整车操纵稳定性仿真分析

整车操纵稳定性仿真分析*王亚南周瑾李辉雷龙（郑州日产技术中心试验评价部,河南郑州，450001）【摘要】通过ADAMS/CAR驱动控制文件的编写对整车操纵稳定性进行方针和分析。主要仿真了蛇形、转向盘角阶跃输入、转向盘脉冲输入实验、稳态回转、转向轻便性实验和转向回正仿真实验。【关键词】：操纵稳定性、ADAMS/CAR、仿真实验、转向SimulationAndAnalysisForVehicleSteeringStabilityWangYa-nanLihuiLeiLong（ZNTCTestAndEvaluationDepartment，ZhengZhouHeNanprovince，450001）Abstrcat：SimulationandanalysisforvehiclesteeringstabilitythroughwritingtheADAMS/CARdrivingcontroldocuments.Mainsimulationserpentine,steeringwheelAnglestepinputs,steeringwheelinputpulses,steadyturning,lightturningandturnedtoback.Keywords:SteadyTurning,ADAMS/CAR、SimulationAndAnalysis,Turning1前言由于汽车使用条件以及汽车系统本身的复杂性，国内外的研究手段、试验的评价方法很难有统一的标准。为了定制统一的汽车操纵稳定性试验方法标准，上世纪70年代国际化组织ISOTC/SC9汽车操纵稳定性委员会起草制定了相关的ISO标准，随后又根据实际的需要对其中的标准进行了修订。我国从本国实际情况出发，于1986年制定并发行了第一套汽车操纵稳定性试验标准，即GB6323－86《汽车操纵稳定性试验方法》。1991年我国制定了关于汽车操纵稳定性的第二项国家标准GB/T13047-91《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》，这是在前者基础上发展起来的。国家标准包括6项试验，目的在于从不同角度反映汽车在运行过程中的稳态响应和瞬态响应，便于综合评价汽车的操纵稳定性。这6项试验内容包括：蛇形试验、转向盘转角阶跃输入转向瞬态响应试验、转向盘转向脉冲输入转向瞬态响应试验、转向回正试验、转向轻便性试验、稳态回转试验。本章主要进了蛇形试验、转向盘转角阶跃输入转向瞬态响应试验、转向盘转向脉冲输入转向瞬态响应试验、转向回正试验、转向轻便性试验、稳态回转试验。随着对汽车操纵稳定性方法和评价方法标准也进了修订和完善，现阶段主要根据GB/T6323-94和QC/T480-1999来进行汽车操纵稳定性的试验和评价。2ADAMS/Car驱动控制文件的编写在本章中利用ADAMS/Car模块进行整车操纵稳定性仿真试验时，涉及到一个很重要的方面，那就是驾驶员控制文件(DriverControlFile)。因为ADAMS/Car对整车性能仿真分析所依据的试验标准不完全符合我国现行的国家标准，所以依据ADAMS/Car整车仿真分析中的DCF文件驱动模式来编写符合我国国标整车操纵稳定性试验的驱动控制文件（DriverControlFiles，缩写为DCF）。该驱动控制文件实质上是以转向方式、离合状态、制动状态、变速档位、油门开度五个变量作为驱动控制变量，并依据各变量的定义对其进行变量量值的改变来实现整车操纵稳定性的试验。驾驶员控制文件的作用是描述驾驶员在试验分析中如何操纵驱动汽车模型的，例如，驾驶员在何时驱动汽车，何时加速，何时停止仿真试验，何时转弯等等，驾驶员控制文件还可以调用其它类型文件如驾驶员控制数据文件(DriverControlDataFile)。总之，通过编制驾驶员控制文件可以实现更为复杂的仿真工况。驾驶员控制文件主要包括以下结构：头文件块、单位量纲块、初始实验块以及操纵试验块。1．头文件块中，主要是交代版本信息及指明该文件为*.dcf格式文件；2．单位量纲块主要是说明在文件中出现的各种参数的数量单位；3．初始试验块中指明了初始静态时的工况设置，初始车速，并且交代出将要在操纵试验块中进行的全部的试验操作；4．操纵试验块中设定各种操作，包含转向、制动、离合器，档位等子块，同时还要有定义控制方法和仿真结束条件的子块。3整车操纵稳定性仿真分析3.1蛇形仿真试验蛇行试验方法是研究汽车瞬态闭环响应特性的一种重要试验方法，能够考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，综合评价汽车行驶稳定性及乘坐舒适性。按照GB/T6323.1-1994规定的蛇形试验的方法，客车最大总质量介于6t－15t之间，故标桩间距为50m，基准车速为60km/h。然后分别以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h和80km/h的速度进行仿真试验，获取仿真试验数据，并描绘平均转向盘转角、平均横摆角速度、平均车身侧倾角以及平均侧向加速度与车速的关系图。蛇形试验部分仿真曲线如图2～8所示。图1“蛇行”工况试验路线Fig.1runningtracksinPyloncourseslalomtest图2侧向加速度变化曲线（60km/h）Fig.2curveoflateralacceleration(60km/h)图3横摆角速度响应变化曲线（60km/h）Fig.3curveofyawvelocity(60km/h)图4转向盘转角变化曲线（60km/h）Fig.4curveofsteeringangle(60km/h)图5横摆角速度变化曲线（50km/h）图6横摆角速度变化曲线（70km/h）Fig.5curveofyawvelocity(50km/h)Fig.6cruveofyawvelocity(70km/h)图7侧向加速度变化曲线（50km/h）图8侧向加速度变化曲线（70km/h）Fig.7curveoflateralacceleration(50km/h)Fig.8curveoflateralacceleration(70km/h)表1蛇形试验主要性能参数仿真结果Tab.1characteristicparametersinPyloncourseslalomtest蛇形试验车速（km/h）方向盘转角峰值(deg)横摆角速度峰值(deg/s)车身侧倾角峰值(deg)侧向加速度峰值(g)3062.03.40.630.054084.14.61.140.0950109.96.01.860.1460148.47.82.600.1970186.810.04.020.2880229.614.15.290.41根据仿真结果分别拟合出平均转向盘转角、平均横摆角速度、平均车身侧倾角以及平均侧向加速度与车速的关系图，如图9～12所示。根据拟合曲线可以得出基准车速下的平均横摆角速度峰值r与平均转向盘转角峰值θ分别为8.1°/s、147.6°。图9平均侧向加速度峰值与车速的关系图10平均车身侧倾角峰值与车速的关系Fig.9curveoflateralacceleration/velocityFig.10curveofrollangle/velocity图11平均横摆角速度峰值与车速的关系图12平均方向盘转角峰值与车速的关系Fig.11curveofyawvelocity/velocityFig.12curveofsteeringangle/velocity表2蛇形试验评价指标参数方法Tab.2parametersoftheevaluationtargetinPyloncourseslalomtest指标车型标桩间距(m)基准车速(km/h)60r(°/s)100r(°/s)60θ(°)100θ(°)客车和货车6t﹤最大总质量≤15t506010.04.0180.060.0（1）平均横摆角速度峰值r的评价计分值，按式（1）计算：60601004060()rNrrrr=+−−（1）式中：rN——平均横摆角速度峰值的评价计分值；60r——平均横摆角速度峰值的下限值，(°/s)；100r——平均横摆角速度峰值的上限值，(°/s)；r——基准车速（60km/h）下，平均横摆角速度峰值的仿真值，(°/s)。4060rN=+×（10-8.1）10-4=72.7（2）平均转向盘转角峰值θ的评价计分值，按式（2）计算：60601004060()Nθθθθθ=+−−（2）式中：Nθ——平均转向盘转角峰值的评价计分值；60θ——平均转向盘转角峰值的下限值，()°；100θ——平均转向盘转角峰值的上限值，()°；θ——基准车速（60km/h）下，平均转向盘转角峰值的仿真值，()°。4060Nθ=+×（180-147.6）180-60=70.8（3）蛇行试验的综合评价计分值，按式（3）计算：23rsNNNθ+=（3）式中：sN——蛇形试验的综合评价计分值。272.770.83sN×+==72.1表3蛇形仿真试验结果及评价Tab.3simulationresultandevaluationofPyloncourseslalomtest项目仿真结果评价计分平均横摆角速度峰值8.1°/s72.7平均方向盘转角峰值147.6°70.8蛇行试验综合评价72.13.2转向盘角阶跃输入仿真试验所谓转向盘转角阶跃输入下的转向瞬态响应，即是指汽车在等速直线行驶时，急速转动转向盘，然后维持其不变，即给汽车转向盘转角阶跃输入时的响应。一般汽车经过短暂时间后便进入等速圆周行驶，在等速直线行驶和等速圆周行驶这两个稳态运动之间的过度过程便是一种瞬态，相应的瞬态运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。本项试验测定从转向盘转角阶跃输入开始，到所测变量达到新的稳态值为止，这一段时间内汽车的瞬态响应过程，与其他瞬态响应试验一起，共同评价汽车的动态特性。按照GB/T6323.2-1994中规定的转向盘角阶跃输入的试验方法，在直线行驶的状态下，速度达到汽车最高车速的70％后，以尽快的速度（起跃时间不大于0.2s或起跃速度不低于200°/s）,转动方向盘，使其达到预先选好的位置并固定数秒钟，直至汽车稳定。在仿真计算中，汽车以80km/h的速度行驶，侧向加速度稳态值为2m/s2。转向盘角阶跃输入仿真曲线如图13～15所示。图13方向盘转角变化曲线(80km/h)Fig.13curveofsteeringangleinsteeringwheelstepinputtest图14横摆角速度变化曲线(80km/h)Fig.14curveofyawvelocityinsteeringwheelstepinputtest图15侧向加速度变化曲线(8km/h)Fig.15curveoflateralaccelerationinsteeringwheelstepinputtest通过仿真数据可以得到：在侧向加速度稳态值为2m/s2时，横摆角速度的响应时间为0.27s，侧向加速度的响应时间为0.68s，横摆角速度超调量按下式确定：max00100%rrrσ−=×(4)式中：σ——横摆角速度超调量，%；0r——横摆角速度响应稳态值，(°/s)；maxr——横摆角速度响应最大值，(°/s)；13.170611.6716100%11.6716σ−=×=12.8%表4转向盘角阶跃输入仿真结果Tab.4simulationresultinsteeringwheelstepinputtest参数横摆角速度响应时间侧向加速度的响应时间横摆角速度超调量仿真结果0.27s0.68s12.8%依据QC/T480-1999：最大总质量大于6t的汽车，转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）不进行评价计分。3.3转向盘角脉冲输入仿真试验通常以汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的转向动特性。因此频率特性的测量成为一个重要的试验。这个试验要确定给转向盘正弦角位移输入时，输出(汽车横摆角速度)与输入的响应振幅比与相位差。通过直接给转向盘正弦角位移输入来测量汽车的频率特性是很困难的，一般经常用转向盘脉冲角位移输入试验来确定汽车的频率特性。通过求得的输入、输