汽車橫風下的動力學仿真分析及橫擺穩定性研究

吳帥　賈寶光　位球球　辛慶鋒

摘 要：目前隨著汽車行業的發展，對于汽車的穩定性能要求也越來越高。本論文以某款車型為研究對象，探討在高速的行駛的情況下，汽車結構參數、底盤參數等20個參數對于汽車橫風穩定性的影響。首先利用CFD軟件計算車輛氣動力系數，并通過Carsim軟件建立整車動力學仿真模型，將氣動力系數導入Carsim氣動力學模型中。在專家工程師所設定可接受程度的參數進行動力學仿真分析，并將汽車的橫擺角速度作為車輛的穩定性能指標評估。仿真結果表明，汽車前、后載荷對于橫擺穩定性能影響最大，針對此款后驅車輛，前/后載荷增大，橫擺穩定性能越好；風壓中心位于質心或質心稍微靠后的位置，橫擺角速度較小，具有較好橫擺性能。

關鍵詞：橫風穩定性 動力學仿真 汽車底盤 CFD Carsim

1 前言

近些年來，新能源汽車行業快速發展，汽車穩定性能成為了研究的熱點之一。同時電動汽車或混合動力汽車等創新汽車概念進一步挑戰了乘用車的基本布局[1]。汽車在行駛過程中常會受到橫風氣流的干擾，尤其是車輛經過橋梁、涵洞、高樓等位置，車輛常常會產生較大的橫擺角速度，這種情況下會較大影響車輛的舒適性和安全性，所以對于車輛橫風穩定性的研究是必要的。

目前針對車輛的橫風穩定性方法主要有三種：有限元分析、風洞試驗、動力學分析方法。

針對有限元法和風洞試驗，這兩種方法主要運用于車輛氣動外形的分析。M. Gohle[2]通過風洞試驗分析了a柱圓角、引擎蓋-擋風玻璃夾角、后蓋角度參數對于車輛側向力的影響，a柱半徑較大時，橫擺力矩減小；引擎蓋-擋風玻璃夾角對于前輪和后輪的效果相反，夾角減小，前輪側向力減小，但后輪側向力增加；后蓋角度會極大影響橫擺力矩。王夫亮[3]針對某轎車模型，通過數值模擬和風洞試驗對比氣動六分力的對比，驗證了利用CFD計算氣動力系數的可行性，并研究橫風風速對于汽車氣動特性的影響。

從動力學方法來看，目前學者主要運用多自由度動力學模型。H. Noguchi[4]建立了考慮橫向氣動力的二自由度的車輛動力學，并與風洞試驗相對比，具有較好的吻合度。這也說明了利用動力學方法分析車輛橫風性能的可行性。馮永華[5]通過ADAMS動力學仿真軟件建立了側風環境下整車動力學模型，并開展了階躍陣風條件下汽車直線的動態性能仿真，最后對某些汽車結構參數進行了靈敏度分析。呂佳琪[6]在側風仿真分析中得出風壓中心的相對于質心位置之后時，汽車會獲得更好的穩定性。Jakob Huemer[7]通過車輛動力學仿真，研究了車輛基本布置參數變化和非定常氣動效應力對汽車動力學橫風性能影響，其中后軸載荷對于車輛橫向響應靈敏度最高。Yang Wang[8]通過TruckSim仿真軟件研究了橫風對于箱式卡車的影響。梁寶鈺[9]采用了雙向耦合方法，將CFD中的氣動模型與MBD多體動力學模型通過MATLAB耦合，研究了基于DYC控制下的汽車瞬態橫風性能。但這種耦合方法，仿真難度較大，對計算機性能要求高，仿真效率低，難以實現對大量參數靈敏度分析。

本文首先利用CFD計算出六分力的空氣動力學系數，再通過多體動力學CarSim仿真軟件搭建汽車模型，對車輛參數進行進行靈敏度分析。

2 車輛橫風模型

車輛模型采用了CarSim軟件進行搭建整車模型，其中參數均來源于為后驅車型的結構。

其中車輛的CarSim中的空氣動力學模型為

（1）

其中、、分別表示，氣動阻力、氣動側向力、氣動升力。、、表示氣動力的相對應的氣動系數，這些系數與氣動流入的側偏角相關聯。其中與橫風性能相關的為，它主要影響到汽車的側偏性能。

（2）

其中、、分別表示，側傾力矩、俯仰力矩、橫擺力矩。、、表示氣動力矩的相對應的氣動系數，這些系數與氣動流入的側偏角相關聯。其中與橫風性能相關的為，它主要影響到汽車的橫擺性能。

根據實際車輛結構，利用CFD軟件分析得到上述的空氣動力學六分力系數。如圖1所示。

3 分析過程

梁寶玉等的研究[9]指出，目前對于橫風性能主要從三個角度進行分析：車輛側滑、橫擺角、側傾角，故本論文將采用從橫擺角速度這個性能參數作為評估車輛結構對于橫擺穩定指標。本論文的工況為：階躍變化的橫風，風速為16 m/s。車速為100kph，方向盤標定為0°開環控制。圖2為Carsim仿真軟件界面。圖3車輛側風模型。

主要涉及的結構參數以及設計變量的變化見表1。

針對上述結構參數的變化，通過仿真，求出各參數變化中的最大橫擺角速度幅值，導入到Matlab中對同一參數，不同設計變量變化進行線性擬合，從而得到此變量對車輛性能的影響程度，下一步通過將各值與數據中影響程度最大的進行比較得到結構參數靈敏度，性能評估公式如下式3。為擬合后的橫擺角速度的最大幅值，Vst。Lfit為線性擬合，LVfmax為橫擺角速度線性擬合中的最大值，Syaw為橫擺角速度靈敏度。

（3）

處理后的結果見圖4。圖中正百分比表示性能變差，負百分比表示性能變好，針對于橫擺角速度，前軸載荷增大對于車輛的影響最大，其次為輪胎側向剛度和簧下質量，AC和GC的x向變化。圖5為AC和GC相對位置變化對于車輛的橫擺角速度變化的影響。從仿真結果可以看出，風壓中心越靠近質心時，橫擺角速度越小，風壓中心在質心之后，逆著風向產生橫擺，相比位于質心前具有較好的橫擺角性能，但如果靠后過大，橫擺性能會變差。

4 結論

本文主要針對某款后驅車輛，研究了結構參數對于車倆橫風性能的影響。由上述仿真結果，可以得出以下幾點結論：

在橫風條件下，車輛的前后軸載荷分配對于后驅車輛橫風性能是關鍵性因素。故在結構設計初期，應該分配好前后載荷比。在軸荷比無法改變時，可以通過改進輪胎和增加簧下質量來提升橫擺性能。

前軸載荷比中，實際上涉及了AC中心和GC的相對位置，當AC和質心向重合時，橫擺角速度最小，故此設計車輛外型參數時，應該考慮的整車的質量分布和風壓中心的位置，把AC設計在GC附近，或者靠AC之后的位置，但不宜過大。

參考文獻：

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[2]Gohlke M ， Beaudoin J F ， Amielh M ，et al.Shape influence on mean forces applied on a ground vehicle under steady cross-wind[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2010，98（8-9）：386-391.

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[4]Noguchi H. An analysis of vehicle behaviour in a cross wind[J]. International Journal of Vehicle Design，1985.

[5]馮永華. 高速汽車側風穩定性研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[6]呂佳琪. 側風環境下的乘用車操縱穩定性研究[D].長春：吉林大學，2015.

[7]李云寶，李森，常桂秀，等.輪胎選型的主客觀評價試驗方法[J].北京汽車，2023（03）：5-9.

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[9]梁寶鈺，汪怡平，劉珣，等.基于直接橫擺力矩控制的高速車輛側風穩定性研究[J].武漢理工大學學報，2021，43（11）：43-49+96.