基于虛擬樣機(jī)軟件的某商用車操縱穩(wěn)定性分析

王文磊，宋少寧，張琦，齊海超，金璐

（陜汽集團(tuán)商用車有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 概述

汽車的操縱穩(wěn)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(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[1]。本文以虛擬樣機(jī)軟件Adams 作為轉(zhuǎn)向盤階躍輸入試驗(yàn)和蛇形試驗(yàn)的平臺(tái)，根據(jù)GB_T 6323-2014 中對(duì)轉(zhuǎn)向階躍輸入和蛇形試驗(yàn)的要求進(jìn)行虛擬仿真，通過試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值來評(píng)價(jià)此商用車的操縱穩(wěn)定性。

2 基于虛擬樣機(jī)軟件MSC.Adams 的整車多體動(dòng)力學(xué)建模

2.1 模型的建立

本文根據(jù)Adams/car 提供的模板文件，新建用于某商用車仿真的整車模型，如圖1 所示，導(dǎo)入動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向、前后懸架、制動(dòng)、輪胎和車架系統(tǒng)，裝配成可用于操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的整車模型。

圖1 商用車模型

2.2 模型質(zhì)量參數(shù)修改

根據(jù)車型參數(shù)配置修改整車的硬點(diǎn)、懸架轉(zhuǎn)向的性能參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)、輪胎側(cè)偏特性、整車質(zhì)量等參數(shù)。

2.3 模型調(diào)試

整車模型的調(diào)試主要有兩個(gè)方面，第一個(gè)是保證模型可運(yùn)行，即所創(chuàng)建的模型不出現(xiàn)軟件設(shè)置錯(cuò)誤的情況，模型收斂；第二個(gè)是確保模型參數(shù)設(shè)置正確。對(duì)整車進(jìn)行一次勻速直線運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)行一般的整車模型測(cè)試。

3 轉(zhuǎn)向盤階躍輸入仿真試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

汽車以最高車速的70%并四舍五入為10 的整數(shù)倍(本試驗(yàn)取為約80km/h)直線行駛，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，以盡快的速度(起躍時(shí)間本試驗(yàn)取為約0.1s)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤并固定，直至達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。本試驗(yàn)起躍后方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)45 度，按向左和向右分別進(jìn)行，試驗(yàn)過程中保持油門開度不變[2]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間

橫擺角速度達(dá)到90%穩(wěn)態(tài)值時(shí)相對(duì)于方向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到50%階躍值時(shí)的滯后時(shí)間。

3.2.2 橫擺角速度峰值響應(yīng)時(shí)間

橫擺角速度達(dá)到峰值時(shí)相對(duì)于方向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到50%階躍值時(shí)的滯后時(shí)間。

3.2.3 側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間

側(cè)向加速度達(dá)到90%穩(wěn)態(tài)值時(shí)相對(duì)于方向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到50%階躍值時(shí)的滯后時(shí)間。

3.2.4 橫擺角速度超調(diào)量

式中：

σ是橫擺角速度超調(diào)量；r0是橫擺角速度響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值；rmax是橫擺角速度響應(yīng)最大值

3.3 時(shí)域信號(hào)記錄

利用Adams 繪制側(cè)向加速度、橫擺角速度、車身側(cè)偏角和方向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線，如圖2、圖3 所示。

圖2 左轉(zhuǎn)性能曲線

圖3 右轉(zhuǎn)性能曲線

3.4 結(jié)果評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果如下表1 所示：

表1 計(jì)算結(jié)果

由于本次試驗(yàn)為某商用車的操縱穩(wěn)定性，總質(zhì)量超過了6t，所以本次試驗(yàn)不進(jìn)行評(píng)價(jià)記分，通過上表的測(cè)量結(jié)果來評(píng)價(jià)操縱穩(wěn)定性。

4 蛇形試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

汽車以近似基準(zhǔn)車速二分之一的穩(wěn)定車速直線行駛，在進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段之前，記錄各測(cè)量變量的零線，然后蛇行通過試驗(yàn)路段。同時(shí)記錄各測(cè)量變量的時(shí)間歷程曲線及通過有效標(biāo)樁區(qū)的時(shí)間。基準(zhǔn)車速提高車速，重復(fù)以上過程，進(jìn)行多次試驗(yàn)，最高車速不超過80km/h[2]。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 蛇形車速

試驗(yàn)過程中的車速按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中L 是標(biāo)樁間距，這里取50；N 是有效標(biāo)樁區(qū)起始至終了標(biāo)樁數(shù)，這里取6，t 是通過有效標(biāo)樁區(qū)的時(shí)間。

4.2.2 平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角

試驗(yàn)平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角按式（3）計(jì)算。

4.2.3 平均橫擺角速度

平均橫擺角速度按式（4）計(jì)算。

4.2.4 平均車身側(cè)傾角

平均車身側(cè)傾角按式（5）計(jì)算。

4.2.5 平均側(cè)向加速度

平均側(cè)向加速度按式（6）計(jì)算。

4.3 時(shí)域信號(hào)記錄

根據(jù)國標(biāo)GB_T 6323-2014 中規(guī)定對(duì)標(biāo)樁間距和基準(zhǔn)車速的規(guī)定，對(duì)于總質(zhì)量小于或等于15t 的載貨類貨車，標(biāo)樁間距50m，基準(zhǔn)車速60km/h。圖4 是車速為60km/h 的一次試驗(yàn)仿真結(jié)果。

圖4 仿真結(jié)果

4.4 結(jié)果評(píng)價(jià)

按式（3）-式（6）計(jì)算在基準(zhǔn)車速下的平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、平均橫擺角速度、平均車身側(cè)傾角、平均側(cè)向加速度的值，如表2 所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

4.4.1 平均橫擺角速度峰值r 的評(píng)價(jià)計(jì)分值

按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中Nr是平均橫擺角速度峰值的評(píng)價(jià)計(jì)分值；r60取10，r100 取4。

4.4.2 平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值θ的評(píng)價(jià)計(jì)分值

按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中Nθ是平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值的評(píng)價(jià)計(jì)分值；θ60 取180，θ100 取60。

4.4.3 蛇行試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值

按下式計(jì)算：

按照式（7）、（8）、（9）計(jì)算蛇形試驗(yàn)的評(píng)價(jià)計(jì)分值，如表3 所示。

表3 評(píng)價(jià)計(jì)分值

5 結(jié)論

本文以轉(zhuǎn)向盤階躍輸入試驗(yàn)和蛇形試驗(yàn)來評(píng)價(jià)某商用車的操縱穩(wěn)定性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，該商用車的操縱穩(wěn)定性并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)向盤階躍輸入試驗(yàn)響應(yīng)時(shí)間偏大，蛇形試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)計(jì)分偏小。在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中可以通過修改懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、駕駛室、輪胎的性能參數(shù)，來提高整車的操縱穩(wěn)定性。