某轎車操縱穩定性試驗與仿真對比分析

李自平 郝鋅 楊鈞浩

摘 要：為了提升某轎車操縱穩定性，文章制定評價方法，對樣車進行客觀試驗以及整車仿真。通過試驗結果與仿真結果的對比分析，發現模型及樣車存在的問題，可為實際工程問題提供參考。

關鍵詞：操縱穩定性;動力學仿真;客觀試驗

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）10-156-03

Comparative analysis of a car's handling stability test and simulation

Li Ziping，?Hao Xin， Yang Junhao

（?Sichuan Jian'an Industry Co.， Ltd.， Sichuan Chengdu 610100?）

Abstract：?In order to improve the handling stability of a car， an evaluation method is developed in this paper， and objective tests and vehicle simulations are carried out on prototype cars. Through the comparative analysis of the test results and the simulation results， the problems existing in the model and the prototype vehicle are found， which can provide a reference for the actual engineering problems.

Keywords： Handling stability; Dynamic simulation; Objective test

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-156-03

前言

汽車操縱穩定性是汽車的重要性能之一，汽車的操縱穩定性客觀評價是實車在標準工況下運行，根據測量的汽車操縱穩定性的指標來對汽車的性能進行的評價。汽車底盤開發階段，車輛性能目標的設定通常基于客觀評價^[1]。結合虛擬樣機技術，這些試驗可以在仿真環境下進行，從而大大的節省了項目研發的成本，同時縮短了研發時間，并提高了準確性與精確性。

1 試驗及仿真準備

操縱穩定性道路試驗設備包含日本SOHGOH的力矩方向盤、英國Oxford的陀螺儀、英國Racelogic的數據采集儀等。

樣車整車模型是在ADAMS/CAR 2014環境下建立的，整車模型的建立要包含前、后懸架及轉向系統、穩定桿子系統、車身子系統、制動子系統、動力子系統、車輪子系統，所有子系統組裝起來建立整車裝配體，并輸入半載車輛信息，路面文件采用共享路面中的2d_flat^[2]。

2 試驗及仿真對比分析

2.1 滾動轉向

滾動轉向試驗方法是在附著性良好的水平路面，開啟發動機，一擋10 km/h怠速行駛。方向盤從中間位置以勻速打到左側最大角度，再打到右側最大角度，然后打到左側最大角度，最后打到中間位置。

滾動轉向仿真分析的方向盤轉角輸入以50deg/s的速度勻速轉向。表1是關鍵指標。

2.2 斜坡制動

斜坡制動主要考察的是不同制動減速度下的車身俯仰角變化^[3]，試驗方法是在附著性良好的水平路面，將車輛加速到100km/h，保持勻速行駛。掛空檔，滑行到80km/h時，以50N/s的制動力制動，保證在20km/h之前ABS能工作。

斜坡制動仿真參考樣車試驗中車速隨時間變化閉環控制制動減速度線性增加來模擬50N/s的制動力制動。模型中沒有EBD及ABS系統，為了達到與試驗一致的縱向加速度，需要對制動力分配系數進行調整，保證制動過程中前、后車輪不抱死。在仿真過程中，提取試驗車速用做仿真輸入條件，采用速度閉環控制，模型仿真與試驗的車速變化接近。表2是關鍵指標。由數據可知，斜坡制動工況，制動俯仰度的仿真值高于試驗值，該參數與減振器阻尼、整車質心高度相關。

2.3 方向盤中間位置轉向

方向盤中間位置轉向參照ISO 13674-1，在附著性良好的水平路面，保持車速100km/h勻速行駛。方向盤以5s一個周期進行輸入，至少需要4個周期。方向盤的輸入幅值需要保證最大側向加速度達到0.4g。

0.4g方向盤中間位置轉向曲線如圖1所示，左側是試驗曲線，右側是仿真曲線，表3是關鍵指標。

中心區轉向工況，側向加速度死區的方向盤力矩仿真值明顯低于試驗值，與轉向系統摩擦有直接關系，仿真模型中沒有考慮轉向系統摩擦特性。

2.4 穩態回轉

穩態回轉參照ISO 4138。車輛按指定半徑（R=30m）緩慢行駛。緩慢增加車速，修正方向盤確保車輛穩定在固定圓周上，側向加速度增速小于0.02g/s，直至側向加速度最大。表4是關鍵指標：

穩態回轉工況，由于輪胎與路面附著系數不同，得到最大側向加速度的也不同，仿真中，結合試驗來設置穩態回轉的初始和結束條件，穩態回轉的極限位置沒有在仿真中進行體現。

2.5 掃頻轉向

掃頻轉向參照ISO 740。在附著性良好的水平路面，保持車速80km/h勻速行駛。控制方向盤的輸入頻率，從最小值0.2Hz開始，線性地增加到最大值4Hz，輸入幅值保證0.2Hz的側向加速度達到0.2g或0.4g。轉向角階躍曲線如圖2所示，左側是試驗曲線，右側是仿真曲線，表5是關鍵指標。

掃頻轉向工況，側傾阻尼指標，仿真值高于試驗值，除了減振器阻尼、側傾慣量的差異，懸架系統摩擦也有直接關系，通過分析發現摩擦對側傾阻尼的影響占比最大。

2.6 雙移線

雙移線參照ISO 3888-1，車輛以80km/h的速度穿過按照ISO 3888-1設置的標樁，成功則適當提高車速繼續試驗，失敗則以上次成功的試驗車速為最大安全車速。雙移線試驗以整車形式軌跡作為目標的閉環控制來調制轉向盤的輸入，最大通過車速與駕駛員控制系統有關。表6是關鍵指標。

2.7 轉向角階躍

轉向角階躍工況參照GB 6323。試驗方法是在附著性良好的水平路面，以車速100km/h勻速行駛。快速打方向盤并使得方向盤超調量小，達到所要求的側向加速度，固定方向盤直到車輛穩定。仿真分析的方向盤轉向輸入為開環控制，轉角大小以側向加速度0.2g為目標，轉向角階躍分別進行左轉和右轉分析。表7是關鍵指標。

瞬態工況下，由于輪胎的轉動慣量、減振器特性、車身柔性、系統摩擦特性等，仿真結果與實際測試存在一定的差異^[4]。

3 仿真說明

由于樣車整車模型分析中由于摩擦、路面參數、車身柔

性簡化，現對仿真分析結果做如下說明：

由于模型中部分參數不完整，如緩沖塊特性曲線等參數缺失，只能用相似車型的參數進行調試，因此仿真結果與實測結果有一定的誤差。

車輛的狀態（底盤是否松散，反復拆解等）也會對操縱穩定性測試造成影響。

4 結論

本文根據ISO 13674-1、ISO 4138、ISO 7401、ISO 3888-1、GB 6323等標準，結合實際情況，制定整車模型操縱穩定性仿真工況與樣車試驗工況，再對整車模型進行操縱穩定性仿真，對樣車進行操縱穩定性客觀試驗，通過對比分析各工況關鍵指標，總結出懸架系統存在的問題：

（1）不足轉向度偏小（13.36deg/g），除軸荷、輪胎的原因，前、后懸架的運動學、彈性運動學特性沒有提供足夠的不足轉向設計也是重要原因，特別是后懸架存在過多轉向趨勢，減小了整車不足轉向度，但是由于后懸架結構本身受限，難以達到理想狀態，因此需要前懸架需要設計更多的不足轉向特性^[5]。

（2）橫擺角速度（4.09 deg/s）、側向加速度（1.98 m/s?）偏大，高速易造成高速響應過度靈敏，駕駛難度增加。需要從轉向傳動比、不足轉向度進行優化。

（3）較大的瞬態響應時間，特別側向加速度響應時間（146ms），需要結合懸架彈性運動學特性，優化襯套特性^[6]。

參考文獻

[1] Yang J，Suematsu Y and Kang Z.Two-degree-of-freedom controller to reduce the vibration of vehicle engine-body system [J].IEEE Tran -sactions on Control Technology，2011（9）.

[2] 程源.基于ADAMS的汽車操縱穩定性仿真試驗研究[J].公路與汽運，2011（02）.

[3] 黃亮.某SUV操縱穩定性仿真分析及優化[D].西華大學車輛工程， 2017.

[4] 周磊.基于ADAMS的操縱穩定性分析及優化[J].汽車實用技術， 2016（06）.

[5] 趙丹.關于某車型操縱穩定性差的分析與改進[J].汽車實用技術，?2018（03）.

[6] 李白娜.汽車操縱穩定性的仿真分析研究[D].華中科技大學機械工程，2006.