一種小型純電動越野賽車操縱穩定性仿真分析

王 競 雷 雄 鄧均成

（四川工程職業技術學院，四川 德陽618000）

小型越野賽車要在巖石、沙丘、原木、陡坡、泥濘等崎嶇地形和越野條件下安全行駛，因此對其操縱穩定性有很高的要求。良好的操縱穩定性充分體現了賽車的運動表現，保障賽車在動態項目中取得好成績。在設計階段運用多體動力學軟件ADAMS 對賽車整車操縱穩定性進行仿真分析，從而獲得賽車操縱穩定性能的相關影響因素，有效指導賽車設計的進一步優化與改進。

1 賽車整車模型建立

賽車是一個非常復雜的系統，建模時要忽略和簡化對測量目標值影響不大的零部件，通過確定各關鍵零部件的連接點位置、施加各部件之間的約束副、建立各系統之間的連接端口、編輯彈性襯套、減震器、懸架彈簧等部件的特性曲線來搭建各個子系統模型。賽車整車可簡化為前后懸架系統、動力系統、車身系統、輪胎系統、轉向系統、制動系統7 個子系統。因形體對仿真結果沒有影響，所以將車身系統簡化成一個包含車身所有質量特性參數的球體，將動力系統系統簡化成一個包含其所有質量特性參數的質點。

圖1 賽車整車虛擬樣機

將各子系統在ADAMS/Car 軟件模塊中聯結形成整車虛擬樣機，如圖1 所示。整車模型組裝過程中需要反復調試與修改，首先應對懸架系統進行調試，再對整車裝配模型進行直線行駛、轉彎行駛、加速行駛、制動行駛仿真的調試完善后，即可進行仿真分析。

2 賽車操縱穩定性仿真分析

本文以國家標準GB/T6323.6-1994 和汽車行業標準QC/T 480-1999 為參照，對賽車整車模型進行穩態回轉試驗和轉向盤轉角階躍輸入試驗仿真，并對操縱穩定性進行分析。

2.1 穩態回轉試驗仿真分析。按照國標要求，運用已建立的整車虛擬樣機仿真模型，先給方向盤一個轉角，使它在轉彎半徑為15米的圓周行駛狀態中緩慢加速，待側向加速度值達到6.5m/s2停止仿真。輸出轉彎半徑比R/R0、前后軸側偏角差值α1-α2、車身側傾角Φ 及穩定性因數K 隨側向加速度ay的變化曲線如圖2-5 所示。

圖2 R/R0隨ay 的變化曲線

圖3 α1-α2隨ay 的變化曲線

圖4 Φ 隨ay 的變化曲線

圖5 穩定性因數K 隨ay 的變化曲線

從圖2 和圖3 可以看出，當側向加速度大于0.4g 以后，因輪胎側偏特性已進入非線性區域，R/R0、α1-α2與側向加速度不再是線性關系；穩定性因素K 偏小，導致不足轉向量偏小。根據穩定性因數的計算公式：

其中，a、b 為質心到前后軸的距離，K1、K2為前后輪胎的側傾高度。因此，增大前軸荷分配比例，可以增大賽車的不足轉向度；增大后軸荷的分配比例，將會減小賽車的不足轉向度。要減小軸荷轉移的影響，可以采用斷面較寬的輪胎，提高輪胎的側偏剛度，從而提高賽車的操縱穩定性。

2.2 轉向盤角階躍輸入試驗仿真分析。參照國標要求，給賽車輸入轉角階躍，穩態側向加速度從1m/s2開始，每隔0.5m/s2進行一次試驗，直至達到3m/s2；讓賽車以試驗車速直線行駛，消除轉向盤自由行程并記錄各測量變量的零線，0.2-0.5s 后快速轉動轉向盤，達到預選位置時固定數秒，待所測變量過渡到新穩態值后停止記錄。仿真結果如圖6、圖7 所示。

圖6 左轉側向加速度（縱坐標單位g）

圖7 左轉橫擺角速度

由以上圖線可以看出，車速不變時，隨著轉向盤轉角的增大，側向加速度穩態值及橫擺角速度穩態值增大。但是根據評分標準計算出賽車的瞬態轉向特性評分值較低，賽車響應時間偏長，會使駕駛員感覺轉向遲鈍。因此，可通過采用具有更大側偏剛度的后輪輪胎、適當減小賽車的整車轉動慣量來減小響應時間值。

3 結論

3.1 穩態回轉試驗仿真結果顯示，賽車的不足轉向量偏小，可通過采用斷面較寬的輪胎、提高輪胎的側偏剛度來改進。

3.2 轉向盤角階躍輸入試驗仿真結果顯示，賽車的瞬態轉向特性評分值較低，可通過提高后輪的側偏剛度、減小整車轉動慣量來改進。