基于虛擬樣機的某摩托車操縱穩定性分析

李金波 余大江 劉興君

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0 引言

摩托車作為高速機動車輛，一直是以操縱穩定性、行駛平順性、振動舒適性等作為研究重點[1]。使用多體動力學軟件VI-Motorcycle研究大排量摩托車的操縱穩定性，可以縮短產品的開發周期，降低研發費用，對我國摩托車的生產發展具有重要意義。

國內外學者已對摩托車行駛時的操縱穩定性進行了大量研究，并取得了不少成果。

Whipple[2]開創性地對自行車的行駛穩定性進行了研究，為兩輪車輛的運動研究奠定了基礎。

Renzo等人采用多體動力學軟件ADAMS建立車輛機械模型，完成車輛的“8”字形行駛試驗和“J”形轉彎試驗[3]。

新的本田CBR1000RR[4]車型采用大活塞懸架技術，這使整個減振過程更加順暢，在緊急制動下，車手在前端感覺更穩定。

黃澤好[5]利用多體動力學軟件建立了精確的摩托車剛柔耦合系統模型，并且通過優化前后懸架剛度從而提高摩托車的行駛平順特性。

徐中明等人[6]利用BikeSim建立摩托車參數化模型，聯合Isight和Matlab對前后懸架系統的剛度和阻尼進行優化，獲得了Pareto最優解集。

本文通過三維數模測得某摩托車的重要結構參數，利用VI-Motorcycle建立了摩托車多體動力學模型，并對摩托車高速行駛過程中受到脈沖干擾和穩態轉彎時的操縱穩定性進行仿真分析，通過仿真試驗數據對其高速直線行駛時的安全性能和低速轉彎時的轉向性能做出合理評價，對摩托車行駛時的動態特性研究具有一定的工程意義。

1 整車模型建立

摩托車整車模型是建模最重要的部分之一，模型數據來源于某國產大排量摩托車，整車主要結構參數與三維模型分別如表1和圖1所示。

表1 整車主要結構參數

圖1 摩托車三維模型

1.1 前懸架系統模型

摩托車的前懸架系統模型是整車模型最重要的系統模型之一，其結構形式的不同會導致動力學性能的不同。本文前懸架由上下前叉組成，其部分結構參數如表2所示，輸入相應的模型參數，完成如圖2所示的前懸架系統模型。

表2 前懸架部分參數 單位：mm

圖2 前懸架系統模型

1.2 后懸架系統模型

摩托車的后懸架系統模型對整車模型而言也相當重要，摩托車在行駛過程中，后懸架系統直接影響車輛的乘坐舒適性。本文采用搖臂式雙減震器后懸架系統，其部分結構參數如表3所示，針對現有的模型參數，建立的后懸架系統模型如圖3所示。

圖3 后懸架系統模型

表3 后懸架部分結構參數

2 仿真試驗

2.1 脈沖仿真分析

本文通過建立的模型對車輛進行脈沖仿真試驗，即車輛以120 km/h的初速度在道路上直線行駛，8 s時在車輛手柄施加一個最大為10 N·m的轉向力矩，其輸入信號如圖4所示，持續時間為0.1 s，20 s后仿真結束。

圖4 脈沖輸入信號

完成仿真后，可從圖5仿真過程中看出該摩托車在高速直線行駛時的受力情況。

圖5 仿真過程

圖6為該摩托車操縱穩定性相關性能指標參數的關系曲線。圖6（a）、圖6（b）分別為橫向加速度和橫擺角速度與時間關系曲線，可看出在施加脈沖信號后，車輛橫向加速度和橫擺角速度上下急劇波動，4 s后車輛行駛趨于平穩狀態；圖6（c）、圖6（d）為駕駛員所需的轉向角和轉向力矩與時間的關系曲線，可看出在施加脈沖信號后，為了控制車輛平穩，駕駛員所需轉向角與轉向力矩也呈現波動狀態，4 s后車輛行駛趨于平穩行駛狀態。

圖6 高速直線仿真結果

由圖6可知，雖然車輛需要經過4 s才能趨于平穩行駛狀態，但由于車輛在受到10 N·m的瞬態力矩時，橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉向角以及駕駛員所需轉向力矩幅值較小，由此判定該車型在高速直線行駛中受到脈沖干擾時穩定性較好。

2.2 穩態轉向分析

穩態轉向試驗已被證明是評估摩托車和其他兩輪車低頻和非瞬態操縱性能的有效和定量方法[7]。描述駕駛員控制動作的量是轉向扭矩和駕駛員側傾角，在大多數情況下，駕駛員控制主要由轉向扭矩組成，而傾斜角度和車身橫向位移可被視為輔助控制輸入。

本文通過建立的整車模型與半徑為20 m的圓形道路進行穩態轉向仿真試驗，在該試驗中，摩托車沿圓形道路等速行駛，如圖7所示。

圖7 穩態轉向試驗

扭矩傳感器記錄下駕駛員作用在摩托車方向把上的轉向扭矩、摩托車側傾角和橫向加速度。摩托車的轉向性能用側傾指數k和加速度指數ka來衡量[7]。

側傾指數k表示車輛轉向扭矩與側傾角之間的比率，即：

式中：τ為轉向扭矩；φ為車輛側傾角。

加速度指數ka表示車輛轉向扭矩與橫向加速度之比，即：

式中：v為摩托車車速；R為圓形跑道半徑；g為重力加速度。

側傾指數或側向加速度指數越小，表明車輛完成等速圓周行駛所需轉向扭矩越小，該車型轉向比較靈活，轉向性能優異[8-9]。

穩態轉向的仿真試驗結果如圖8所示，車速v=30km/h，轉向扭矩τ=-0.4 N·m，側傾角φ=22°≈0.384 rad。

圖8 穩態轉向仿真試驗

側傾指數大小：

加速度指數大小：

仿真試驗結果表明，該車型側傾指數和加速度指數較小，在低速行駛時轉向性能較好。

3 結論

（1）本文基于摩托車的結構參數，利用多體動力學軟件VI-motorcycle建立整車模型，根據駕駛員和道路對摩托車操縱穩定性的影響，建立駕駛員與道路模型。

（2）對摩托車高速直線行駛受到脈沖激勵的情況進行分析，該車輛的橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉向角以及駕駛員所需轉向力矩幅值較小，由此判定該車型在高速直線行駛中受到脈沖干擾時的穩定性較好。

（3）對摩托車穩態轉向的動力學模型進行分析，該車輛側傾指數k=1.042N·m/rad，側向加速度指數ka=0.11N/s2，表明在低速行駛時該車轉向靈活，轉向性能優異。