基于CarSim的SUV抗侧翻性能优化分析方法

2014-06-22张东珉韩兵安葛建勇赵永坡

汽车工程师 2014年5期

张东珉韩兵安葛建勇赵永坡

（长城汽车股份有限公司技术中心；河北省汽车工程技术研究中心）

据NASS 统计的1997—2011年间汽车事故数据显示，平均每年有28.1 万辆轻型汽车发生侧翻事故，有6.2 万人因此受伤。在所有的轻型车侧翻事故中，SUV高达27%[1]。文章以某公司SUV 为研究对象，利用操稳性能相关性较好的CarSim 汽车非线性模型，以悬架弹簧刚度及辅助侧倾刚度为优化变量；以优化前后汽车在脉冲工况下，最大垂向加速度差值最小作为约束条件；以汽车能通过鱼钩试验为优化目标，对汽车抗侧翻稳定性进行优化分析。在利好结果的基础上，提出了兼顾平顺性能的同时提高抗侧翻性能的分析方法。

1 抗侧翻稳定性评价指标

当前评价汽车防侧翻能力的试验标准与法规仅有美国49CFR Part575[1]，该法规结合在现实中两类侧翻发生的概率统计规律提出了以静态稳定系数（SSF，轮距的一半与质心高的比值）测试为主、鱼钩试验为辅的星级评价体系。鱼钩试验模拟汽车驶离正常轨迹，驾驶员在慌张情况下飞快转动方向盘，但汽车往往会因过多矫正而导致侧翻。鱼钩测试中方向盘转角随时间变化情况，如图1 所示。其中，方向盘最大转角（A）为方向盘转角系数（不同车速需要采用不同的方向盘转角系数）与缓慢增加转向试验过程中，侧向加速度为0.3 g时，对应的方向盘转角的乘积。初始转向及反向转向时，方向盘的角速度均为720（°）/s，t1为完成首次转向到侧向加速度ay=1.5 m/s2的时间，t2=3 s，t3=2 s。

鱼钩测试中需要在不同初始车速（56～80 km/h）下记录是否有tip-up（超过一个车轮离地大于50.8 mm）的发生。测试完成后根据测试过程中是否发生tip-up并结合SSF，选择不同的评价函数对汽车的抗侧翻性能进行评估，如图2 所示。当在鱼钩测试中发生了tip-up 时，该车的侧翻概率按照式（1）计算：

若鱼钩测试中未发生tip-up，该车的侧翻概率按照式（2）计算：

当侧翻概率≤10%时，该车的抗侧翻评级为5 颗星，当10%＜侧翻概率≤20%时，该车的抗侧翻评级为4 颗星，以此类推，当侧翻概率＞40%时评级则为1 颗星。

2 基于CarSim和Isight的联合仿真分析

2.1 CarSim模型搭建

文章应用某公司操稳性能相关性较好的CarSim整车模型，包括悬架模型、动力总成模型、轮胎模型及整车参数。此动力学模型在稳态回转工况下与试验对比，其精度为90%，部分结果，如图3 所示。

2.2 优化平台搭建

CarSim 是开放接口的动力学仿真软件，因此，优化平台的搭建可以采用专业的优化软件Isight 通过接口技术集成CarSim 来实现；CarSim模型进行鱼钩仿真时，仿真工况按照其试验标准进行设置。由于研究的SUV通过脉冲路面时一般以30 km/h 的车速通过，为减小优化次数，文章仅选择30 km/h 的车速通过脉冲路面的仿真工况进行平顺性仿真[2]。系统仿真框架，如图4 所示。

2.2.1 设计变量的选择

汽车抗侧翻稳定性与汽车的质心高度、轮距及侧倾刚度相关，而侧倾稳定性能又与轮胎刚度、减震器阻尼、悬架弹簧刚度、辅助侧倾刚度及车架刚度等有关。所以汽车的质心高度和轮距在汽车抗侧翻稳定性起到决定性的作用[3]。但由于汽车在实际开发过程中，质心高度和轮距对整车影响广泛且不易改变，而悬架弹簧刚度、辅助侧倾刚度及减震器阻尼可通过实车调校的方法来提高其抗侧翻稳定性[4]。因此文章选择前后悬架弹簧刚度和前后辅助侧倾刚度作为优化变量。

由于不改变质心及轮距，即SSF 在优化过程中为一常数，对比式（1）和式（2）可以发现，如果在仿真过程中该车不出现tip-up，即测试汽车能顺利通过鱼钩测试，表明其抗侧翻稳定性较高。因此，文章选择使用该车在鱼钩仿真过程中所有车轮的最大离地间隙不大于50.8 mm 作为优化目标，即：min（Z－Rtire）。

式中：Rtire——轮胎的自由半径，mm；

ZFL，ZFR，ZRL，ZRR——左前轮、右前轮、左后轮、右后轮轮心距地面的高度，mm。

2.2.2 约束条件

通过改变悬架弹簧刚度、辅助侧倾刚度及减震器阻尼提高汽车的抗侧翻稳定性的同时，会导致汽车平顺性变差。因此需要该车的平顺不发生较大的变化作为约束条件。

为保证抗侧翻稳定性优化后汽车的平顺性不会因此发生较大的变化，文章选择汽车以30 km/h 的车速通过脉冲路面时，最大垂向加速度变化最小为约束条件。

3 优化结果分析

优化结果相关性分析，如图5～10 所示.

优化前后各主要参数变化情况，如表1 所示。

表1 优化前后汽车主要参数变化情况

对比表1 发现，优化前该车在鱼钩测试中的所有车轮的最大离地间隙为54 mm，侧翻概率为49.13%，抗侧翻性能评价为1 颗星；优化后最大离地间隙为30 mm，侧翻概率为13.82%，抗侧翻评价为4 颗星。优化后其质心位置的最大加速度相比优化前增加了0.96%，这种变化对汽车平顺性的影响较小，在可接受范围内。