基于ADAMS的某重型牽引車操縱穩(wěn)定性仿真分析

王俊偉，李海波

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于ADAMS的某重型牽引車操縱穩(wěn)定性仿真分析

王俊偉，李海波

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：以某6×4重型牽引車為分析對(duì)象，采用ADAMS建立了整車的仿真模型，根據(jù)國(guó)標(biāo)《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》，進(jìn)行整車操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)，從不同角度反映在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)，綜合評(píng)價(jià)牽引車的操縱穩(wěn)定性。同時(shí)，通過對(duì)牽引車的前懸架鋼板彈簧剛度和整車載荷等參數(shù)參數(shù)的變化，研究了不同狀態(tài)下參數(shù)的變化對(duì)操縱穩(wěn)定性所造成的影響。

關(guān)鍵詞：重型牽引車；ADAMS；操縱穩(wěn)定性；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.043

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-128-04

前言

隨著國(guó)內(nèi)高速公路的發(fā)展，遠(yuǎn)距離大批量的物流運(yùn)輸給重型牽引車提供了巨大的舞臺(tái)，隨著客戶對(duì)車輛的安全性、舒適性越來越關(guān)注，重型牽引車逐步向高端化發(fā)展。通常，所謂的高端重型牽引車，其主要特征是載荷大、速度快、功率大、經(jīng)濟(jì)性好、舒適性好為衡量標(biāo)準(zhǔn)。而重型牽引車的操縱穩(wěn)定性是衡量整車舒適性的重要指標(biāo)之一[1]。

本文將利用ADAMS軟件建立某重型牽引車的整車模型，根據(jù)GB/T13047《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》在ADAMS軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，從不同角度反映汽車在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)，綜合評(píng)價(jià)某重型牽引車的操縱穩(wěn)定性[4]。

1、仿真模型的建立

利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS分別建立前懸架、后懸架、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架、駕駛室、駕駛室懸置、輪胎等子系統(tǒng)，并通過“通訊器（communicators）”對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行連接，最終建立整車的仿真模型[3]。

參數(shù)準(zhǔn)備齊全后即可進(jìn)行建模。重型牽引車的主要結(jié)構(gòu)：動(dòng)力總成系統(tǒng)、駕駛室、駕駛室懸置系統(tǒng)、前懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、車架、鞍座等，按照車輛各部分作用不同和建模的方便將整車分成前懸架、驅(qū)動(dòng)橋、輪胎、鋼板彈簧、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、車架、鞍座、駕駛室、駕駛室懸置等模塊，然后建立模板，再由模板生成子系統(tǒng)，最后總裝成整車樣機(jī)（見圖1）。

圖1　搭建整車模型流程

2、操縱穩(wěn)定性仿真分析

汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[2]。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個(gè)主要性能，所以人們稱之為“高速車輛的生命線”。

本文基于GB/T13047《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》，進(jìn)行某重型牽引車仿真試驗(yàn)，主要包括：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)以及穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)等[6]。

2.1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真試驗(yàn)

角階躍輸入試驗(yàn)是為了測(cè)定汽車對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，是汽車瞬態(tài)閉環(huán)響應(yīng)特性的一種重要試驗(yàn)方法，可以綜合評(píng)價(jià)汽車行駛穩(wěn)定性及乘坐舒適性。該試驗(yàn)在一定程度上表現(xiàn)出汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的綜合性能。

圖2　角階躍轉(zhuǎn)向下的方向盤轉(zhuǎn)角

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.2規(guī)定的方法：汽車處于滿載狀態(tài)，以70km/h的速度直線行駛，行駛到2秒時(shí)迅速將方向盤在0.2秒時(shí)間內(nèi)從0°轉(zhuǎn)到50°，然后固定方向盤不動(dòng)，直至汽車再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度達(dá)到2m/s2，研究方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度和質(zhì)心側(cè)偏角等隨時(shí)間變化曲線。仿真只按向左轉(zhuǎn)方向進(jìn)行一次。

仿真結(jié)果曲線如圖2～圖5所示，包括方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度和質(zhì)心側(cè)偏角。

圖3　角階躍轉(zhuǎn)向下的橫擺角速度

圖4　角階躍轉(zhuǎn)向下的側(cè)向加速度

圖5　角階躍轉(zhuǎn)向下的質(zhì)心側(cè)偏角

表1　轉(zhuǎn)向盤角階躍評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)論：由表1和以上幾圖可得，車速在70km/h時(shí)，橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間、橫擺角速度峰值響應(yīng)時(shí)間、側(cè)向角速度響應(yīng)時(shí)間均較小，橫擺角速度總方差、側(cè)向加速度總方差較小，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間較好，并且質(zhì)心側(cè)偏角也比較小，說明某重型牽引車的瞬態(tài)響應(yīng)性能良好。

2.2 轉(zhuǎn)向回正仿真試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)是研究汽車瞬態(tài)響應(yīng)特性的一種重要試驗(yàn)方法，尤其是研究汽車能否恢復(fù)直線行駛能力的一種重要試驗(yàn)方法，汽車的轉(zhuǎn)向回正表達(dá)了汽車的自由控制運(yùn)動(dòng)特性，其實(shí)質(zhì)是一種力階躍輸入試驗(yàn)。

按照國(guó)標(biāo)GB/T6323.4規(guī)定，需要做低速回正和高速回正兩個(gè)仿真試驗(yàn)。本試驗(yàn)在滿載狀態(tài)下進(jìn)行，仿真只按向左轉(zhuǎn)方向進(jìn)行一次[6]。

（1）低速回正試驗(yàn)：汽車沿半徑為15±1m的圓周行駛，調(diào)整車速，使側(cè)向加速度達(dá)到4±0.2m/s2，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車速并開始記錄，待3s后，駕駛員突然松開轉(zhuǎn)向盤并做一標(biāo)記，至少記錄松手后4s的汽車運(yùn)動(dòng)過程。

（2）高速回正試驗(yàn)：汽車沿試驗(yàn)路段以最高車速的70%直線行駛，記錄各測(cè)量變量的零線。隨后駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤使側(cè)向加速度達(dá)到2±0.2 m/s2，待穩(wěn)定并開始記錄后，駕駛員突然松開轉(zhuǎn)向盤并做一標(biāo)記，至少記錄松手后4s內(nèi)的汽車運(yùn)動(dòng)過程。

仿真結(jié)果曲線如圖6、圖7所示，包括方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度（以下圖中實(shí)線代表低速回正，虛線代表高速回正）。

圖6　轉(zhuǎn)向回正下的方向盤轉(zhuǎn)角

圖7　轉(zhuǎn)向回正下的橫擺角速度

表2　回正試驗(yàn)基本評(píng)價(jià)參數(shù)值

結(jié)論：從圖6、圖7和表2可以看出，汽車在40km/h時(shí)，殘留橫擺角速度低于下限值0.5°/s，回正時(shí)間較小；在高速70km／h時(shí)回正時(shí)間較小且殘留橫擺角速度為0.1024°/s，結(jié)果較好，高速和低速均符合國(guó)標(biāo)汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)QC/T 480-1999的要求。

2.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要的時(shí)域響應(yīng)。汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分為三種類型：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)該具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。過多轉(zhuǎn)向汽車在達(dá)到臨界車速時(shí)會(huì)失去穩(wěn)定性，有時(shí)很小的前輪轉(zhuǎn)角便會(huì)產(chǎn)生極大的橫擺角速度，這意味著汽車的轉(zhuǎn)向半徑極小，汽車會(huì)發(fā)生激轉(zhuǎn)而側(cè)滑或者翻車。汽車也不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向特性，因?yàn)橹行赞D(zhuǎn)向汽車在使用條件變動(dòng)時(shí)，有可能會(huì)變成過多轉(zhuǎn)向特性。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)就是測(cè)試汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的一種重要試驗(yàn)方法。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323.6規(guī)定：汽車滿載，以最低穩(wěn)定車速沿所畫圓周行使，達(dá)到穩(wěn)定后固定轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)，緩緩連續(xù)而均勻地加速（縱向加速度不超過0.25 m/s2），直至汽車的側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2（或受發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制而能達(dá)到的最大側(cè)向加速度、或汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)）為止，記錄整個(gè)過程。仿真只按向左轉(zhuǎn)方向進(jìn)行一次。

仿真結(jié)果曲線如圖8～圖11所示。

圖8　穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)下的汽車運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9　轉(zhuǎn)向半徑的比R/R0與側(cè)向加速度關(guān)系曲線

圖10　前后輪側(cè)偏角之差與側(cè)向加速度關(guān)系

圖11　車廂側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系

表3　穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)論：從圖8、圖9可以看出，隨著側(cè)向加速度的增加，汽車的轉(zhuǎn)彎半徑也隨之增大，呈現(xiàn)明顯的不足轉(zhuǎn)向特性；由圖10、圖11和表3可知，該重型牽引車不足轉(zhuǎn)向度U和車廂側(cè)傾度Kφ均符合國(guó)標(biāo)QC/T 480-1999要求，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能較好[2]。

綜上可知，通過對(duì)某重型牽引車轉(zhuǎn)向角階躍試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)的仿真分析，表明該重型牽引車操縱穩(wěn)定性能較好。

3、操縱穩(wěn)定性若干影響因素分析

影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素有很多，此次主要選取整車前懸架鋼板彈簧剛度和整車載荷等參數(shù)，以操穩(wěn)中比較典型的角階躍仿真為例，通過研究仿真曲線的變化規(guī)律，來分析這些參數(shù)的變化對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性所造成的影響程度。

3.1 前懸架鋼板彈簧剛度對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

改變前板簧剛度進(jìn)行三次仿真對(duì)比：

Original：原前板簧剛度；

increase：前板簧剛度增加20%；

decrease：前板簧剛度減少20%。

以下為仿真后對(duì)比曲線圖12～14。

圖12　前板簧不同剛度下的橫擺角速度

圖13　前板簧不同剛度下的側(cè)向加速度

圖14　前板簧不同剛度下的質(zhì)心側(cè)偏角

從以上幾圖可以看出，鋼板彈簧剛度的改變對(duì)操縱穩(wěn)定性有較大影響。剛度增大，橫擺角速度和側(cè)向加速度峰值和穩(wěn)態(tài)值降低，同時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角減少，從而使得響應(yīng)時(shí)間縮短，整車的瞬態(tài)響應(yīng)性能得到提高。剛度減少，橫擺角速度和側(cè)向加速度峰值和穩(wěn)態(tài)值增加，同時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角增大，從而導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，不利于整車的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

3.2 整車載荷對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

Full：滿載；

Empty：空載；

以下為仿真后對(duì)比曲線圖15～16。

圖15　不同載荷下的橫擺角速度

圖16　不同載荷下的側(cè)向加速度

圖17　不同載荷下的質(zhì)心側(cè)偏角

從圖15、圖16可以看出，滿載時(shí)汽車橫擺角速度和側(cè)向加速度的峰值和穩(wěn)態(tài)值都比空載時(shí)大，響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，從而使車輛轉(zhuǎn)向時(shí)靈敏度降低，反應(yīng)速度變慢。從圖17可以看出，滿載時(shí)質(zhì)心側(cè)偏角增大，不利于汽車行駛的穩(wěn)定性[5]。

綜上所述，通過分析該牽引車的前懸架鋼板彈簧剛度和整車載荷等參數(shù)對(duì)操縱穩(wěn)定性所造成的影響，表明：較高的前懸架板簧剛度能夠提高整車的瞬態(tài)響應(yīng)性能；汽車空載時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)于滿載。

4、結(jié)論

本文通過ADAMS軟件，搭建了某重型牽引車的整車模型，根據(jù)GB/T13047《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向回正仿真試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)，從不同角度考察了整車在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)某重型牽引車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為重型牽引車操縱穩(wěn)定性的研究與提高提供了理論依據(jù)及技術(shù)支持。

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[6] GB/T13047汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法.

The Simulation Analysis Of Controllability And Stability for a Heavy-duty Vehicle Based On ADAMS

Wang Junwei, Li Haibo
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract：According to a 6×4 heavy-duty vehicle, the simulation model was established by using the software ADAMS.The handling stability simulation test was carried out based on the national standard: Criterion thresholds and evaluation of controllability and stability for automobiles, the controllability and stability of the heavy-duty vehicle was evaluated by the stationary response and transient response of the vehicle in the movement.in the end, the influence of controllability and stability was studied by the change of the parameters of the spring stiffness of the front suspension and the load of the vehicle.

Keywords:Heavy-duty Vehicle; ADAMS; Handling Stability; Controllability and Stability; Simulation

作者簡(jiǎn)介：王俊偉，工程師，就職于江淮汽車股份有限公司。

中圖分類號(hào)：U461.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-128-04