新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析

1、第41卷 第8期2009年8月哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY Vol141No18Aug.2009新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析姜立標(biāo),張冠哲,谷方德,魏 韜(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)汽車工程學(xué)院,山東威海264209,jlb620620)摘 要:為改進(jìn)汽車運(yùn)動(dòng)性能、提高運(yùn)動(dòng)汽車的操縱穩(wěn)定性.通過對(duì)新型三輪跑車實(shí)際樣車的三維坐標(biāo)測(cè)量,利用ADAMS/Car精確建立新型三輪跑車的整車虛擬樣機(jī)模型,對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)、蛇形試驗(yàn)以及雙移線試驗(yàn)等.仿真試驗(yàn)結(jié)果表明:橫向穩(wěn)定桿對(duì)新型三輪跑車的整車操縱穩(wěn)定性影響最大,其次是

2、質(zhì)心高度對(duì)車操縱穩(wěn)定性的影響.從理論上研究和分析車的操縱穩(wěn)定性,確定車加裝橫向穩(wěn)定桿以及使質(zhì)心位置降低后會(huì)顯著改善該車的操縱穩(wěn)定性.關(guān)鍵詞:新型三輪跑車;操縱穩(wěn)定性;虛擬樣機(jī);仿真分析中圖分類號(hào):U46116文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0367-6234(2009)08-0084-05Simulationanalysisofhandlingstabilityofnewtypethree-wheelsportcarJIANGL-ibiao,ZHANGGuan-zhe,GUFang-de,WEITao(SchoolofAutomobileEngineering,HarbinInstituteofTec

3、hnology(Weihai),Weihai264209,China,jlb620620)Abstract:Toimprovetheathleticperformanceofautomobileandthehandlingstabilityofsportscar,basedonthe3Dcoordinatemeasurementonthesamplecar,thevirtualprototypemodelofanewtypethree-wheelsportcarwaspreciselybuiltinADAMS/Car,andthesteadyturningtes,tsnakingtestand

4、doublelanechangetestonitwerecarriedou.tAccordingtothesimulationresults,anti-rollbarhasthebiggestinfluenceonhan-dlingstability,andtheheightofcenterofmasshasbiginfluencesonhandlingstabilityaswel.lResearchandanalysisonthehandlingstabilityofthiskindofcarbytheoryconfirmthatinstallinganti-rollbarandreduci

5、ngtheheightofcenterofmasscanimprovethehandlingstabilityofthecarremarkably.Keywords:newtypethree-wheelsportcar;handlingstability;virtualprototype;simulationanalysis 操縱穩(wěn)定性是汽車的重要性能之一,隨著車速的不斷提高,汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到人們的重視.而隨著社會(huì)的進(jìn)步及生活水平的不斷提高,人們對(duì)高性能運(yùn)動(dòng)汽車的追求也日趨強(qiáng)烈.改進(jìn)汽車運(yùn)動(dòng)性能、提高運(yùn)動(dòng)汽車的操縱穩(wěn)定性2是國際上近期主要的發(fā)展方向之一.本文所研究的新型三輪跑車在國內(nèi)屬

6、于首創(chuàng),是一個(gè)全新的車型,在對(duì)其進(jìn)行操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面沒有參考依據(jù),因此本文主要通過對(duì)該新型三輪跑車的整車虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真分析,從理論上研究和分析它的操縱穩(wěn)定性,不對(duì)其進(jìn)行計(jì)分評(píng)價(jià),重點(diǎn)研究影響操縱穩(wěn)定性的主要因素,為第二輪的收稿日期:2008-12-11.基金項(xiàng)目:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)研究基金資助(HIT(WH)ZB200813).作者簡(jiǎn)介:姜立標(biāo)(1965),男,1設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù).1 整車虛擬樣機(jī)模型的建立圖1所示為該新型三輪跑車的實(shí)際樣車.圖1 第一輛樣車 該課題所研究的新型三輪跑車采用的是前兩輪后一輪的布局,后懸架既不是傳統(tǒng)意義上的汽車懸架,而且在ADAMS/Car里也沒有

7、該懸架結(jié)構(gòu)型式的模板,因此,需要設(shè)計(jì)開發(fā)后懸架模板.第8期姜立標(biāo),等:新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析#85#根據(jù)參考文獻(xiàn)3,4及后懸架設(shè)計(jì)參數(shù)及三維坐標(biāo)測(cè)量在模板建模器下,建立的后懸架模板如圖2所示.該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與普通汽車有很大區(qū)別,在此選用齒輪齒條轉(zhuǎn)向系作為所建立的轉(zhuǎn)向系模板的參考原型,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)值及優(yōu)化后的參數(shù)值在模板建模器下,通過修改齒輪齒條轉(zhuǎn)向系模板的硬點(diǎn)坐標(biāo)完成轉(zhuǎn)向系模板的建立,如圖3所示.控制.該試驗(yàn)采用固定方向盤轉(zhuǎn)角的連續(xù)加速法測(cè)定該車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性.利用編寫驅(qū)動(dòng)控制文件的方法控制整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性仿真試驗(yàn).先使整車虛擬樣機(jī)模型以15km/h的初速度行駛,在05s時(shí)

8、間內(nèi)使方向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到20b,并固定不動(dòng).然后使整車以012m/s的縱向加速度緩慢連續(xù)地均勻加速,直到該車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止(若沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),則設(shè)置仿真時(shí)間為30s,即仿真在30s后結(jié)束).212 仿真結(jié)果及影響因素分析運(yùn)行仿真試驗(yàn),得到整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示.從圖中可以看出,隨著車速的不斷增加,汽車轉(zhuǎn)彎半徑逐漸增大,該車具有不足轉(zhuǎn)向特性,這是汽車具備良好操縱穩(wěn)定性的必要條件.(1)質(zhì)心高度的影響.將質(zhì)心高度分別上移100mm和下移100mm進(jìn)行仿真分析,研究質(zhì)心高度對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響,得到側(cè)向加速度的時(shí)間歷程曲線以及車身側(cè)傾角、轉(zhuǎn)彎半徑比與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線,如圖79所示.

9、圖中,cg曲線為的是質(zhì)心位置為初始值的整車模型;cg-lower為的是質(zhì)心位置向下移動(dòng)了100mm;cg-upper為的是質(zhì)心位置向上移動(dòng)了100mm.圖2 后懸架模板 圖3 轉(zhuǎn)向系模板對(duì)于車輛仿真模型來說,輪胎模型是其中最為重要的部分之一.魔術(shù)公式用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù),基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的輪胎模5型,正在成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).其中的Pacejka.89輪胎模型對(duì)常規(guī)輪胎具有很高的擬合精度.因此,本文選用魔術(shù)公式中的Pacejka.89輪胎模型.該車選用的前輪胎規(guī)格為215/50R17,后輪胎規(guī)格為255/45R18.為了在整車仿真時(shí)使用自動(dòng)質(zhì)量調(diào)節(jié)功能6,在車體模板上添加一個(gè)硬點(diǎn)和標(biāo)記作為

10、自定義整車質(zhì)心和慣量標(biāo)記.在仿真時(shí),可以通過修改該硬點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)節(jié)整車質(zhì)心位置.整車質(zhì)心位置可以通過對(duì)實(shí)車的測(cè)量得到.該新型三輪跑車的車架是整車裝配的基礎(chǔ),所有的系統(tǒng)或直接或間接與之連接.為了能夠形象的表示車架的形狀,在車體建模后期建立了車架的幾何實(shí)體模型.所建立的車體模板如圖4所示.在標(biāo)準(zhǔn)模式下將所建立的各子系統(tǒng)模型與整車試驗(yàn)臺(tái)組裝在一起,得到整車虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型,如圖5所示.圖6整車運(yùn)動(dòng)軌跡圖4 車體模板 圖5 整車模型圖7 側(cè)向加速度時(shí)間歷程曲線2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性仿真試驗(yàn)211 試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性是車輛系統(tǒng)是否穩(wěn)定的充分條件.過多轉(zhuǎn)向和過大的不足轉(zhuǎn)向,都會(huì)使汽車難以由圖7可以看出,質(zhì)心

11、高度減小后,整車虛擬樣機(jī)模型所能達(dá)到的極限側(cè)向加速度增加,即相同條件下,質(zhì)心較低的汽車比質(zhì)心較高的汽車抗側(cè)傾能力強(qiáng),極限工況下更加趨于穩(wěn)定.從圖8也可以看出,質(zhì)心較低的情況下,車身側(cè)傾角也較#86#哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第41卷小,但減小幅度不大,能夠同時(shí)滿足操縱穩(wěn)定性及乘坐舒適性的要求.由圖9可以看出,cg-lower曲線具有比較明顯的上升趨勢(shì),使整車趨于轉(zhuǎn)向不足,轉(zhuǎn)向不足量較原車有所下降.側(cè)翻.因此,質(zhì)心后移會(huì)使整車趨于不穩(wěn)定的狀態(tài),應(yīng)該加以避免.(3)前懸架剛度的影響.將彈簧剛度分別增加20%和減少20%進(jìn)行仿真分析.通過仿真分析結(jié)果可知,隨著前懸架剛度的增加,仿真結(jié)束時(shí)的

12、極限側(cè)向加速度相應(yīng)增加,車身側(cè)傾角相應(yīng)減小,且具有適度的不足轉(zhuǎn)向量,從而提高了整車的操縱穩(wěn)定性.因此,在對(duì)該新型三輪跑車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí),可以相應(yīng)增加前懸架的剛度.圖8 車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線圖10 側(cè)向加速度時(shí)間歷程曲線圖9 轉(zhuǎn)彎半徑比與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線而質(zhì)心高度增加后,側(cè)向加速度減小,降低了整車的抗側(cè)傾能力,車身側(cè)傾角也逐漸增大,當(dāng)側(cè)向加速度達(dá)到一定值時(shí),整車趨于不穩(wěn)定狀態(tài).由圖79可以看出,cg-upper曲線在側(cè)向加速度達(dá)到一定值時(shí)有明顯的突變,表明該車正在趨于不穩(wěn)定.由分析可知,對(duì)于該新型三輪跑車來說,質(zhì)心高度對(duì)其安全行車具有非常重要的意義,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量降低該車型的質(zhì)

13、心高度.(2)質(zhì)心前后位置的影響.將質(zhì)心位置前移100mm和后移100mm進(jìn)行仿真分析,研究質(zhì)心前后位置對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響,得到側(cè)向加速度的時(shí)間歷程曲線以及車身側(cè)傾角、轉(zhuǎn)彎半徑比與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線,如圖1012所示.圖中,cg曲線表示的是質(zhì)心位置為初始值的整車模型;cg-front表示的是質(zhì)心位置向前移動(dòng)了100mm;cg-rear表示的是質(zhì)心位置向后移動(dòng)了100mm.從圖10圖12可以看出,當(dāng)質(zhì)心位置前移,側(cè)向加速度減小,車身側(cè)傾角也相應(yīng)減小,不足轉(zhuǎn)向量相對(duì)于原車有所增加;而質(zhì)心后移后,車身側(cè)傾角相應(yīng)增大,但是其側(cè)向加速度及轉(zhuǎn)彎半徑比在仿真結(jié)束時(shí)有了微小的波動(dòng).通過延長仿真時(shí)圖12 轉(zhuǎn)

14、彎半徑比與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線圖11 車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線(4)橫向穩(wěn)定桿的影響.本文將通過3種方式研究橫向穩(wěn)定桿對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響:第1種方式是通過在整車動(dòng)力學(xué)模型中添加橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)與沒有橫向穩(wěn)定桿的整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行比較;第2種和第3種方式是將橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)剛度分別增加和減少50%來研究橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)剛度的變化對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響.通過運(yùn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn),得到車身側(cè)傾角、轉(zhuǎn)彎半徑比與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線,如圖13和圖第8期姜立標(biāo),等:新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析#87#14所示.圖中,no-antiroll表示沒有橫向穩(wěn)定桿的整車虛擬樣機(jī)模型;antiroll表示

15、的是安裝了橫向穩(wěn)定桿的整車虛擬樣機(jī)模型;small-antiroll表示的是橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)剛度相比初始值減少了50%;large-antiroll表示的是橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)剛度相比初始值增加了50%.操縱穩(wěn)定性非常不好.(1)整車質(zhì)心位置前移100mm,仿真時(shí)間增加到2144s,但是依然側(cè)翻現(xiàn)象,仿真試驗(yàn)失敗.(2)前懸架剛度增加20%,仿真時(shí)間增加到4118s,依然發(fā)生了側(cè)翻現(xiàn)象,仿真試驗(yàn)失敗.(3)在原車模型的基礎(chǔ)上增加橫向穩(wěn)定桿,仿真試驗(yàn)成功.但是在仿真過程中外側(cè)車輪出現(xiàn)彈跳離地現(xiàn)象,降低了乘坐舒適性,而且使駕駛員感到不安全.(4)整車質(zhì)心高度降低100mm,仿真試驗(yàn)成功.而且其運(yùn)動(dòng)過程

16、較加裝橫向穩(wěn)定桿的情況平穩(wěn).從以上分析可知,質(zhì)心位置前移及增加前懸架剛度只能部分改善該車在此種工況下的操縱穩(wěn)定性;加裝橫向穩(wěn)定桿以及使質(zhì)心位置降低則可以很好地改善其操縱穩(wěn)定性.圖13 車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線4 雙移線仿真試驗(yàn)411 試驗(yàn)方法雙移線試驗(yàn)是一個(gè)典型的車輛在行進(jìn)過程中7的超車事件.它是綜合評(píng)定人)車)環(huán)境操縱性的閉環(huán)試驗(yàn),在非穩(wěn)定區(qū)域中雙移線試驗(yàn)屬最古老的測(cè)試方法.該試驗(yàn)參考ISO-3888中的規(guī)定:移線量為315m,路線長度為250m.仿真試驗(yàn)時(shí),使整車虛擬樣機(jī)模型以100km/h的初速度行圖14 轉(zhuǎn)彎半徑比與側(cè)向加速度關(guān)系曲線駛,然后通過試驗(yàn)路段,當(dāng)行駛到路線終點(diǎn)時(shí)仿真結(jié)

17、束.412 仿真結(jié)果及影響因素分析分別使質(zhì)心高度降低100mm、質(zhì)心位置前移100mm、前懸架剛度增加20%,以及增加橫向穩(wěn)定桿后與原車模型進(jìn)行對(duì)比分析,得到方向把轉(zhuǎn)角絕對(duì)值、橫擺角速度絕對(duì)值和車身側(cè)傾角絕對(duì)值的時(shí)間歷程曲線如圖15圖17所示(通過仿真分析發(fā)現(xiàn),質(zhì)心位置前移對(duì)此工況下的整車操縱穩(wěn)定性的影響甚微,故在圖中沒有列出質(zhì)心前移的曲線).圖中,ABS曲線為原車模型;ABS-lower-cg為整車模型的質(zhì)心位置向下移動(dòng)100mm;ABS-upper-spring為前懸架的剛度增加了20%;ABS-antiroll為整車模型加裝了橫向穩(wěn)定桿.如圖13所示,安裝了橫向穩(wěn)定桿后,車身側(cè)傾角明顯得

18、到了抑制,隨著橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)剛度的逐漸增加,車身側(cè)傾角減小幅度越來越大.如圖14所示,隨著橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)剛度的增加,車身側(cè)傾角的減小,該車的不足轉(zhuǎn)向量越來越小,而且其中的antiroll曲線的中段接近于1,出現(xiàn)了中性轉(zhuǎn)向的趨勢(shì),而large-antiroll曲線的中段出現(xiàn)了過度轉(zhuǎn)向的趨勢(shì),這是比較危險(xiǎn)的.對(duì)于該車來說,橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)剛度并不是越大越好.3 蛇形仿真試驗(yàn)311 試驗(yàn)方法蛇形試驗(yàn)是檢驗(yàn)汽車隨動(dòng)性、收斂性、方向操縱輕便性、事故可避性等的典型試驗(yàn)方法,該試驗(yàn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T632311-1994的規(guī)定.仿真試驗(yàn)時(shí),使整車虛擬樣機(jī)模型以65km/h的初速度行駛,蛇形通過試驗(yàn)路段,直

19、到該車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止.312 仿真結(jié)果及影響因素分析運(yùn)行仿真試驗(yàn),原整車虛擬樣機(jī)模型在仿真進(jìn)行到2102s時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況,發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象圖#88#哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第41卷各個(gè)曲線車身側(cè)傾角平均值的測(cè)量得到:加裝橫向穩(wěn)定桿可以顯著地減小車身側(cè)傾角,降低質(zhì)心高度也可以大幅降低車身的側(cè)傾幅度.5 結(jié) 論1)確定橫向穩(wěn)定桿及質(zhì)心高度對(duì)該車操縱穩(wěn)定性的影響是最大的.2)加裝橫向穩(wěn)定桿和使質(zhì)心降低可以很好地圖16橫擺角速度絕對(duì)值的時(shí)間歷程曲線改善該車的操縱穩(wěn)定性.3)其次整車質(zhì)心前移及增加前懸架剛度也可以改善該車的操縱穩(wěn)定性.參考文獻(xiàn):1宗長富,郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性的研究與評(píng)價(jià)J.汽車技術(shù),2000,(6):6-11.2LEEAY,LEENT,MARRIOTTAT.Variabledynamictestbedvehicle:DynamicsanalysisJ.Supplementto圖17 車身側(cè)傾角絕對(duì)值的時(shí)間歷程曲線SAEInternational1997(SP-1228):39-55.3陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例M.北京:中國水利水電出版社,2008.4HIROYUKIG,TAKAOS.Handling