新型全地形車操縱穩定性評價分析

黃澤好，徐文強，孫章棟，陳衛東

(重慶理工大學 a.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室;b.重慶汽車學院，重慶 400054)

全地形車(ATV)適合所有地形，機動性強，被廣泛應用于農林業、畜牧業等領域［1］。特別在軍事應用中ATV不僅要運載戰斗人員，而且要搭載武器裝備，這就對其行駛穩定性提出了較高要求。國內ATV行業近幾年才發展起步，這方面的研究尚不多，相關操縱穩定性評價標準有待制定和完善［2］。

原型ATV實車已進行相關操縱穩定性試驗驗證。在原型ATV實車的基礎上進行設計改進，在CATIA中建立前2輪后1輪的新型ATV三維模型，進而在Adams中建立多體動力學模型，并對新型ATV進行相關操縱穩定性虛擬試驗，分析穩態回轉響應特性、角階躍響應特性以及蛇行試驗響應特性［3］。參考汽車操縱穩定性評價方法，對其操縱穩定性進行評價。

1 ATV動力學模型

在Adams中建立由車架、發動機、轉向機構、懸架、輪胎模型和路面譜等組成的整車模型。原ATV整車多體動力學模型如圖1所示，新型ATV整車多體動力學模型如圖2所示。使用由Adams軟件提供的適合整車操縱穩定性分析的平整路面(Flate)和柔性環輪胎模型(F-Tire)［4－7］。

2 ATV操縱穩定性分析

新型ATV主要進行轉向盤角階躍輸入下的穩態響應、瞬態響應以及蛇行試驗仿真，并進行比較［8－9］。

2.1 角階躍輸入下的穩態響應

新型ATV的轉向特性主要由角階躍輸入下的穩態響應來進行評價。由于新型ATV后輪為鏈傳動驅動，載荷遠小于軸傳動，要保證新型ATV總的驅動力與原ATV相等，在前后驅動力分配時，前驅動力為后驅動力的4倍。

根據汽車操縱穩定性指標限值與標定方法，按中性轉向點的側向加速值an、不足轉向度U、車箱側傾度Kф等3項指標進行評價計分。

虛擬試驗中，在新型ATV方向把上施加30°的轉向角(保證ATV轉彎時輪胎側偏角處在線性范圍內)并不斷加速［3］。方向盤角階躍輸入下的穩態響應運動軌跡如圖3所示。

圖3 方向盤角階躍輸入下的穩態響應運動軌跡

中性轉向點的側向加速度值an是指前、后橋側偏角差值與側向加速度關系曲線上斜率為零處的側向加速度。如果中性轉向點未出現在所測試的側向加速度范圍內，應用最小二乘法按無常數項的三次多項式擬合曲線對an進行推算。中性轉向點的側向速度an可以很容易地由轉向半徑比R/R0與側向加速度的關系曲線得到，如圖5、7中R/R0為1時對應的側向加速度即為中性轉向點的側向加速度。中性轉向點的側向加速度評分值由式(1)計算，結果如表1所示。

表1 側向加速度計分

不足轉向度U按前后橋側偏角差值與側向加速度關系曲線上側向加速度值為2 m/s2處的平均斜率(縱坐標值除以橫坐標值)計算，如圖4、6。評價計分值按式(2)計算，結果如表2所示。

表2 不足轉向度計分

車箱側傾度K0按車箱側傾角與側向加速度關系曲線上側向加速度值為2 m/s2處的平均斜率計算。如圖8、9，新型摩托車為1.54，原型摩托車為1.56，均大于評分限值，因此按限值計算。評價計分值按式(3)計算，結果如表3所示。

表3 車箱側傾度計分

ATV穩態回轉試驗的綜合評價計分值按式(4)計算。

ATV穩態回轉試驗的綜合評價分值Nw:新型ATV 為75.7;原型 ATV 為77.0。

2.2 方向盤角階躍下的瞬態響應

新型ATV的操縱穩定性用轉向盤角階躍輸入下的瞬態響應來表征。仿真試驗中ATV先勻速直線行駛，在t=10 s時，將方向把急速轉動至15°保證ATV輪胎側偏角處在線性范圍內，并保證方向把轉角不變，測量ATV質心橫擺角速度和側向加速度的瞬態響應［10－11］，如圖 10所示。原型 ATV在相同條件下仿真并與新型ATV進行比較。瞬態響應下的橫擺角速度如圖11所示。

圖10 角階躍輸入下的瞬態響應

圖11 瞬態響應下的橫擺角速度

根據汽車操縱穩定性指標限值與評價法得到響應評價指標數據，將側向加速度值為2 m/s2時的汽車橫擺角速度響應時間T作為角階躍評價指標。評價計分值按式(5)計算，結果如表4所示。

表4 橫擺角速度響應時間計分

角階躍輸入下的瞬態響應的綜合評價分值NJ:新型ATV為76;原型ATV為64。

2.3 蛇行試驗

簡單模擬實車的蛇行試驗如圖12所示。通過測試新型ATV質心的橫擺角速度并與原型ATV進行比較，評價新型ATV的轉向運動性能。

圖12 蛇行軌跡

按基準車速下的平均橫擺角速度峰值r與平均轉向盤轉角峰值θ進行評價計分。由于仿真條件限制，只對橫擺角速度峰值r進行評分。r由圖13可得，即為圖13中曲線4個峰值的絕對值的平均值［6－7］。

圖13 橫擺角速度響應

平均橫擺角速度峰值r的計分值由式(6)計算，結果如表5所示。

表5 平均橫擺角速度峰值計分

蛇行試驗綜合評價分值:新型ATV為81.9，原型ATV為85.1。

2.4 綜合評分

根據汽車操縱穩定性指標限值和評價法，通過3個試驗對新型ATV的操縱穩定性與原型車比較，總評分值

新型ATV的總評分值為77.9，原型ATV的總評分值為75.4。

3 結束語

由以上分析可以發現，圓周運動時新型ATV隨著車速的提高，轉向半徑不斷增大，不足轉向度偏大，但中性轉向點加速度偏小，導致穩態回轉評價分值小于原型ATV。方向把角階躍下新型ATV的瞬態響應快，瞬態響應分值大于原型ATV，對操縱穩定性有利。但蛇行試驗的平均橫擺角速度偏大，導致分值小于原型ATV。綜合評價新型ATV的穩態回轉、角階躍輸入和蛇行試驗，操縱穩定性優于原型ATV。

［1］張志飛，徐中明，彭旭陽，等.全地形車操縱穩定性建模與仿真［J］.重慶大學學報:自然科學版，2009(6):620－624.

［2］施演兵，李宏波.淺談全地形車的制動性能［J］.農業裝備與車輛工程，2009(3):22－24.

［3］黃澤好，孫章棟，劉吉明，等.新型全地形車操縱穩定性仿真分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010(6):1－4.

［4］鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術入門與提高［M］.北京:械工業出版社，2002.

［5］李軍，刑俊文.ADAMS實例教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［6］王國強.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐［M］.西安:西北工業大學出版社，2002.

［7］郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.2版.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［8］余志生.汽車理論［M］.4版.北京:機械工業出版社，2006.

［9］QC/T 480—1999，汽車操縱穩定性指標限值與評價方法［S］.

［10］汽車工程手冊:摩托車篇［K］.北京:人民交通出版社，2001.

［11］喻凡，林逸.汽車系統動力學［M］.北京:機械工業出版社，2005.