呂鯤鵬，祝午豪

基于Trucksim的汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析

呂鯤鵬1，祝午豪2

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.一汽解放青島汽車有限公司，山東 青島 266217）

汽車操縱穩(wěn)定性研究對于保障車輛的行駛安全意義重大。文章基于Trucksim仿真平臺，依據(jù)車輛具體設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建合理的客車模型，在整車參數(shù)化建模后，從中選擇四項(xiàng)與車輛側(cè)翻密切相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果符合預(yù)期、精度較高，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定和行車安全要求。深入研究分析仿真結(jié)果后得到各個(gè)參數(shù)對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。正確使用Trucksim仿真軟件對前期的開發(fā)和后期的試驗(yàn)驗(yàn)證有著積極正向的指導(dǎo)意義。

Trucksim；操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)；整車模型；仿真平臺

車輛的操穩(wěn)性是客車尤其高速行駛的客車產(chǎn)生側(cè)翻的最直接的影響因素，可靠的車輛操穩(wěn)性能在車輛高速行駛或轉(zhuǎn)彎時(shí)降低車輛的不穩(wěn)定性和乘客及司機(jī)的不適感，因此，客車對操作穩(wěn)定性的要求非常高。

我國在汽車動力學(xué)虛擬仿真方面的研究時(shí)間較晚，但研究成果卻不少。由長安大學(xué)建立的道路交通運(yùn)輸工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，利用虛擬仿真平臺，結(jié)合汽車試驗(yàn)場的優(yōu)勢資源，對“人-車-路”系統(tǒng)、汽車整車試驗(yàn)進(jìn)行仿真研究[1]。劉喜東為了分析轉(zhuǎn)向速度對汽車的操穩(wěn)性的影響，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入的前輪轉(zhuǎn)角信號與相應(yīng)輸出之間的傳遞函數(shù)矩陣[2]?；陂L安大學(xué)虛擬試驗(yàn)平臺，魏朗、陳濤等人發(fā)明了汽車四輪主動轉(zhuǎn)向操縱控制系統(tǒng)，可以有效地改善四輪汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱性問題[3]。申福林開發(fā)出了大客車側(cè)傾穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真評價(jià)軟件。王建鋒等人開發(fā)出了汽車操縱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

操縱穩(wěn)定性的虛擬仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛟诓煌h(huán)境下實(shí)現(xiàn)整車模擬的全過程[4]，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整演算車輛操縱穩(wěn)定性，可以節(jié)約資源，在不方便進(jìn)行實(shí)際測試的極限情況下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，有較大的試驗(yàn)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

1 汽車操作穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

汽車操縱穩(wěn)定性從兩個(gè)方面來研究。一是用車輛收到駕駛員指令后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確程度來表征的穩(wěn)定性。二是用當(dāng)汽車受到路面平整度、橫風(fēng)等外部因素干擾時(shí)，自身的穩(wěn)定性及恢復(fù)原始行駛姿態(tài)的能力來表征的穩(wěn)定性。

選擇轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角脈沖試驗(yàn)、蛇形試驗(yàn)及穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)這四項(xiàng)試驗(yàn)可較為全面地評價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性能，適用于多種可在公路、城市道路上行駛的車輛。本文進(jìn)行操穩(wěn)性試驗(yàn)的車輛屬于二軸的M類車，適合本文選擇的研究試驗(yàn)方法。

2 操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)

2.1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)

模型客車按照最高車速的70%四舍五入整十的倍數(shù)的車速即70 km/h為基準(zhǔn)行駛速度，同時(shí)增設(shè)65 km/h、75 km/h的行駛速度用于分析對比，以基準(zhǔn)速度行駛5 s后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤使得客車側(cè)向加速度為2 m/s2，隨后轉(zhuǎn)向盤保持轉(zhuǎn)角位置，車輛保持轉(zhuǎn)向行駛，全過程共30 s。

在忽略轉(zhuǎn)向盤自由行程的情況下，計(jì)算出側(cè)向加速度為2 m/s2時(shí)，前輪轉(zhuǎn)向角度為2.73°，根據(jù)名義轉(zhuǎn)向比25:1，應(yīng)該設(shè)置的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為68°。同時(shí)計(jì)算出該轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下以65 km/h、 75 km/h行駛，車輛均不超過試驗(yàn)安全性所要求的最大側(cè)向加速度（一般為0.4）[5]。

2.2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖試驗(yàn)

本試驗(yàn)需要按向左轉(zhuǎn)向、向右轉(zhuǎn)向兩個(gè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角方向進(jìn)行脈沖信號輸入。將相應(yīng)的工況設(shè)定在Trucksim中，車輛先以70 km/h的速度行駛5 s。在不超過4 m/s2的側(cè)向加速度的情況下，轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角應(yīng)不超過136°，因此，選擇將一個(gè)0—120—0deg的三角脈沖信號輸向轉(zhuǎn)向盤，其中采用0.4 s的脈寬寬度，整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間為15 s。

2.3 蛇形試驗(yàn)

在位移和側(cè)偏位置坐標(biāo)系中輸入車輛位置坐標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定道路以及標(biāo)樁參數(shù)，試驗(yàn)平坦道路附著系數(shù)為0.85。將信息輸入坐標(biāo)系生成10個(gè)位置圖。

M3類車輛基準(zhǔn)速度為60 km/h，標(biāo)樁間距為50 m，首次試驗(yàn)采用基準(zhǔn)車速的50%，然后多次試驗(yàn)，逐漸提高車速重復(fù)試驗(yàn)，最高不超過80 km/h[6]。選擇50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h以及75 km/h六個(gè)車速作為試驗(yàn)車速[7]。

2.4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

根據(jù)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角方法，給予轉(zhuǎn)向盤一固定轉(zhuǎn)向角度180°，車輛從圓周軌跡某一點(diǎn)開始運(yùn)行，初始速度為5 km/h的低穩(wěn)定車速。給予車輛一大小為2.09 m/s2的向前加速度，100 s內(nèi)從5 km/h勻加速至穩(wěn)定車速，使側(cè)向加速度不超過6.5 m/s2。車輛應(yīng)行駛超過一個(gè)圓周以方便試驗(yàn)結(jié)果的觀測分析。

在Trucksim中設(shè)定路徑跟隨沿圓周軌跡行駛。車輛行駛的過程中，參考圓周軌跡，根據(jù)實(shí)時(shí)車輛速度不斷改變方向盤轉(zhuǎn)角，保持車輛始終沿預(yù)定路線行駛。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角穩(wěn)定在556°時(shí)，車輛處于穩(wěn)態(tài)圓周狀態(tài)，此時(shí)穩(wěn)定車速為32.5 km/h。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對操縱穩(wěn)定性的作用

3.1 質(zhì)心高度對操縱穩(wěn)定性的影響

為探究質(zhì)心高度對車輛操穩(wěn)性的影響，此次試驗(yàn)以原車輛整車參數(shù)為基準(zhǔn)，設(shè)定質(zhì)心高度為1 200 mm，分別將質(zhì)心高度降低和提高200 mm，使車輛質(zhì)心高度分別為1 000 mm和1 400 mm，其他參數(shù)保持不變，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)，根據(jù)車輛質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度以及側(cè)傾角度這三項(xiàng)車輛運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行客車操縱穩(wěn)定性分析。

圖1為三種車輛質(zhì)心高度下的車輛側(cè)傾角的仿真試驗(yàn)結(jié)果。其中Baseline為原整車質(zhì)心高度曲線，#1和#2線分別為1 000 mm和1 400 mm質(zhì)心高度曲線。

圖1 三種質(zhì)心高度下車輛側(cè)傾角的仿真試驗(yàn)結(jié)果

隨著質(zhì)心高度的改變，在一定范圍內(nèi)車輛質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度未發(fā)生明顯改變，而車輛側(cè)傾角度變化明顯。對車輛側(cè)傾角的輸出結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為保證數(shù)據(jù)盡量準(zhǔn)確，選擇試驗(yàn)中16 s～25 s等間隔的十個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，并保留3位小數(shù)見表1。

表1 不同質(zhì)心高度的側(cè)傾角度

用均值法計(jì)算穩(wěn)態(tài)值以及方差。側(cè)傾角度的平均值隨質(zhì)心高度升高而增大，可以推斷質(zhì)心高度越高，車輛側(cè)翻可能性越大；方差較小，說明數(shù)據(jù)可以在一定程度上表示車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值；方差隨質(zhì)心高度升高而增大，可以推斷車輛質(zhì)心高度越高，車身越不穩(wěn)定。計(jì)算得到在質(zhì)心高度為1 000 mm、1 200 mm以及1 400 mm時(shí)對應(yīng)的超調(diào)量分別為0.51%、0.87%以及1.17%。

在原車輛質(zhì)心高度的基礎(chǔ)上，在不影響車輛性能和安全的前提下降低車輛質(zhì)心高度可以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。

3.2 前后軸距對操縱穩(wěn)定性的影響

此次試驗(yàn)將改變車輛的軸距，設(shè)置固定前軸位置不變，通過改變后軸至前軸距離實(shí)現(xiàn)軸距的變化。以原車整車參數(shù)為基準(zhǔn)，設(shè)定前后軸距為 4 600 mm，分別縮短和增長軸距至4 400 mm和 4 800 mm，其他參數(shù)保持不變，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)，根據(jù)車輛質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度以及側(cè)傾角度這三項(xiàng)車輛運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行客車操縱穩(wěn)定性分析。

圖2為三種車輛前后軸距下的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)的仿真試驗(yàn)結(jié)果。其中Baseline為原整車前后軸距曲線，#1和#2線分別為4 400 mm和 4 800 mm前后軸距曲線。

圖2 三種前后軸距下車輛側(cè)傾角的仿真試驗(yàn)結(jié)果

隨著前后軸距的增加，車輛的車身質(zhì)心側(cè)偏角度、橫擺角速度、側(cè)傾角度均不同程度降低。其中對車輛側(cè)傾角變化進(jìn)行研究，采集其輸出的數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)盡量準(zhǔn)確，選擇試驗(yàn)中16 s～25 s等間隔的十個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，并保留3位小數(shù)見表2。

用均值法計(jì)算穩(wěn)態(tài)值及方差，側(cè)傾角度平均值隨軸距增長而降低，增長軸距有利于防止車輛側(cè)翻；方差較小，說明數(shù)據(jù)可以在一定程度上表示車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值；方差隨前后軸距增長而降低，故車輛前后軸距越長，車身越穩(wěn)定。

計(jì)算得在前后軸距為4 400 mm、4 600 mm以及4 800 mm時(shí)，對應(yīng)的超調(diào)量分別為0.98%、0.86%以及0.89%。

綜上所述，在不改變前軸位置的情況下，適當(dāng)增加前后軸距可以降低車輛的質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度和側(cè)傾角度，提升車輛的操縱穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

本文闡述了汽車操縱穩(wěn)定性的研究背景以及研究意義，運(yùn)用整車動力學(xué)模擬仿真平臺Trucksim、某型號客車的整車動力學(xué)以及各子系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)特性，構(gòu)建客車整車參數(shù)化模型。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用客車整車模型進(jìn)行試驗(yàn)仿真研究，分析各因素對汽車操縱穩(wěn)定性能的影響，并通過調(diào)整車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)對汽車操縱穩(wěn)定性能進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改善汽車操縱穩(wěn)定性能。

[1] 蘇光磊.汽車模擬器車輛動力學(xué)仿真軟件的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

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Simulation Analysis of Vehicle Handling Stability Based on Trucksim

LV Kunpeng1, ZHU Wuhao2

( 1.School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China;2.Faw Jiefang Qingdao Automobile Company Limited, Qingdao 266217, China )

The research on vehicle handling stability is of great significance to ensure the driving safety of the vehicle. In this paper, based on the Trucksim simulation platform, a reasonable passenger vehicle model is constructed according to the specific design parameters of the vehicle. After the parametric modeling of the whole vehicle, four tests closely related to the vehicle rollover are selected for simulation verification. The simulation results are in line with expectations and have high precision, each parameter index conforms to relevant regulations and driving safety requirements. After in-depth research and analysis of the simulation results, the influence of each parameter on the vehicle handling stability is obtained. The appropriate use of Trucksim has positive guiding significance for the early development and later experimental verification.

Trucksim; Maneuvering stability test; Vehicle model; Simulation platform

U467.1+3

A

1671-7988(2023)03-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.024

呂鯤鵬（1998—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程，E-mail:crankypiano@outlook.com。