基于ANSI/ROHVA 1-2016 的某多功能全地形車操控性仿真分析

李 崧

（江蘇林海動力機(jī)械集團(tuán)有限公司 江蘇 泰州 225300）

引言

多功能全地形車[1]是一種主要用于日常生活、競技娛樂和專業(yè)工作的車輛。近年來，在國外多功能全地形車的使用越來越受歡迎。然而由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和操控特性，多功能全地形車在不平或崎嶇的地形上操作時可能會很難控制。為了提高多功能全地形車的安全性，美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）和休閑非公路車輛協(xié)會（ROHVA）制定了ANSI/ROHVA 1-2016 American National Standard for Recreational Off-Highway Vehicle[2]標(biāo)準(zhǔn)。在此標(biāo)準(zhǔn)中，為符合該標(biāo)準(zhǔn)所定義的多功能全地形車的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、標(biāo)識等提供了相關(guān)指南，以便提高多功能全地形車安全性從而降低事故風(fēng)險(xiǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)目前雖未強(qiáng)制執(zhí)行，但對多功能全地形車的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

多功能全地形車操控性仿真分析是通過相關(guān)多體動力學(xué)軟件在虛擬環(huán)境中搭建樣機(jī)模型進(jìn)行操控性仿真評估。我們基于ANSI/ROHVA 1-2016 標(biāo)準(zhǔn)中對車輛操控性測試的試驗(yàn)步驟，對某多功能全地形車的操控進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，通過處理仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對比評價，最終驗(yàn)證該多功能全地形車的操控性是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 ANSI/ROHVA 1-2016 標(biāo)準(zhǔn)操控性簡介

1.1 試驗(yàn)步驟

以低于10 mph（16.1 km/h）速度將車輛行駛至直徑為100 ft（30.5 m）的圓周上，確定車輛能夠維持該圓形路徑所需的平均轉(zhuǎn)向角度后，將車輛停下來，固定方向盤轉(zhuǎn)角至上述角度。以不超過1 mph/s（1.6 km/（h·s））的加速度穩(wěn)步加速，持續(xù)時間不超過1 min，直至車輛不再加速或車輛出現(xiàn)兩輪離地狀態(tài)，此時結(jié)束試驗(yàn)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

定義初始區(qū)域?yàn)檐囕v橫向加速度達(dá)到0.1～0.2 g的區(qū)域，最終區(qū)域?yàn)檐囕v橫向加速度達(dá)到0.4～0.5 g的區(qū)域。

各點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑比為

式中：R 為各點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑比；Y2 為最終區(qū)域內(nèi)車輛橫擺角速度隨時間變化曲線的線性斜率；V2 為最終區(qū)域內(nèi)車輛前進(jìn)速度隨時間變化曲線的線性斜率；Y1 為初始區(qū)域內(nèi)車輛橫擺角速度隨時間變化曲線的線性斜率；V1 為初始區(qū)域內(nèi)車輛前進(jìn)速度隨時間變化曲線的線性斜率。

1.3 性能要求

當(dāng)車輛橫向加速度達(dá)到0.5 g 前，如能同時滿足以下兩個條件，則車輛通過該操縱性測試。

1）未出現(xiàn)車輛兩輪離地現(xiàn)象；

2）車輛轉(zhuǎn)彎半徑比＜4.5。

2 某多功能全地形車操控穩(wěn)定性仿真

分析

2.1 多功能全地形車動力學(xué)虛擬樣機(jī)建立

根據(jù)某多功能全地形車的三維模型所測硬點(diǎn)，通過ADAMS CAR 軟件分別建立該多功能全地形車前雙A 臂獨(dú)立懸架子系統(tǒng)模型、后雙A 臂獨(dú)立懸架子系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型、前輪胎子系統(tǒng)模型、后輪胎子系統(tǒng)模型、車身子系統(tǒng)模型、前后盤式制動子系統(tǒng)模型、動力子系統(tǒng)模型，最終裝配成整車仿真模型[3]，如圖1 所示。

圖1 整車仿真模型

2.2 多功能全地形車操控穩(wěn)定性仿真分析

按照ANSI/ROHVA 1-2016 標(biāo)準(zhǔn)中操控性試驗(yàn)步驟，在仿真軟件中分別進(jìn)行車輛左、右轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)仿真計(jì)算分析。為方便虛擬仿真試驗(yàn)分析，將仿真步驟拆分為三步進(jìn)行。

1）按要求仿真計(jì)算出滿足試驗(yàn)轉(zhuǎn)彎半徑的方向盤轉(zhuǎn)角度數(shù)；

2）按上一步仿真得出的方向盤轉(zhuǎn)角度數(shù)固定方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行定轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)[4]。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果分別繪制出車輛車輪載荷變化曲線，車輛在定義的初始區(qū)域、最終區(qū)域內(nèi)車速響應(yīng)曲線、橫擺角速度響應(yīng)曲線，計(jì)算出相關(guān)曲線斜率；

3）根據(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)果，按照ANSI/ROHVA 1-2016 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

通過仿真計(jì)算，車輛達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的轉(zhuǎn)彎半徑時方向盤轉(zhuǎn)角隨時間的變化曲線如圖2 所示。

圖2 方向盤轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線

由圖可知，當(dāng)車輛左轉(zhuǎn)方向盤轉(zhuǎn)角為49.9°、車輛右轉(zhuǎn)方向盤轉(zhuǎn)角為49.8°時能滿足試驗(yàn)規(guī)定的轉(zhuǎn)彎半徑要求，此時固定方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行定轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真分析。

車輛進(jìn)行定轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真時車輪載荷的變化曲線[5]如圖3 所示。由圖可知，車輛左轉(zhuǎn)整個仿真過程中，左側(cè)車輪載荷在逐步減小，右側(cè)車輪載荷在逐步增大。車輛右轉(zhuǎn)整個仿真過程中，右側(cè)車輪載荷在逐步減小，左側(cè)車輪載荷在逐步增大。無論是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，車輪載荷未出現(xiàn)零值或負(fù)值，表明整個過程中車輛未出現(xiàn)車輪離地現(xiàn)象。

圖3 車輪載荷變化曲線

車輛進(jìn)行定轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真時初始區(qū)域、最終區(qū)域車速響應(yīng)曲線如圖4、圖5 所示。根據(jù)圖示曲線，采用線性擬合的方法可以得到各區(qū)域速度曲線的線性斜率，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 各區(qū)域速度曲線斜率

圖4 初始區(qū)域車速響應(yīng)曲線

圖5 最終區(qū)域車速響應(yīng)曲線

車輛進(jìn)行定轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真時初始區(qū)域、最終區(qū)域橫擺角速度響應(yīng)曲線如圖6、圖7 所示。根據(jù)圖示曲線，采用線性擬合的方法可以得到各區(qū)域橫擺角速度曲線的線性斜率，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 各區(qū)域橫擺角速度曲線斜率

圖6 初始區(qū)域橫擺角速度響應(yīng)曲線

圖7 最終區(qū)域橫擺角速度響應(yīng)曲線

將表1、表2 數(shù)據(jù)代入公式（1）可分別求出左轉(zhuǎn)時車輛的轉(zhuǎn)彎半徑比R 為0.84，右轉(zhuǎn)時車輛的轉(zhuǎn)彎 半徑比R 為0.97。

通過以上仿真試驗(yàn)分析可知，該多功能全地形車在車輛橫向加速度達(dá)到0.5 g 前，左、右轉(zhuǎn)彎仿真時車輪均未出現(xiàn)離地現(xiàn)象，同時轉(zhuǎn)彎半徑比均小于4.5。

3 結(jié)論

以某多功能全地形車為例，基于ANSI/ROHVA 1-2016 標(biāo)準(zhǔn)中操控性試驗(yàn)步驟進(jìn)行虛擬試驗(yàn)仿真分析，結(jié)果表明該多功能全地形車操控性理論上符合ANSI/ROHVA 1-2016 中關(guān)于車輛操控性的要求。

通過仿真軟件可以對整車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行較好的分析和評價，為多功能全地形車的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。