后對比曲線圖15～16。

圖15　不同載荷下的橫擺角速度

圖16　不同載荷下的側向加速度

圖17　不同載荷下的質心側偏角

從圖15、圖16可以看出，滿載時汽車橫擺角速度和側向加速度的峰值和穩態值都比空載時大，響應時間延長，從而使車輛轉向時靈敏度降低，反應速度變慢。從圖17可以看出，滿載時質心側偏角增大，不利于汽車行駛的穩定性[5]。

綜上所述，通過分析該牽引車的前懸架鋼板彈簧剛度和整車載荷等參數對操縱穩定性所造成的影響，表明：較高的前懸架板簧剛度能夠提高整車的瞬態響應性能；汽車空載時的瞬態響應性能優于滿載。

4、結論

本文通過ADAMS軟件，搭建了某重型牽引車的整車模型，根據GB/T13047《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》進行仿真試驗，通過轉向盤轉角階躍輸入仿真試驗，轉向回正仿真試驗，穩態回轉仿真試驗，從不同角度考察了整車在運動過程中的穩態響應和瞬態響應，對某重型牽引車的操縱穩定性進行了綜合評價，為重型牽引車操縱穩定性的研究與提高提供了理論依據及技術支持。

參考文獻

[1] 余志生,汽車理論:第五版[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 王望予.汽車設計:第五版[M].北京:機械工業出版社,2009.

[3] 程軍.車輛動力學控制的模擬[J].汽車工程,1999.21(4):199-256.

[4] 陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[5] 林逸等.多剛體系統動力學在汽車獨立懸架運動分析中的應用.汽車工程.1990年第1期.

[6] GB/T13047汽車操縱穩定性指標限值與評價方法.

The Simulation Analysis Of Controllability And Stability for a Heavy-duty Vehicle Based On ADAMS

Wang Junwei, Li Haibo
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract：According to a 6×4 heavy-duty vehicle, the simulation model was established by using the software ADAMS.The handling stability simulation test was carried out based on the national standard: Criterion thresholds and evaluation of controllability and stability for automobiles, the controllability and stability of the heavy-duty vehicle was evaluated by the stationary response and transient response of the vehicle in the movement.in the end, the influence of controllability and stability was studied by the change of the parameters of the spring stiffness of the front suspension and the load of the vehicle.

Keywords:Heavy-duty Vehicle; ADAMS; Handling Stability; Controllability and Stability; Simulation

作者簡介：王俊偉，工程師，就職于江淮汽車股份有限公司。

中圖分類號：U461.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-128-04