汽車橫風(fēng)下的動(dòng)力學(xué)仿真分析及橫擺穩(wěn)定性研究

吳帥　賈寶光　位球球　辛慶鋒

摘 要：目前隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對于汽車的穩(wěn)定性能要求也越來越高。本論文以某款車型為研究對象，探討在高速的行駛的情況下，汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)、底盤參數(shù)等20個(gè)參數(shù)對于汽車橫風(fēng)穩(wěn)定性的影響。首先利用CFD軟件計(jì)算車輛氣動(dòng)力系數(shù)，并通過Carsim軟件建立整車動(dòng)力學(xué)仿真模型，將氣動(dòng)力系數(shù)導(dǎo)入Carsim氣動(dòng)力學(xué)模型中。在專家工程師所設(shè)定可接受程度的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并將汽車的橫擺角速度作為車輛的穩(wěn)定性能指標(biāo)評(píng)估。仿真結(jié)果表明，汽車前、后載荷對于橫擺穩(wěn)定性能影響最大，針對此款后驅(qū)車輛，前/后載荷增大，橫擺穩(wěn)定性能越好；風(fēng)壓中心位于質(zhì)心或質(zhì)心稍微靠后的位置，橫擺角速度較小，具有較好橫擺性能。

關(guān)鍵詞：橫風(fēng)穩(wěn)定性 動(dòng)力學(xué)仿真 汽車底盤 CFD Carsim

1 前言

近些年來，新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展，汽車穩(wěn)定性能成為了研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車等創(chuàng)新汽車概念進(jìn)一步挑戰(zhàn)了乘用車的基本布局[1]。汽車在行駛過程中常會(huì)受到橫風(fēng)氣流的干擾，尤其是車輛經(jīng)過橋梁、涵洞、高樓等位置，車輛常常會(huì)產(chǎn)生較大的橫擺角速度，這種情況下會(huì)較大影響車輛的舒適性和安全性，所以對于車輛橫風(fēng)穩(wěn)定性的研究是必要的。

目前針對車輛的橫風(fēng)穩(wěn)定性方法主要有三種：有限元分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)分析方法。

針對有限元法和風(fēng)洞試驗(yàn)，這兩種方法主要運(yùn)用于車輛氣動(dòng)外形的分析。M. Gohle[2]通過風(fēng)洞試驗(yàn)分析了a柱圓角、引擎蓋-擋風(fēng)玻璃夾角、后蓋角度參數(shù)對于車輛側(cè)向力的影響，a柱半徑較大時(shí)，橫擺力矩減小；引擎蓋-擋風(fēng)玻璃夾角對于前輪和后輪的效果相反，夾角減小，前輪側(cè)向力減小，但后輪側(cè)向力增加；后蓋角度會(huì)極大影響橫擺力矩。王夫亮[3]針對某轎車模型，通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)對比氣動(dòng)六分力的對比，驗(yàn)證了利用CFD計(jì)算氣動(dòng)力系數(shù)的可行性，并研究橫風(fēng)風(fēng)速對于汽車氣動(dòng)特性的影響。

從動(dòng)力學(xué)方法來看，目前學(xué)者主要運(yùn)用多自由度動(dòng)力學(xué)模型。H. Noguchi[4]建立了考慮橫向氣動(dòng)力的二自由度的車輛動(dòng)力學(xué)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)相對比，具有較好的吻合度。這也說明了利用動(dòng)力學(xué)方法分析車輛橫風(fēng)性能的可行性。馮永華[5]通過ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了側(cè)風(fēng)環(huán)境下整車動(dòng)力學(xué)模型，并開展了階躍陣風(fēng)條件下汽車直線的動(dòng)態(tài)性能仿真，最后對某些汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析。呂佳琪[6]在側(cè)風(fēng)仿真分析中得出風(fēng)壓中心的相對于質(zhì)心位置之后時(shí)，汽車會(huì)獲得更好的穩(wěn)定性。Jakob Huemer[7]通過車輛動(dòng)力學(xué)仿真，研究了車輛基本布置參數(shù)變化和非定常氣動(dòng)效應(yīng)力對汽車動(dòng)力學(xué)橫風(fēng)性能影響，其中后軸載荷對于車輛橫向響應(yīng)靈敏度最高。Yang Wang[8]通過TruckSim仿真軟件研究了橫風(fēng)對于箱式卡車的影響。梁寶鈺[9]采用了雙向耦合方法，將CFD中的氣動(dòng)模型與MBD多體動(dòng)力學(xué)模型通過MATLAB耦合，研究了基于DYC控制下的汽車瞬態(tài)橫風(fēng)性能。但這種耦合方法，仿真難度較大，對計(jì)算機(jī)性能要求高，仿真效率低，難以實(shí)現(xiàn)對大量參數(shù)靈敏度分析。

本文首先利用CFD計(jì)算出六分力的空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)，再通過多體動(dòng)力學(xué)CarSim仿真軟件搭建汽車模型，對車輛參數(shù)進(jìn)行進(jìn)行靈敏度分析。

2 車輛橫風(fēng)模型

車輛模型采用了CarSim軟件進(jìn)行搭建整車模型，其中參數(shù)均來源于為后驅(qū)車型的結(jié)構(gòu)。

其中車輛的CarSim中的空氣動(dòng)力學(xué)模型為

（1）

其中、、分別表示，氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)側(cè)向力、氣動(dòng)升力。、、表示氣動(dòng)力的相對應(yīng)的氣動(dòng)系數(shù)，這些系數(shù)與氣動(dòng)流入的側(cè)偏角相關(guān)聯(lián)。其中與橫風(fēng)性能相關(guān)的為，它主要影響到汽車的側(cè)偏性能。

（2）

其中、、分別表示，側(cè)傾力矩、俯仰力矩、橫擺力矩。、、表示氣動(dòng)力矩的相對應(yīng)的氣動(dòng)系數(shù)，這些系數(shù)與氣動(dòng)流入的側(cè)偏角相關(guān)聯(lián)。其中與橫風(fēng)性能相關(guān)的為，它主要影響到汽車的橫擺性能。

根據(jù)實(shí)際車輛結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件分析得到上述的空氣動(dòng)力學(xué)六分力系數(shù)。如圖1所示。

3 分析過程

梁寶玉等的研究[9]指出，目前對于橫風(fēng)性能主要從三個(gè)角度進(jìn)行分析：車輛側(cè)滑、橫擺角、側(cè)傾角，故本論文將采用從橫擺角速度這個(gè)性能參數(shù)作為評(píng)估車輛結(jié)構(gòu)對于橫擺穩(wěn)定指標(biāo)。本論文的工況為：階躍變化的橫風(fēng)，風(fēng)速為16 m/s。車速為100kph，方向盤標(biāo)定為0°開環(huán)控制。圖2為Carsim仿真軟件界面。圖3車輛側(cè)風(fēng)模型。

主要涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及設(shè)計(jì)變量的變化見表1。

針對上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，通過仿真，求出各參數(shù)變化中的最大橫擺角速度幅值，導(dǎo)入到Matlab中對同一參數(shù)，不同設(shè)計(jì)變量變化進(jìn)行線性擬合，從而得到此變量對車輛性能的影響程度，下一步通過將各值與數(shù)據(jù)中影響程度最大的進(jìn)行比較得到結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度，性能評(píng)估公式如下式3。為擬合后的橫擺角速度的最大幅值，Vst。Lfit為線性擬合，LVfmax為橫擺角速度線性擬合中的最大值，Syaw為橫擺角速度靈敏度。

（3）

處理后的結(jié)果見圖4。圖中正百分比表示性能變差，負(fù)百分比表示性能變好，針對于橫擺角速度，前軸載荷增大對于車輛的影響最大，其次為輪胎側(cè)向剛度和簧下質(zhì)量，AC和GC的x向變化。圖5為AC和GC相對位置變化對于車輛的橫擺角速度變化的影響。從仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)壓中心越靠近質(zhì)心時(shí)，橫擺角速度越小，風(fēng)壓中心在質(zhì)心之后，逆著風(fēng)向產(chǎn)生橫擺，相比位于質(zhì)心前具有較好的橫擺角性能，但如果靠后過大，橫擺性能會(huì)變差。

4 結(jié)論

本文主要針對某款后驅(qū)車輛，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對于車倆橫風(fēng)性能的影響。由上述仿真結(jié)果，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

在橫風(fēng)條件下，車輛的前后軸載荷分配對于后驅(qū)車輛橫風(fēng)性能是關(guān)鍵性因素。故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，應(yīng)該分配好前后載荷比。在軸荷比無法改變時(shí)，可以通過改進(jìn)輪胎和增加簧下質(zhì)量來提升橫擺性能。

前軸載荷比中，實(shí)際上涉及了AC中心和GC的相對位置，當(dāng)AC和質(zhì)心向重合時(shí)，橫擺角速度最小，故此設(shè)計(jì)車輛外型參數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮的整車的質(zhì)量分布和風(fēng)壓中心的位置，把AC設(shè)計(jì)在GC附近，或者靠AC之后的位置，但不宜過大。

參考文獻(xiàn)：

[1]Haiying M， Chaopeng L， Fu W Z. Direct Yaw-Moment Control Based on Fuzzy Logic of Four Wheel Drive Vehicle under the Cross Wind[C]. International Conference on Applied Energy. 2017.

[2]Gohlke M ， Beaudoin J F ， Amielh M ，et al.Shape influence on mean forces applied on a ground vehicle under steady cross-wind[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2010，98（8-9）：386-391.

[3]王夫亮. 側(cè)風(fēng)作用下的汽車氣動(dòng)特性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009.

[4]Noguchi H. An analysis of vehicle behaviour in a cross wind[J]. International Journal of Vehicle Design，1985.

[5]馮永華. 高速汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[6]呂佳琪. 側(cè)風(fēng)環(huán)境下的乘用車操縱穩(wěn)定性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

[7]李云寶，李森，常桂秀，等.輪胎選型的主客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法[J].北京汽車，2023（03）：5-9.

[8]Wang Y， Hu X.Simulation of roll stability of a van in cross-wind[C]. International Conference On Advanced Design and Manufacuring Engineering . 2013.

[9]梁寶鈺，汪怡平，劉珣，等.基于直接橫擺力矩控制的高速車輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（11）：43-49+96.