基于流入角實時變化的氣動性對操縱穩定性的影響

高璐 高磊 孫禮

摘要：? 為研究汽車受側風影響時風壓中心線位置對整車操縱穩定性的影響，在CCM+軟件中計算不同風速和不同流入角下的氣動力，獲得氣動力與風速和車速的合速度以及流入角的初始關系曲線。利用MATLAB和Adams/Car聯合仿真，搭建空氣動力學和車輛動力學的雙向耦合模型，以風壓中心線與質心的距離為變量進行仿真分析。結果顯示，隨著風壓中心線由質心前方移動到質心后方：在開環仿真工況中，車輛的側向位移會減小，但是如果風壓中心線位于車輛后方超過一定的距離，車輛會在氣動力產生的橫擺力矩作用下向另外一側偏移;閉環仿真工況中，當風壓中心線穿過車輛質心時，由于側向力的存在，方向盤依然需要一個很小的轉角以維持直線行駛，風壓中心線需要繼續后移以保證方向盤穩態時的回正。

關鍵詞：? 氣動性; 操縱穩定性; 雙向耦合; 風壓中心線; 流入角; 質心; 側風; 聯合仿真

中圖分類號：? U461.1;TB115.1文獻標志碼：? B

收稿日期： 2020-08-04修回日期： 2021-08-31

作者簡介： 高璐（1986—），女，安徽廬江人，研究方向為車輛動力學，（E-mail） 416431884@qq.comInfluence of aerodynamics on handling stability based on

real time change of inflow angle

GAO Lu， GAO Lei， SUN Li

（CAE Department， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： To study the influence of the position of the wind pressure center line on the handling and stability of the vehicle under the influence of crosswind， the aerodynamic forces under different wind speeds and inflow angles are calculated in CCM+ software， and then the initial relationship curves of aerodynamic force with wind speed， vehicle speed and inflow angle are obtained. Using the co-simulation of MATLAB and Adams/Car， a bidirectional coupling model of air aerodynamics and vehicle dynamics is established， and the distance between the wind pressure center line and center of mass is taken as the variable for simulation analysis. The results show that， as the wind pressure center line moves from the front of the mass center to the back of the center， the lateral displacement of the vehicle will be reduced in open loop simulation， however， while the wind pressure center line is located behind the vehicle for more than a certain distance， the vehicle will offset to the other side under the yaw moment generated by aerodynamic force. In closed-loop simulation， while the wind pressure center line passes through the vehicle centroid， due to the existence of lateral force， the steering wheel still need a small angle to maintain straight driving， and the wind pressure center line needs to continue to move backward to ensure the alignment of the steering wheel in steady state.

Key words： aerodynamics; handling stability; bidirectional coupling; wind pressure center line; inflow angle; centroid; crosswind; co-simulation

0引言汽車技術的發展、新材料和新工藝的應用，以及輕量化水平的提升，導致整車輪荷降低。為滿足顧客的個性化追求，汽車造型不得不在氣動性方面作一些犧牲。這些改變均對整車操控產生不利影響。為研究氣動性對整車操控的影響，實現在不影響整體造型風格的前提下，提出有利于車輛穩定性的建議，部分學者嘗試結合空氣動力學和車輛動力學研究汽車的側風穩定性，結果表明：側風的大小、方向和波形等變化，均會對車輛的操縱穩定性產生較大影響[1-14]。但是，這些研究只考慮風載荷變化對汽車姿態的影響，實際上，汽車行駛姿態的變化也會反過來影響汽車側風氣動特性，且風載荷距離車輛質心的位置對車輛的操縱穩定性有重要影響。本文著重于在空氣動力學和車輛動力學雙向耦合、相互影響下研究側風對車輛穩定性的影響。同時，通過提取風壓中心線，分析風壓中心線與車輛質心的位置關系，改變氣動力在Adams/Car模型中的加載位置，模擬風壓中心線的移動，對風壓中心線與車輛質心的距離進行變量分析，為汽車造型開發提供更加準確的量化建議。

1雙向耦合聯合仿真模型首先，在CCM+軟件中獲得氣動力和力矩與車速、流入角之間的關系曲線，再將這些曲線作為二維查表，導入MATLAB與Adams/Car聯合仿真模型中，通過Adamc/Car輸出車速和車輛在風場中的姿態，計算出風速與車速的合速度和流入角，再通過查表讀取氣動力和力矩，并施加到Adams/Car模型中，形成閉環仿真。

1.1風場的定義風場主要模擬城市隔離帶中間縫隙帶來的側風井噴效應，其定義示意見圖1。車輛沿右側車道向前行駛，同時車身右側受側風影響，具體風速設置見表1[15]。

1.2氣動力和氣動力矩原始數據獲取通常，車輛在側風中直線行駛時，流入角小于30°，當風速為10 m/s、車速為27.7 m/s（100 km/h）時，兩者的合速度小于145 km/h。在CCM+軟件中，流入角τ取0°～30°，車速取100～145 km/h進行計算，獲得氣動力和氣動力矩與流入角以及合速度的原始關系曲線，見圖2～7。將該曲線作為MATLAB和Adams/Car聯合仿真模型中氣動力和力矩二維查表的原始曲線。

1.3實時流入角的計算

1.3.1坐標系定義取車輛局部坐標系與Adams/Car坐標系相同，x軸指向車尾，y軸指向車身右側，z軸垂直向上。風場絕對坐標系為：x軸由北指向南，y軸由西指向東，z軸垂直于地面向上。以上2個坐標系的繞坐標軸旋轉運動均符合右手定則。

1.3.2風速和車速的夾角車輛在風場中受到的風速與車速的關系示意見圖8。根據車輛在風場絕對坐標系中繞z軸的旋轉角度θ和汽車的質心側偏角β計算風速與車速的夾角α，具體計算公式[15-16]見表2。α用于計算風速和車速的合速度。

1.3.3風速和車速合速度計算根據風速和車速的夾角α以及車速和風速的大小，通過余弦定理計算風速和車速的合速度，作為聯合仿真模型中氣動力和力矩二維查表的輸入參數之一。V2合=V2風+V2車-2V風V車cos（π-α）????? （1）式中：V車為車速;V風為風速;V合為風速和車速的合速度;α為風速與車速的夾角。

1.3.4實時流入角的計算當車輛位于第一、四象限時，風速與車速合速度的流入角τ等于合速度與車速的夾角減去車輛的質心側偏角β;當車輛位于第二、三象限時，τ等于合速度與車速的夾角加上質心側偏角β。通過余弦定理計算合速度與車速的夾角δ，即V2風= V2合+V2車-2V合V車cos δ???????? （2）將流入角τ作為聯合仿真模型中氣動力和力矩二維查表的另外一個輸入參數，其計算公式見表3。

2單向模型說明在分析側風影響時，單向模型假設側風始終垂直于汽車縱向，忽略行駛中汽車質心側偏角的存在，且車速方向為沿汽車縱向，同時忽略汽車受側風影響后發生橫擺而造成流入角的變化。

3仿真工況的設計

3.1角階躍工況單向模型和雙向耦合模型的差異在角階躍工況下，分析單向模型和雙向耦合模型的差異，見圖9～11。隨著時間推移，單向模型和雙向耦合模型中的橫擺角、質心側偏角和側向加速度結果差異越來越大，并且有隨時間增加而持續增大的趨勢。具體模型結果對比見表4。

3.2基于雙向耦合模型分析風壓中心線和車輛質心相對位置對操縱穩定性的影響3.2.1開環仿真時直線行駛當行駛中的車輛受側風影響時，評價無駕駛員干預情況下車輛的偏航程度，設定車速為100 km/h。為分析風壓中心線位置對操縱穩定性的影響，在CCM+軟件中提取風壓中心線，發現車輛質心位于風壓線后方553 mm、上方95 mm處。想要得到具有準確風壓中心線位置的新造型非常困難，因此通過調整氣動力在Adams/Car模型中的加載點模擬風壓中線位置的變化。基于開環仿真和閉環仿真2個工況，評估風壓中心線位置對操縱穩定性的影響。在開環仿真中，車輛行駛時風壓中心線到車輛質心距離對操縱穩定性影響的分析結果見圖12。

隨著風壓中心線后移，車輛的側向位移在一定范圍內逐漸減小，但是當風壓中心線位于車輛質心后方很遠處時，車輛會在氣動力矩的作用下向另一側偏移。

3.2.2閉環仿真時直線行駛當行駛中的車輛受側風影響時，評價駕駛員通過修正方向盤維持直線行駛的難易程度。閉環仿真中車輛行駛時風壓中心線位置對操縱穩定性的影響結果見圖13。當風壓中心線穿過車輛質心，即氣動力加載點后移553 mm、上移95 mm時，雖然氣動力產生的橫擺力矩幾乎為0，但此時側向力仍然存在，故穩態時方向盤仍需要較小的轉角以維持直線行駛，不能回正。隨著風壓中心線繼續后移，當氣動力產生的橫擺力矩可以平衡側向力時，方向盤穩態角度幾乎為0，即方向盤可以回正。此時，若風壓中心線繼續后移，氣動力產生的橫擺力矩會繼續增大，導致方向盤需向另一個方向給定一個角度，才能維持直線行駛，

4結論提出基于流入角實時變化的空氣動力學和車輛動力學雙向耦合分析方法，該方法可以更準確地反應氣動力對操縱穩定性的影響程度。以風壓中心線與車輛質心的相對位置為變量，分析開環仿真和閉環仿真時氣動力對操縱穩定性的影響，得到以下結論。（1）隨著風壓中心線由質心前方移到質心后方，開環仿真時，車輛行駛的側向位移會減小，但是如果風壓中心線位于車輛后方超過一定的距離，車輛會在氣動力產生的橫擺力矩作用下向另外一側偏移。（2）閉環仿真時，若風壓中心線穿過車輛質心，由于側向力的存在，方向盤依然需要一個很小的轉角維持直線行駛，風壓中心線需要繼續后移以保證方向盤穩態時的回正，本文模型中風壓中心線約位于質心后方100 mm處可實現方向盤的穩態回正。文中未考慮車輛發生小角度俯仰、側傾時氣動力的變化，而事實上車輛的俯仰和側傾也會導致氣動力和力矩變化，可以借用相似的手段進行綜合分析。參考文獻：

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