基于多體動力學的汽車操縱穩(wěn)定性試驗研究

楊俊華

摘 要：汽車的操縱穩(wěn)定性是保持汽車穩(wěn)定行駛的重要特性，關(guān)系到車輛、駕乘人員以及行人的安全。文章以基于多體動力學的汽車操縱穩(wěn)定性試驗作為主要研究課題，選取某車對其操縱穩(wěn)定性進行仿真試驗，得出該車具有較好的操縱穩(wěn)定性能的結(jié)論，希望文章研究可以為汽車的開發(fā)設(shè)計起到一定的指導作用。

關(guān)鍵詞：多體動力學；汽車；操縱穩(wěn)定性；仿真

中圖分類號：U461.6 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-41-06

Abstract： The steering stability of a car is an important feature that keeps the car moving steadily. It concerns the safety of vehicles， occupants and pedestrians. In this paper， based on the multi-body dynamics of the vehicle handling stability test as the main research topic， select a car to simulate its handling stability and draw the conclusion that the car has good handling and stability， I hope this study can be for the car The development and design play a guiding role.

Keywords： multi-body dynamics； automobile； handling stability； simulation

CLC NO.： U461.6 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-41-06

引言

所謂汽車操縱穩(wěn)定性能，指的是汽車能根據(jù)駕駛員的控制能力進行行駛，且能夠抵抗外界干擾保持穩(wěn)定行駛的性能。操縱穩(wěn)定性決定著車輛在行駛過程中是否安全，且已作為關(guān)鍵技術(shù)指標用來對汽車性能進行評價。多體動力學為一種復雜機械系統(tǒng)，是由多個物體通過運動副連接而成。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，計算機仿真技術(shù)廣泛應用于汽車工業(yè)中。尤其是多體動力學理論的發(fā)展，讓多體動力學理論廣泛應用于汽車操縱穩(wěn)定性研究和設(shè)計領(lǐng)域中。本文則基于此，以多體動力學為理論，對汽車操縱穩(wěn)定性進行了試驗與仿真分析。通過仿真分析得知，該車操縱穩(wěn)定性能較好。

1 方向盤角階躍輸入試驗

1.1 仿真標準與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，該車在仿真車速為90kmh的情況下，進行整車動力學模型的滿載試驗，方向盤的角階躍表現(xiàn)為0.1秒的時間內(nèi)起躍9.2°，使得汽車穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度的數(shù)值增長為0.2g。

1.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果

對于方向盤角階躍的輸入試驗，其主要涉及到以下幾個變量。見圖1-圖6。

橫擺角速度峰值時間能夠由圖3得知。

橫擺角速度超調(diào)量根據(jù)式（1）明確：

在此之中，“汽車因素”TB主要由橫擺角速度峰值響應時間和汽車質(zhì)心穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角相乘得來。

基于以上計算，得到表1所示的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.3 仿真結(jié)果評價

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，汽車橫擺角速度響應時間的評分見式（4）：

2 方向盤角脈沖輸入試驗

2.1 仿真標準與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，該車在仿真車速為90kmh的情況下，進行整車動力學模型的滿載試驗，其中，方向盤轉(zhuǎn)角輸入脈寬表現(xiàn)為0.4s，在2s時，方向盤轉(zhuǎn)動88°，使之最高側(cè)向加速度增長到0.4g，同時，仿真時間表現(xiàn)為10s。

2.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果

對于方向盤角脈沖輸入試驗，其主要涉及到以下幾個變量。見圖7-圖10。

根據(jù)試驗所得到的結(jié)果，取其均值，可得出汽車的幅頻及相頻特性圖，見圖11、圖12，其中，橫坐標的最大值表現(xiàn)為3Hz。

根據(jù)GB/T13047-1991分別計算出諧振頻率fP平均值，諧振峰水平D與相位滯后角α。數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

2.3 仿真結(jié)果評價

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，對轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應試驗及方向盤角脈沖輸入試驗進行評分。

對于本車，f、D及α的上限值f100、D100、α100分別選擇1.00、2.00、40.0，其下限值f60、D60、α60則分別選擇0.60、5.00、80.0。

諧振頻率f的評價分值，根據(jù)式（6）明確：

NM表示的是方向盤角脈沖輸入試驗的綜合評分。

根據(jù)以上參數(shù)和公式，可以得到Nf=100，ND=97.24，Nα=100。最終得出NM=99.08。

3 轉(zhuǎn)向回正性能試驗

3.1 仿真標準與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，于低速情況下對車采取轉(zhuǎn)向回正試驗。以半徑為15m為基礎(chǔ)，讓汽車以圓周行駛，將側(cè)向加速度提升至4m/s2，而后維持均勻車速，3s后突然松開方向盤，對其運動不低于4s的過程做記錄，運用公式 對其仿真時的車速計算出為27.8Km/h，該試驗側(cè)重對橫擺角速度與時間變化關(guān)系的研究。

3.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果

對該車參照上述試驗方法來作仿真試驗，于橫擺角速度與時間歷程曲線上，定義t=10s時為坐標原點，評價指標如下：

1）穩(wěn)定時間—時間坐標原點到處于新穩(wěn)態(tài)值時橫擺角速度的時間間隔；

2）殘留橫擺角速度—放開轉(zhuǎn)向盤3s時的橫擺角速度值（包含有零值）；

3）橫擺角速度超調(diào)量—第一個橫擺角速度峰值超出新穩(wěn)態(tài)值的部分與新穩(wěn)態(tài)值之間的比值；

4）橫擺角速度總方差值。

表3和圖13為轉(zhuǎn)向回正仿真試驗結(jié)果。

3.3 仿真結(jié)果評價

由上述公式算出低速轉(zhuǎn)向回正仿真試驗的評價計分值，NH=83。見下表4。

根據(jù)表4計分值可見，低速轉(zhuǎn)向回正下橫擺角速度總方差計分較小，應加大初始橫擺角速度值，整體上的低速回正性能較好。

4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗

4.1 仿真標準與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，轉(zhuǎn)向輕便性實驗是讓汽車按照雙扭線進行等向行駛，并對轉(zhuǎn)向盤力矩等值做相關(guān)記錄。該試驗往往用于轉(zhuǎn)向盤力輸入特性的評價，尤其是轉(zhuǎn)向輕便性的評價。

雙扭線的極坐標方程見式（13）：

5 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗

5.1 仿真標準與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，仿真中汽車以最低勻速按照初始半徑為20m進行圓周運動，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為303.8度。然后加速（加速度為200mm/s2）并穩(wěn)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。本試驗為左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤組，仿真分析結(jié)果見圖18-圖21：

5.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果

1）轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0與側(cè)向加速度ay關(guān)系

根據(jù)對橫擺角速度于汽車的前進車速的相關(guān)記錄，采取式（21）對各點的轉(zhuǎn)彎半徑進行計算：

然后計算各點的轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0（R0為初始半徑，m），結(jié)合最終結(jié)果，繪制Ri/R0—ay曲線。

2）汽車前后偏差角差值（δ1?δ2）與側(cè)向加速度ay的關(guān)系

汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時，（δ1?δ2）根據(jù)式（22）明確：

3）車身側(cè)傾角Φ與側(cè)向加速度ay的關(guān)系曲線

結(jié)合對車身側(cè)傾角記的相關(guān)記錄，繪制Φ—ay關(guān)系曲線

基于GB/T 13047的相關(guān)標準，對側(cè)向加速度an、不足轉(zhuǎn)向度U以及車身側(cè)傾度KΦ進行找尋。

參照郭孔輝《汽車操縱動力學》書中所設(shè)定的評分標準，各指標計分如下：

1）中性轉(zhuǎn)向點的側(cè)向加速度值an的評價計分值根據(jù)式（23）計算：

2）對于不足轉(zhuǎn)向度U，由前、后橋側(cè)偏角差值和側(cè)向加速度值為2m/s2時的平均斜率為基礎(chǔ)來進行計算，其評分值由式（24）來得出：

3）對于車廂側(cè)傾度KΦ，由車廂側(cè)傾角和側(cè)向加速度值為2m/s2時的平均斜率為基礎(chǔ)來進行計算，其評分值由式（25）來得出：

結(jié)合式（24）（25）（26）評價可得出：

1）中性轉(zhuǎn)向點側(cè)向加速度值的評價計分值Nan=100；

2）不足轉(zhuǎn)向度U=0.185（?）s2/m，其評價計分值NU=84.64；

3）車廂側(cè)傾度KΦ=0.378（?）s2/m，其評價計分值NΦ=100；

4）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的綜合評分94.88。根據(jù)上述特性曲線以及各指標的評分結(jié)果可得出：該車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)為不足轉(zhuǎn)向，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性較好。

6 蛇形試驗

6.1 仿真標準與方法

根據(jù)GB/T 6323-2014標準，按照汽車基準速度65km/h來試驗，讓汽車沿蛇形路線運動。

6.2 仿真數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果

將以上各操縱穩(wěn)定性試驗所得到的評分值代入式中，可以得到該車操縱穩(wěn)定性的綜合分數(shù)，即為NZ=89.06，說明整車操縱穩(wěn)定性較好。

8 結(jié)論

本文以多體動力學為基礎(chǔ)，對某車操縱穩(wěn)定性進行了仿真試驗，最終得出此車的操縱穩(wěn)定性總評價為89.06分，說明該車操縱穩(wěn)定性良好。本文研究可以為汽車設(shè)計起到一定的指導作用，降低汽車設(shè)計的成本。但由于筆者自身能力的不足，加之相關(guān)資料的缺失，本文研究還不夠深入詳細，在后期還有待進一步完善。

參考文獻

[1] 王鑫，趙強，何法，等.線性二自由度汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析[J]. 森林工程，2016，32（1）：64-67.

[2] 潘公宇，張明梅.高速轉(zhuǎn)向工況下汽車操縱穩(wěn)定性和平順性研究[J]. 廣西大學學報（自然科學版）， 2016， 41（3）：674-683.

[3] 余卓平，肖振宇，冷搏，等.分布式驅(qū)動電動汽車操縱穩(wěn)定性控制評價體系[J].華東交通大學學報， 2016， 33（5）：25-32.

[4] 魏道高，李莉莉，王鵬，等.考慮懸架影響的汽車操縱穩(wěn)定性閉環(huán)系統(tǒng)Hopf分岔特性[J].汽車工程， 2016， 38（2）：141-148.

[5] 趙旗，王維，羅蘭，等.基于UniTire側(cè)向力模型的汽車操縱穩(wěn)定性的建模和仿真[J].科學技術(shù)與工程， 2016， 16（32）：127-131.

[6] 田原嫄，任利亞，李偉.剛?cè)狁詈溪毩壹軐ζ嚥倏v穩(wěn)定性的影響[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車， 2016（2）：16-18.

[7] 潘佳煒，袁世海，謝偉忠.擬合次數(shù)對汽車操縱穩(wěn)定性客觀評價指標的影響[J].汽車技術(shù)，2016（2）：29-32.

[8] 高小清，程軍.汽車操縱穩(wěn)定性評價方法研究[J].汽車技術(shù)， 2017 （3）：8-11.