基于AMESim乘用車轉向制動穩定性分析

崔淑華，馬良琳，王憲彬

(東北林業大學，交通學院，哈爾濱 150040)

基于AMESim乘用車轉向制動穩定性分析

崔淑華，馬良琳，王憲彬

(東北林業大學，交通學院，哈爾濱 150040)

當車輛在彎道制動時，由于制動力矩過大，輪胎與路面間的摩擦力難以克服離心力，車輛失穩將導致安全事故發生。本文基于AMESim建立車輛模型，以車輛行駛橫擺角速度和質心側偏角作為評價指標，進行車輛轉向制動的動力學分析。在固定半徑和制動車速行駛工況下，仿真分析了車輛的臨界制動力；在固定制動力矩和轉向車速工況下，仿真分析了轉向盤的臨界轉角。研究結果表明：制動力、轉向盤轉角等均對車輛轉向制動的穩定性產生影響，超過臨界值，車輛將失去穩定性。

彎道制動；AMESim；臨界制動力；臨界轉角

0 引言

高速行駛的車輛在遇到彎道路況時，駕駛員前方視野較小，為了確保車輛的行駛安全通常會采取制動。在離心力和制動力共同作用下，車輛的動力性發生變化，使其偏離原來的行駛軌跡，影響了車輛的行駛安全性及穩定性[1-3]。在轉向緊急制動時，制動力矩過大，車輛的離心力大于地面附著力，容易造成甩尾側滑等不安全現象[4-6]。由于車輛轉向制動對行車安全尤為重要，本文選用乘用車為研究對象，對車輛轉向制動的動力學特性及車輛瞬時狀態參數的變化進行研究，進而得出能反映車輛彎道制動行駛的狀態參數。通過仿真，分析在固定轉彎半徑和制動車速工況下的臨界制動力；固定制動力矩和車速時的轉向盤臨界轉角。

1 仿真模型建立

AMESim工程系統仿真建模需要經過草圖搭建、子模型匹配、參數設定建立仿真模型[7-9]，本文建立的乘用車仿真模型如圖1所示。該模型主要有制動、驅動、轉向、懸架、后處理及路面系統等。制動系統中將液壓缸的最大壓力設為330 kPa；發動機的最大輸出轉矩為300 N.m；轉向系統中的傳動比為16；懸架系統中非線性特性的影響忽略；后處理系統主要負責數據的采集；路面附著系數設為0.7，更接近真實的干瀝青路面。車輛的運行參數在該模型設定的仿真條件下進行求解。求解獲得的參數將以數值、圖像或者以某特定的文件格式輸出，以便于處理不同研究目的下的車輛動力學仿真結果。

圖1 整車仿真模型Fig.1 The simulation model of vehicle

2 車輛轉向制動的動力學分析

2.1 “魔術公式”輪胎模型

“魔術公式”輪胎模型與實測的輪胎參數曲線都有較好的吻合，以致于大部分學者將它作為一個標準與其他模型進行對比分析。該模型通過試驗數據擬合得到的公式與輪胎試驗數據相比較，結果吻合較好，可以表達不同驅動下的輪胎特性[10]。廣泛使用的“魔術公式”輪胎模型表達式為[11]：

y=Dsin[Carctan{bx-E(Bx-arctanBs)}]。(1)

Y(X)=y(x)+Svx=X+Sh。

(2)

式中：Y為輸出變量縱向力Fx或側向力Fy；X為輸入變量側偏角α或縱向滑移k；B為剛度因子；C為形狀因子；D為峰值因子；E為曲率因子；Sh、Sv為水平、垂直偏移(考慮輪胎有初始側偏角時的原點偏移)。

原點并“魔術公式”輪胎模型會產生一條曲線y(x)，該曲線通過逐漸遞增達到最大值后開始趨于水平。當系數B、C、D、E的值給出，得出的曲線呈現出關于原點不對稱的形狀。此時，由于側偏力、滾動力等作用，使得Fx和Fy曲線不能通過原點，出現偏移量Sh、Sv。該公式得到的曲線與實際得到的側向力Fy和縱向力Fx的曲線匹配較好[12-14]。

2.2 車輛轉向行駛的動力學分析

車輛在彎道轉向行駛時，輪胎與地面間的切向力可保證車輛向前行駛，與車輛行駛方向垂直方向上存在一個法向力，實現車輛的轉向行駛。車輛在轉向制動時，產生的側向加速度可表示為：

(3)

式中：an為側向加速度；vx為車輛行駛速度；R為轉彎半徑。

因此，作用在車輛上的總離心力為：

Fn=man。

(4)

式中：Fn為離心力；m為車輛總質量。

輪胎與地面間的法向力平衡掉車輛上的離心力，從而使車輛以一定的速度在預定的彎道上行駛[15]。地面的摩擦系數和輪胎側偏特性是該法向力的主要影響參數。若地面摩擦系數足夠大，則車輛轉向行駛的最大安全速度由輪胎側偏特性決定。

2.3 車輛制動受力分析

車輛制動指駕駛員在車輛行駛過程中，通過踩踏制動踏板使制動器工作，進而使車速逐漸降低甚至車輛停下來的過程[16-17]。車輛制動時，駕駛員通過踩制動踏板使摩擦片與制動器間產生一個與車輪轉向相反的力矩，此力矩使輪胎與地面之間產生的與車輛行駛方向相反的力為地面制動力[18]。若地面附著系數足夠大時，地面制動力可表示為：

(5)

式中：FXb為地面制動力；T為摩擦力矩；r為輪胎滾動半徑。

3 乘用車轉向制動臨界制動力分析

本文建立了前輪驅動的乘用車模型，仿真條件為：氣候條件為無風，轉彎半徑設置為200 m。本文為研究車輛轉向制動時的臨界制動力，將地面附著系數條件固定，為更接近真實路面，因此將地面附著系數設為0.7，選用跟蹤方法進行控制分析。車輛行駛車速為65 km/h時，制動踏板力逐步增加，當制動踏板力由20 N增加到22 N時，車輛的質心側偏角和橫擺角速度的變化較為明顯，所以選擇20、21、22N三個制動踏板力作為試驗數據，進行仿真分析。車輛在轉彎制動時，若初始速度較大，但由于制動力矩和輪胎側偏的共同作用，車輪的滑移率逐漸增大，即使施加的制動力較小也會使車輛很快失去穩定性，得出的車輛質心側偏角和橫擺角速度的曲線變化如圖2和圖3所示。

圖2 車速65 km/h質心側偏角變化曲線(固定彎道半徑)Fig.2 The changing curve of sideslip angle at the speed of 65 km/h (fixed corner radius)

從圖2和圖3看以看出，車輛在半徑為200 m的彎道上以65km/h的速度轉向行駛，當制動踏板力為20 N時，車輛的質心側偏角和橫擺角速度都接近于0且隨時間變化的幅度很小，說明此時車輛處于穩定狀態；當踏板力增大到21 N時，車輛的質心側偏角和橫擺角速度的變化趨勢與20 N時相似；當制動踏板力增大到22 N時，車輛的質心側偏角和橫擺角速度呈大幅度波動，表明車輛的不穩定性不斷增大，這時車輛處于失穩狀態。因此在車速為65 km/h時，21 N接近臨界制動踏板力，此時作用在制動器上的制動力為432 N。

圖3 車速65 km/h橫擺角速度變化曲線(固定彎道半徑)Fig.3 The changing curve of yaw rate at the speed of 65 km/h (fixed corner radius)

在車輛行駛彎道半徑固定的條件下，當制動踏板力小于臨界值時，車輛處于穩定行駛狀態，制動踏板力大于臨界值時，此時的地面制動力已達到峰值，無法滿足車輛制動和沿著彎道行駛的需求，車輛出現失穩現象。

4 乘用車轉向盤臨界轉角的分析

在制動力固定的條件下，分析轉向盤轉角對車輛穩定性的影響。車輛作用在制動盤上的制動力矩設為450 N·m；地面附著系數設為0.7；仍將橫擺角速度和質心側偏角作為輸出結果。車輛行駛車速為65 km/h，經過仿真試驗可得，車輛轉向盤轉角從11°增加到13°時車輛的質心側偏角和橫擺角速度的變化較為明顯，所以選擇11°、12°、13°這三個轉角作為試驗數據，進行仿真分析。車輛在轉彎制動時，若初始速度較大，但由于路面附著系數和輪胎側偏特性的共同作用，即使轉向盤轉角較小，也會使車輛很快失去穩定性。得出的車輛質心側偏角和橫擺角速度的曲線變化如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5分析可見，車輛以65 km/h速度進行轉向制動時，在車輛轉向盤三種轉角條件下均施加制動力，從車輛的質心側偏角和橫擺角速度變化曲線中可以分析出，車輛轉向盤轉角為11°和12°時，質心側偏角和橫擺角速度接近于0且隨時間變化幅度很小，車輛處于平穩狀態，當車輛轉向盤轉角為13°時，質心側偏角和橫擺角速度呈大幅度波動，車輛處于失穩狀態，因此車速為65 km/h時，12°為接近臨界轉向盤轉角。

在制動力固定的工況下，高速轉向制動和過大的轉向盤轉角，將使車輛失去穩定性。

圖4 車速65 km/h質心側偏角變化曲線(固定制動力矩)Fig.4 The changing curve of sideslip angle at the speed of 65 km/h (fixed braking torque)

圖5 車速65 km/h橫擺角速度變化曲線(固定制動力矩)Fig.5 The changing curve of yaw rate at the speed of 65 km/h (fixed braking torque)

5 結論

本文對車輛轉向制動穩定性進行了仿真分析，分析結果表明：汽車在轉彎制動工況下，車速較高時，車輛對制動力矩和轉向盤轉角的變化都非常敏感，較小的制動力或轉向盤轉角都會對車輛的穩定性產生影響，存在使車輛失去穩定性的臨界值。若制動和轉向兩種操作同時作用會使車輛發生側滑、甩尾現象，甚至引發嚴重的交替事故。因此，從駕駛操作上應避免緊急轉向制動，同時應提高車輛穩定性控制能力。

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Stability Analysis of the Steering and Braking forthe Passenger Vehicle Based on AMESim

Cui Shuhua，Ma Lianglin，Wang Xianbin

(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The friction between tire and pavement is difficult to overcome the centrifugal force due to the large braking torque when the vehicle is in cornering braking，and thus the vehicle instability will lead to accidents.This study established a vehicle model based on AMESim.Vehicle yaw rate and sideslip angle were used as the evaluation indexes to conduct dynamics analyses of the vehicle steering and braking.Under the condition of braking speed and fixed radius，the critical braking force of the vehicle was simulated and analyzed.The critical angle of steering wheel was simulated and analyzed under the condition of steering speed and fixed braking torque.The results showed that braking force and steering angle of vehicle have effects on the stability of steering and braking，and the vehicle will lose stability if they exceed the critical value.

cornering braking；AMESim；critical braking force；critical steering angle

2016-12-02

黑龍江省自然科學基金項目(E2015052)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2572015CB15)

崔淑華，碩士，教授。研究方向：汽車節能減排技術的研究。E-mail：csh1218@163.com

崔淑華，馬良琳，王憲彬.基于AMESim乘用車轉向制動穩定性分析[J].森林工程，2017，33(3)：100-103.

U 463.4

A

1001-005X(2017)03-0100-04