基于Trucksim的汽車操縱穩定性仿真分析

呂鯤鵬，祝午豪

基于Trucksim的汽車操縱穩定性仿真分析

呂鯤鵬1，祝午豪2

（1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266217）

汽車操縱穩定性研究對于保障車輛的行駛安全意義重大。文章基于Trucksim仿真平臺，依據車輛具體設計參數構建合理的客車模型，在整車參數化建模后，從中選擇四項與車輛側翻密切相關的試驗進行仿真驗證，仿真結果符合預期、精度較高，各項參數指標符合相關規定和行車安全要求。深入研究分析仿真結果后得到各個參數對車輛操縱穩定性的影響。正確使用Trucksim仿真軟件對前期的開發和后期的試驗驗證有著積極正向的指導意義。

Trucksim；操縱穩定性試驗；整車模型；仿真平臺

車輛的操穩性是客車尤其高速行駛的客車產生側翻的最直接的影響因素，可靠的車輛操穩性能在車輛高速行駛或轉彎時降低車輛的不穩定性和乘客及司機的不適感，因此，客車對操作穩定性的要求非常高。

我國在汽車動力學虛擬仿真方面的研究時間較晚，但研究成果卻不少。由長安大學建立的道路交通運輸工程虛擬仿真實驗室，利用虛擬仿真平臺，結合汽車試驗場的優勢資源，對“人-車-路”系統、汽車整車試驗進行仿真研究[1]。劉喜東為了分析轉向速度對汽車的操穩性的影響，推導出轉向系統輸入的前輪轉角信號與相應輸出之間的傳遞函數矩陣[2]。基于長安大學虛擬試驗平臺，魏朗、陳濤等人發明了汽車四輪主動轉向操縱控制系統，可以有效地改善四輪汽車轉向時的操縱性問題[3]。申福林開發出了大客車側傾穩定性試驗仿真評價軟件。王建鋒等人開發出了汽車操縱穩定性數據處理系統。

操縱穩定性的虛擬仿真試驗能夠在不同環境下實現整車模擬的全過程[4]，根據各項參數調整演算車輛操縱穩定性，可以節約資源，在不方便進行實際測試的極限情況下進行模擬試驗，有較大的試驗價值和經濟意義。

1 汽車操作穩定性試驗方法

汽車操縱穩定性從兩個方面來研究。一是用車輛收到駕駛員指令后轉向系統響應的準確程度來表征的穩定性。二是用當汽車受到路面平整度、橫風等外部因素干擾時，自身的穩定性及恢復原始行駛姿態的能力來表征的穩定性。

選擇轉向轉角階躍試驗、轉向轉角脈沖試驗、蛇形試驗及穩態回轉試驗這四項試驗可較為全面地評價汽車操縱穩定性能，適用于多種可在公路、城市道路上行駛的車輛。本文進行操穩性試驗的車輛屬于二軸的M類車，適合本文選擇的研究試驗方法。

2 操縱穩定性仿真試驗

2.1 轉向盤轉角階躍試驗

模型客車按照最高車速的70%四舍五入整十的倍數的車速即70 km/h為基準行駛速度，同時增設65 km/h、75 km/h的行駛速度用于分析對比，以基準速度行駛5 s后轉動轉向盤使得客車側向加速度為2 m/s2，隨后轉向盤保持轉角位置，車輛保持轉向行駛，全過程共30 s。

在忽略轉向盤自由行程的情況下，計算出側向加速度為2 m/s2時，前輪轉向角度為2.73°，根據名義轉向比25:1，應該設置的轉向盤轉角為68°。同時計算出該轉向盤轉角下以65 km/h、 75 km/h行駛，車輛均不超過試驗安全性所要求的最大側向加速度（一般為0.4）[5]。

2.2 轉向盤轉角脈沖試驗

本試驗需要按向左轉向、向右轉向兩個轉向盤轉角方向進行脈沖信號輸入。將相應的工況設定在Trucksim中，車輛先以70 km/h的速度行駛5 s。在不超過4 m/s2的側向加速度的情況下，轉向盤最大轉角應不超過136°，因此，選擇將一個0—120—0deg的三角脈沖信號輸向轉向盤，其中采用0.4 s的脈寬寬度，整個試驗時間為15 s。

2.3 蛇形試驗

在位移和側偏位置坐標系中輸入車輛位置坐標。根據試驗要求設定道路以及標樁參數，試驗平坦道路附著系數為0.85。將信息輸入坐標系生成10個位置圖。

M3類車輛基準速度為60 km/h，標樁間距為50 m，首次試驗采用基準車速的50%，然后多次試驗，逐漸提高車速重復試驗，最高不超過80 km/h[6]。選擇50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h以及75 km/h六個車速作為試驗車速[7]。

2.4 穩態回轉試驗

根據定轉向盤轉角方法，給予轉向盤一固定轉向角度180°，車輛從圓周軌跡某一點開始運行，初始速度為5 km/h的低穩定車速。給予車輛一大小為2.09 m/s2的向前加速度，100 s內從5 km/h勻加速至穩定車速，使側向加速度不超過6.5 m/s2。車輛應行駛超過一個圓周以方便試驗結果的觀測分析。

在Trucksim中設定路徑跟隨沿圓周軌跡行駛。車輛行駛的過程中，參考圓周軌跡，根據實時車輛速度不斷改變方向盤轉角，保持車輛始終沿預定路線行駛。當轉向盤轉角穩定在556°時，車輛處于穩態圓周狀態，此時穩定車速為32.5 km/h。

3 結構參數對操縱穩定性的作用

3.1 質心高度對操縱穩定性的影響

為探究質心高度對車輛操穩性的影響，此次試驗以原車輛整車參數為基準，設定質心高度為1 200 mm，分別將質心高度降低和提高200 mm，使車輛質心高度分別為1 000 mm和1 400 mm，其他參數保持不變，然后進行轉向盤轉角階躍試驗，根據車輛質心側偏角、橫擺角速度以及側傾角度這三項車輛運動參數進行客車操縱穩定性分析。

圖1為三種車輛質心高度下的車輛側傾角的仿真試驗結果。其中Baseline為原整車質心高度曲線，#1和#2線分別為1 000 mm和1 400 mm質心高度曲線。

圖1 三種質心高度下車輛側傾角的仿真試驗結果

隨著質心高度的改變，在一定范圍內車輛質心側偏角、橫擺角速度未發生明顯改變，而車輛側傾角度變化明顯。對車輛側傾角的輸出結果進行數據采集，為保證數據盡量準確，選擇試驗中16 s～25 s等間隔的十個時間點數據，并保留3位小數見表1。

表1 不同質心高度的側傾角度

用均值法計算穩態值以及方差。側傾角度的平均值隨質心高度升高而增大，可以推斷質心高度越高，車輛側翻可能性越大；方差較小，說明數據可以在一定程度上表示車輛的穩態響應值；方差隨質心高度升高而增大，可以推斷車輛質心高度越高，車身越不穩定。計算得到在質心高度為1 000 mm、1 200 mm以及1 400 mm時對應的超調量分別為0.51%、0.87%以及1.17%。

在原車輛質心高度的基礎上，在不影響車輛性能和安全的前提下降低車輛質心高度可以提高車輛的操縱穩定性。

3.2 前后軸距對操縱穩定性的影響

此次試驗將改變車輛的軸距，設置固定前軸位置不變，通過改變后軸至前軸距離實現軸距的變化。以原車整車參數為基準，設定前后軸距為 4 600 mm，分別縮短和增長軸距至4 400 mm和 4 800 mm，其他參數保持不變，然后進行轉向盤轉角階躍試驗，根據車輛質心側偏角、橫擺角速度以及側傾角度這三項車輛運動參數進行客車操縱穩定性分析。

圖2為三種車輛前后軸距下的轉向盤轉角階躍試驗的仿真試驗結果。其中Baseline為原整車前后軸距曲線，#1和#2線分別為4 400 mm和 4 800 mm前后軸距曲線。

圖2 三種前后軸距下車輛側傾角的仿真試驗結果

隨著前后軸距的增加，車輛的車身質心側偏角度、橫擺角速度、側傾角度均不同程度降低。其中對車輛側傾角變化進行研究，采集其輸出的數據，為保證數據盡量準確，選擇試驗中16 s～25 s等間隔的十個時間點數據，并保留3位小數見表2。

用均值法計算穩態值及方差，側傾角度平均值隨軸距增長而降低，增長軸距有利于防止車輛側翻；方差較小，說明數據可以在一定程度上表示車輛的穩態響應值；方差隨前后軸距增長而降低，故車輛前后軸距越長，車身越穩定。

計算得在前后軸距為4 400 mm、4 600 mm以及4 800 mm時，對應的超調量分別為0.98%、0.86%以及0.89%。

綜上所述，在不改變前軸位置的情況下，適當增加前后軸距可以降低車輛的質心側偏角、橫擺角速度和側傾角度，提升車輛的操縱穩定性能。

4 結論

本文闡述了汽車操縱穩定性的研究背景以及研究意義，運用整車動力學模擬仿真平臺Trucksim、某型號客車的整車動力學以及各子系統的機構特性，構建客車整車參數化模型。根據相關標準，利用客車整車模型進行試驗仿真研究，分析各因素對汽車操縱穩定性能的影響，并通過調整車輛的結構參數對汽車操縱穩定性能進行改進，以實現車輛結構優化、改善汽車操縱穩定性能。

[1] 蘇光磊.汽車模擬器車輛動力學仿真軟件的設計[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[2] 劉喜東,劉應東.考慮轉向速度的汽車操縱穩定性分析[J].機械工程學報,2011,47(10):95-100.

[3] 魏朗,趙建有,陳濤,等.汽車四輪主動轉向操縱控制系統CN201362301Y[P].2009-12-16.

[4] 龍佳慶.淺析半掛汽車列車操縱穩定性的研究[J].民營科技,2017(5):59.

[5] 袁月,張傳偉,李鵬偉,等.輪轂電機驅動電動汽車協調控制系統研究[J].內燃機與配件,2019(13):21-23.

[6] 王銳,蘇小平,王衛.汽車操縱穩定性中懸架特性分析與優化[J].機械設計與制造,2015(5):96-99.

[7] 劉戰芳.4ws車輛的建模和控制方法的研究分析[D].合肥:合肥工業大學,2008.

Simulation Analysis of Vehicle Handling Stability Based on Trucksim

LV Kunpeng1, ZHU Wuhao2

( 1.School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China;2.Faw Jiefang Qingdao Automobile Company Limited, Qingdao 266217, China )

The research on vehicle handling stability is of great significance to ensure the driving safety of the vehicle. In this paper, based on the Trucksim simulation platform, a reasonable passenger vehicle model is constructed according to the specific design parameters of the vehicle. After the parametric modeling of the whole vehicle, four tests closely related to the vehicle rollover are selected for simulation verification. The simulation results are in line with expectations and have high precision, each parameter index conforms to relevant regulations and driving safety requirements. After in-depth research and analysis of the simulation results, the influence of each parameter on the vehicle handling stability is obtained. The appropriate use of Trucksim has positive guiding significance for the early development and later experimental verification.

Trucksim; Maneuvering stability test; Vehicle model; Simulation platform

U467.1+3

A

1671-7988(2023)03-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.024

呂鯤鵬（1998—），男，碩士研究生，研究方向為載運工具運用工程，E-mail:crankypiano@outlook.com。