梁媛媛， 張 晶， 吳 正， 高若曼

(1.中國(guó)人民解放軍63966部隊(duì),北京100072；2.北京交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京100044)

通過(guò)分析履帶式裝甲車各典型任務(wù)的主要駕駛特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)裝甲車行駛地形復(fù)雜，許多任務(wù)剖面都包括上坡道路行駛[1].因此，文中將對(duì)裝甲車上坡行駛?cè)蝿?wù)開(kāi)展仿真研究.

駕駛員駕駛訓(xùn)練是為了提升駕駛員駕駛水平，提升作戰(zhàn)效率.軍隊(duì)已有一些較為成熟的駕駛訓(xùn)練指導(dǎo)資料，但不同裝甲車有不同的特點(diǎn)，現(xiàn)有資料不能包含所有車型的特點(diǎn)，如果都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，又將增加實(shí)驗(yàn)周期，提高研發(fā)成本.GT-suite軟件不僅可以搭建發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型和車輛行駛仿真模型，還能搭建駕駛員模塊與控制模塊，模擬駕駛員駕駛行為對(duì)車輛行駛的影響，能夠較好地滿足對(duì)駕駛員駕駛行為的研究需求.因此，文中將針對(duì)某一車型用GT-suite仿真軟件，研究駕駛員駕駛行為對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響情況[2-5].對(duì)上坡行駛的駕駛行為規(guī)律進(jìn)行仿真研究，分析不同駕駛行為、不同車輛初始狀態(tài)對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響，為駕駛員駕駛訓(xùn)練提供理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)學(xué)模型

能量守恒方程表示為

(1)

式中：m為缸內(nèi)氣體質(zhì)量；u為缸內(nèi)氣體內(nèi)能；QB為燃料在氣缸內(nèi)燃燒放出的熱量；QW為氣缸各壁面?zhèn)魅牖騻鞒龅臒崃?；ms為流入氣缸的氣體質(zhì)量；me為流出氣缸的氣體質(zhì)量；hs為進(jìn)氣門門處氣體的比焓；he為排氣門處氣體的比焓；V為氣缸工作體積；p為缸內(nèi)氣體壓力；φ為曲軸轉(zhuǎn)角.

質(zhì)量守恒方程表示為

(2)

理想氣體狀態(tài)方程可表示為

pV=mRT,

(3)

式中：T為氣體溫度；R為比例常數(shù).

1.2 車輛動(dòng)力學(xué)模型

基于GT-suite軟件的特點(diǎn)，分析車輛行駛過(guò)程中的受力情況.車輛起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳到主動(dòng)輪，半徑為r的主動(dòng)輪帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng).地面對(duì)履帶的作用力就是驅(qū)動(dòng)車輛的力，可表示為

(4)

式中：Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩；ig為變速器傳動(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率.

車輛勻速行駛在平直路面時(shí)，需克服滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力FW；當(dāng)車輛行駛在上坡道路時(shí)，需要克服重力沿坡道的分力，即坡度阻力Fi；當(dāng)車輛加速行駛時(shí)，還需克服加速阻力Fj.車輛行駛阻力可表示為

Fr=Ff+FW+Fi+Fj.

(5)

汽車行駛方程為

(6)

式中：G為車輛重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ>1；dv/dt為車輛加速度，m/s2.

車輛爬坡能力一般指在良好路面上克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力后，驅(qū)動(dòng)力的余力全部用來(lái)克服坡度阻力，即等速狀態(tài)爬坡行駛，du/dt=0，所以

(7)

因此，車輛爬坡度可由下式計(jì)算

(8)

車輛行駛過(guò)程中，除了驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和車輛行駛的阻力功率也相互平衡.將車輛行駛方程兩邊同時(shí)乘上車速，經(jīng)變換可得到車輛功率平衡方程.當(dāng)坡度較小時(shí)，cosα≈1，sinα≈tanα=i.

(9)

2 仿真模型建立及驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比多種仿真軟件發(fā)現(xiàn)，GT-suite軟件不僅可以搭建發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型和車輛行駛仿真模型，還能搭建駕駛員模塊與控制模塊，模擬駕駛員駕駛行為對(duì)車輛行駛的影響，能夠較好地滿足文中對(duì)駕駛員駕駛行為的研究需求.利用GT-suite軟件搭建仿真模型，為后文仿真研究奠定基礎(chǔ).

2.1 道路模型

裝甲車依靠履帶與路面之間的相互作用獲得前進(jìn)所需的牽引力，道路特性對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)有著直接的影響.文中對(duì)干燥土地道路的上坡行駛?cè)蝿?wù)開(kāi)展仿真研究.在GT-suite中設(shè)定路面參數(shù)，搭建道路模型，同時(shí)，在車體模塊、駕駛員模塊等模塊中設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，開(kāi)展不同道路條件下駕駛員駕駛行為規(guī)律研究.

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立

在進(jìn)行仿真研究時(shí)，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型和整車行駛仿真模型耦合計(jì)算，則計(jì)算效率非常低.因此，在研究整車行駛過(guò)程時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)模塊替代發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型.建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型，調(diào)試模型使之精度達(dá)到要求.再利用該模型計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)模塊所需的數(shù)據(jù)，輸入到整車仿真模型的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊中，進(jìn)行整車仿真研究，可大大降低計(jì)算時(shí)間，提高研究效率.

基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)學(xué)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化后的物理模型，將發(fā)動(dòng)機(jī)劃分為若干個(gè)系統(tǒng)模塊.在GT-suite軟件中搭建發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程仿真模型，具體建模步驟如下：

1)將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸模塊、曲軸箱模塊、進(jìn)排氣模塊、進(jìn)出口環(huán)境模塊、噴油器模塊等各個(gè)模塊從模板庫(kù)中拖拽至建模區(qū)域，將各模塊合理擺放.

2)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，將發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的各個(gè)模塊依次連接起來(lái).

3)雙擊打開(kāi)各個(gè)模塊，將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能參數(shù)等輸入到各子模塊中.

4)將各個(gè)系統(tǒng)和環(huán)境條件模塊連接起來(lái)，將發(fā)動(dòng)機(jī)子模塊與子系統(tǒng)集成.發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.氣缸排列方式為V型60o；進(jìn)氣方式為渦輪增壓.通過(guò)調(diào)試和修改，建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.3 整車行駛模型建立及驗(yàn)證

基于整車行駛數(shù)學(xué)模型和車輛物理模型，搭建整車行駛仿真模型.基于GT-suite軟件的特征，同時(shí)為了簡(jiǎn)化仿真計(jì)算過(guò)程，對(duì)車輛系統(tǒng)作如下假設(shè)：①忽略傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的彈性阻尼變化；②簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)的工作過(guò)程，假設(shè)傳動(dòng)軸僅傳遞轉(zhuǎn)矩；③忽略車輛系統(tǒng)行駛過(guò)程中的震動(dòng)情況；④車輛系統(tǒng)各個(gè)部件均以集中質(zhì)量形式出現(xiàn).

搭建整車行駛仿真模型主要包含以下幾個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型、行駛系統(tǒng)模塊、制動(dòng)系統(tǒng)模塊、駕駛員模塊、控制器模塊.首先,分別建立各部分的仿真模塊，然后,將各個(gè)部分依次連接起來(lái)建立整車行駛仿真模型.進(jìn)行調(diào)試并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證，最終將模型誤差控制在指定范圍內(nèi).

車輛的主要參數(shù)如表2所示.搭建完成的整車行駛仿真模型如圖1所示.

表2 履帶式裝甲車主要參數(shù)

圖1 整車行駛仿真模型

表3為整車仿真模型的計(jì)算值與實(shí)車試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果.可以看出，整車行駛仿真模型精度達(dá)到要求.

表3 整車行駛仿真值與實(shí)車試驗(yàn)值誤差對(duì)比

3 上坡行駛仿真研究

通過(guò)對(duì)駕駛員駕駛行為的模擬，對(duì)裝甲車上坡行駛開(kāi)展仿真研究[6].其中，所研究車型的最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律，如表4所示.

表4 動(dòng)力性換擋規(guī)律

3.1 低擋、低速上坡行駛

為了研究駕駛員駕駛行為對(duì)車輛行駛的影響，接下來(lái)針對(duì)不同的坡度和長(zhǎng)度進(jìn)行仿真，研究不同駕駛行為對(duì)車輛行駛的影響情況.選擇所研究車型的各擋性能參數(shù)如表5所示.

在仿真模型中設(shè)定不同的駕駛員駕駛行為參數(shù)和道路模型參數(shù)，模擬研究不同道路上的駕駛操作對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響.一般的履帶式裝甲車爬坡的坡度范圍在10%～25%之間，因此，針對(duì)坡度為5 %、10 %和25 %的道路開(kāi)展研究.

首先，研究裝甲車1擋狀態(tài)下、以0 km/h的初速度，駛?cè)氩煌露取㈤L(zhǎng)度200 m的上坡道路后的駕駛行為.具體設(shè)定參數(shù)如表5所示.

表5 道路參數(shù)與駕駛員動(dòng)作參數(shù)設(shè)定

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算得到如下結(jié)果.圖2為在5 %的坡道上車輛行駛速度與擋位變換情況.

圖2 5%坡道上擋位選擇對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響

從圖中可以看出，坡度為5 %時(shí)，1至3擋均可穩(wěn)定爬坡.且隨著最高擋位的升高，車輛動(dòng)力性升高，完成200 m上坡路程所需時(shí)間逐漸減少.

仿真得到車輛在10 %的坡道上的行駛速度與擋位變換情況，如圖3所示.

圖3 10%坡道上擋位選擇對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響

坡度為10 %時(shí)，1擋和2擋均可穩(wěn)定爬坡.且隨著最高擋位的升高，車輛行駛200 m所消耗的時(shí)間越來(lái)越少，動(dòng)力性越來(lái)越好.約14 s時(shí)，從2擋升至3擋，車速開(kāi)始下降，到27 s時(shí)，擋位切換至2擋，車速再次上升，并開(kāi)始出現(xiàn)換擋循環(huán)現(xiàn)象.出現(xiàn)這種情況的原因是10 %的坡度超出了3擋的爬坡能力，使用3擋時(shí)后備功率不足，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率不足以使車輛克服滾動(dòng)阻力、坡道阻力等行駛阻力.仿真得到車輛在25 %的坡道上行的駛速度與擋位變換情況，如圖4所示.

圖4 25%的坡道上擋位選擇對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響

坡度為25 %時(shí)，1擋可以穩(wěn)定爬坡.2擋和3擋均出現(xiàn)了換擋循環(huán)情況，因?yàn)?5 %的坡度超出了2擋和3擋的爬坡能力，車輛后備功率不足，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率不足以使車輛克服行駛阻力.

3.2 中低擋、中速上坡行駛

前文仿真了車輛在上坡起點(diǎn)處?kù)o止出發(fā)，在上坡過(guò)程中逐步換擋、提速的過(guò)程.而在實(shí)際駕駛?cè)蝿?wù)中，通常不會(huì)在上坡的起點(diǎn)處從靜止加速，而是以某一初速度駛?cè)肷掀碌缆?接下來(lái)，研究車輛以不同初速度、中低擋位駛?cè)腴L(zhǎng)度為100 m坡道的情況.具體的參數(shù)設(shè)定與相應(yīng)算例的仿真時(shí)間，如表6所示.

表6 道路參數(shù)與駕駛員動(dòng)作參數(shù)設(shè)定與仿真結(jié)果

從上表可以看出，在坡度為5%和10%的坡道上行駛，初始擋位和初始車速越高，完成起步加速至32 km/h的時(shí)間越短，車輛動(dòng)力性越好.保持坡度能夠使用的最高擋位用時(shí)最短；盲目遵循動(dòng)力性換擋規(guī)律的用時(shí)最長(zhǎng).

3.3 高擋、高速上坡行駛

車輛在高初速度、高擋位駛?cè)腴L(zhǎng)度為200 m的上坡道路時(shí)，車輛行駛狀態(tài)變化規(guī)律.參數(shù)設(shè)定如表7所示.

表7 道路參數(shù)與駕駛員動(dòng)作參數(shù)設(shè)定

第1至4和5至8算例的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于坡度較小，車輛高速駛?cè)肫碌罆r(shí)速度降低很慢，因此，在有限的距離內(nèi)未到達(dá)降擋車速不需要進(jìn)行換擋操作，車輛能夠以很短的時(shí)間高速通過(guò)坡道.

第9～11算例仿真計(jì)算車輛在10%的坡道上，以32 km/h的初速度、4擋狀態(tài)駛?cè)肷掀缕碌?，設(shè)定不同的換擋規(guī)律，得到的車速與擋位變換情況如圖5所示.

圖5 10%坡道上初速度為32 km/h時(shí)，擋位選擇對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，道路坡度為10 %時(shí)，車輛動(dòng)力性不足，上坡后，車速逐漸下降，因?yàn)?擋下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足.約22 s時(shí)，車輛速度降低到14km/h，達(dá)到了降擋車速，于是擋位切換至2擋，當(dāng)保持2擋行駛時(shí)，車輛可以逐步加速至平穩(wěn)行駛；當(dāng)繼續(xù)按照動(dòng)力性換擋規(guī)律，切換擋位至3擋時(shí)，車速便又開(kāi)始下降，并且照此趨勢(shì)發(fā)展，可能出現(xiàn)換擋循環(huán)的情況.

算例12～14模擬了初始速度為59 km/h在25 %坡度的坡道上的行駛情況.受坡度阻力的影響車輛速度迅速下降，并且擋位也逐漸降至3擋.但由于初始速度高，在車速還沒(méi)有到達(dá)3-2擋的降擋車速時(shí)，車輛已經(jīng)行駛了200 m的距離，耗時(shí)21.36 s，所以3個(gè)算例的曲線趨勢(shì)一致，不再繪制該組算例的曲線.

第15和16算例仿真計(jì)算車輛在25 %的坡道上，以32 km/h的初速度、4擋狀態(tài)駛?cè)肷掀缕碌?，設(shè)定不同的換擋規(guī)律，得到的車速與擋位變換情況如圖6所示.算例17、18與算例15、16圖線非常相似，不再繪制算例17、18的曲線.

圖6 25%坡道上初速度為32 km/h時(shí)，擋位選擇對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響

該車型只有1擋位的爬坡度超過(guò)了25 %，因此很容易在途中發(fā)現(xiàn)，車輛高擋、高速駛?cè)?5 %的坡道后，車速都迅速下降，擋位逐步下降至1擋.按照換擋規(guī)律進(jìn)行換擋的例子中，擋位切換至1擋后，后備功率增大，車輛速度增加，當(dāng)車速增加至9 km/h時(shí)，擋位切換入2擋，但2擋的后備功率不足以為車輛提供充足的動(dòng)力，因此，車速再次降低，陷入換擋循環(huán)的行駛狀態(tài).維持1擋的例子中，車輛逐漸加速，車輛受到的行駛阻力逐漸增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的牽引力與車輛受到的行駛阻力相等時(shí)，車輛受力達(dá)到平衡，車輛保持穩(wěn)定車速行駛.

綜上所述，駕駛員在駕駛裝甲車上坡行駛時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)駕駛操作要點(diǎn)：

1)以低擋、低速駛?cè)肽骋黄露鹊钠碌罆r(shí)，如有提升擋位的需要，注意升擋的最高擋位，不能超過(guò)該坡度能夠使用的最大擋位；

2)坡度上換擋會(huì)對(duì)車輛行駛效率有一定影響，因此，應(yīng)盡量減少在上坡過(guò)程中的換擋動(dòng)作；

3)如果上坡前的行駛距離足夠長(zhǎng)，駕駛員可在上坡前加速，以較高的擋位和初速度駛?cè)肫碌?，比低擋位下的加速性能更好，可以減少行駛過(guò)指定坡道的行駛時(shí)間；

4)以高擋、高初速度駛?cè)肫碌?若坡道距離短，利用慣性和高擋位的動(dòng)力性足以快速駛過(guò)坡道；若坡道距離中等，利用慣性并按照換擋規(guī)律逐步降低擋位，駛過(guò)坡道；若坡道過(guò)長(zhǎng)，車速一直下降并逐步降擋，為避免出現(xiàn)動(dòng)力不足或換擋循環(huán)情況，則應(yīng)在降至能夠爬上該坡度的最大擋位時(shí)，維持該擋繼續(xù)行駛.

4 結(jié) 論

文中用整車性能仿真軟件GT-suite建立了發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型和整車行駛仿真模型，利用發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，輸入到整車行駛仿真模型中的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊中，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)整車行駛仿真模型精度達(dá)到要求，同時(shí)大大提高了計(jì)算效率.基于建立的整車行駛仿真模型，通過(guò)模擬不同駕駛員駕駛意圖設(shè)定換擋方式，仿真研究以不同初始車速和初始擋位駛?cè)肫露葹?%、10%、15%和25%的坡道上時(shí)駕駛員的駕駛行為規(guī)律，并分析駕駛行為對(duì)車輛行駛狀態(tài)的影響，歸納了上坡行駛時(shí)，提升車輛動(dòng)力性的駕駛行為規(guī)律.能夠?yàn)轳{駛員駕駛訓(xùn)練提供理論參考.