某高端载货汽车的操纵稳定性能仿真分析与调校

杨祥利井广红沈磊尹春华宣晨阳

（1.南京依维柯汽车有限公司；2.南京汽车集团有限公司南汽研究院）

某高端载货汽车的操纵稳定性能仿真分析与调校

杨祥利1井广红1沈磊2尹春华1宣晨阳1

（1.南京依维柯汽车有限公司；2.南京汽车集团有限公司南汽研究院）

针对某新开发的载货汽车试制样车操纵稳定性能指标低于设计目标问题，应用ADAMS软件建立了其动力学模型，对其操纵稳定性能进行仿真分析。结合主观评价试验，建立了参数化板簧模型，利用相关性分析技术对板簧弧高等参数进行调校。试验结果表明，调校后该车操纵稳定性能指标有较大提升，达到了高端载货汽车的设计要求。

1 前言

为适应城际物流对高端品牌载货汽车的要求，遵照Benchmark理念参考对标车型开发了中体、宽体6t载货汽车。其中最重要的一项设计目标就是提升操纵稳定性，不仅要使其满足试验评价方法QCT480-1999[1]要求，同时还要满足驾驶员的主观感受要求。

传统新车型设计方法是先完成新车型的开发与设计,搭建试验样车,然后对样车按照GB/T 6323-2014[2]进行道路试验,将采集到的数据进行拟合处理，并进行性能计分评价。一旦性能不能满足要求，需要设计工程师根据经验重新调整设计参数，重新搭建样车并组织试验。这种方式费时费力，无法满足现代汽车产品开发需求。底盘调校工作基于对车辆性能的主观评价，包括前期竞品车性能分析、目标设定以及后期实车调试工作[3]等。作为一种先进的开发手段，该工作已经在乘用车生产企业普遍应用。本文运用车辆动力学软件ADAMS对某载货汽车进行了仿真分析，对其操纵稳定性进行计分初评。分析和样车试验均表明，该车稳态回转性能明显低于对标车型。由于车辆悬架硬点和各系统布置已经确定，不便修改，因此，结合主观评价试验，利用相关性分析技术对其板簧悬架参数进行了调整优化，最终达到提升操纵稳定性的目的。

2 整车操纵稳定性初步仿真分析

对汽车操纵稳定性影响较大的3个主要因素是整车质心位置、轮胎侧偏特性和悬架刚度及其导向机构。由于设计要求，整车质量和质心参数不可修改。另外，该车仿真数学模型采用Pacejka魔术公式，轮胎参数从台架试验测量并通过参数识别方法获取，费用很高，也不能更改。相对而言，钢板弹簧悬架系统为自主开发，其修改和样件试制比较容易实施，因此本文重点讨论钢板弹簧悬架的建模及分析。

2.1 前后悬架建模

前后悬架弹性元件均由多片板簧组成。前悬架弹性元件为单副板簧，后悬架设计为主副簧结构，以适应不同装载质量要求。

设计之初已经考虑了板簧导向作用对操纵稳定性的影响，将前板簧设计成平直姿态，如图1所示。将后板簧设计成前低后高的姿态，如图2所示。

与前后板簧都是平直布置相比，后板簧前低后高布置时，转向时由于车身侧倾，左、右后轮中心将沿着图3a所示虚线圆弧分别做上、下运动，而前、后轴侧偏角之差会增加一个水平面内的轴转角θr，如图3b所示，这样就保证了车辆有良好的不足转向特性[4]。

由于ADAMS软件建模功能限制，所建板簧为矩形截面，与真实板簧截面有微小倒角差异，板簧刚度计算结果比试验结果大10%。而板簧刚度计算时，也需要考虑修正系数η（η=90%）[5]，因此，根据板簧刚度试验结果，对所建板簧模型的转动惯量进行了调整，将截面转动惯量乘以修正系数η，保证了板簧刚度计算值与试验值一致。

2.2 整车模型操纵稳定性仿真与样车试验

获取整车硬点坐标和各子系统参数，建立各子系统模型，并和悬架系统装配成整车动力学模型如图4所示。该模型是根据汽车工程手册[6]估算了整车质心坐标系的转动惯量后所建立的整车模型。

根据GB/T 6323-2014描述的试验方法，编制了适用于各工况的驱动文件，对该车进行稳态回转、转角脉冲、转角阶跃、转向回正和转向轻便性等性能仿真计算。

同时，在定远试验场，对样车和竞品车的操纵稳定性进行了5轮试验并进行打分比较。打分结果表明，样车少部分指标略超过了竞品车型，其他大部分重要指标均低于竞品车型。表1为操纵稳定性主观评价的平均分值对比，受篇幅限制，只列出部分指标。

表1 操纵稳定性指标试验平均分值对比

表1中圈注的数据表示该指标未达到设计要求，与竞品车型相差较大，需要重点关注。

样车的评分结果和仿真计算趋势一致，绝大部分评分也相差不大，其主要原因是转向系统、各类衬套特性都做了台架试验，仿真模型较精确反映了物理样机的操纵稳定性。

3 操纵稳定性相关性分析

仿真和试验结果表明，现有样车的操纵稳定性低于竞品车。考虑成本和上市周期限制，对悬架系统板簧参数进行优化分析和调校，以达到超越竞品车的指标要求。为最快找出优化方案，分析板簧各主要参数对操纵稳定性的影响程度，应用相关性分析技术对操纵稳定性进行耦合分析。

3.1 板簧参数化模型

板簧建模是整车模型中的难点，合理简化是正确建模的关键。ADAMS软件中的LeafSpring工具基于Beam梁理论，建立的板簧模型由若干小段梁单元拼接而成，精度很高，但自由度多，不便用于优化计算。为进行优化分析，可以将板簧简化为3-link模型[7～9]。

板簧建模需要同时考虑三向刚度和导向运动轨迹，用文献[10～13]中介绍的方法，SAE 3-link板簧简化模型如图5所示。图中，L为钢板弹簧主片弧长，m为U形螺栓前部无效长度，n为U形螺栓后部无效长度，a为钢板弹簧前半部分弧长，b为钢板弹簧后半部分弧长，c为吊耳长度。

模型将板簧总成简化为3个通过旋转铰或弹性衬套相连的连杆，旋转铰中加入力元描述板簧的承载特性。模型中的几何参数由以下公式确定:

根据试验得到的板簧名义刚度特性，通过迭代方法调整弹簧阻尼器的参数获取衬套刚度和阻尼参数[10]，最终建立的后悬架板簧模型如图6所示。

3.2 相关性分析

文献[15]创建了设计变量和目标值的平行坐标图，可通过改变变量和目标值范围来缩小满足条件解的范围。用相关性矩阵图给出了各设计变量、目标值之间线性相关系数，分析了各设计变量对目标值的影响程度。

根据上述思路，选取设计变量和目标参数列于表2，应用相关性分析方法，运用Mode Frontier软件与Adams/ Car联合仿真手段，对该车进行迭代仿真。

表2 设计变量和目标参数

根据随机振动和相关性分析理论，对输入变量和输出变量进行了相关性分析，图7输出了所有变量之间的相关系数矩阵。图7中，相关系数矩阵右上三角每个元素中每个小点表示每次迭代过程中各随机变量的值，对角线表示该随机变量的概率密度函数，左下三角为两个变量之间的相关系数。

相关系数计算公式为:

式中，μX与μY分别为随机变量X、Y的均值；σX与σY分别为X、Y的方差；E[X]表示变量X的数学期望。

相关系数取值范围是[-1,+1]，-1表示负相关，+1表示正相关。相关系数的值越大，表示其对操纵稳定性的影响越明显。

从图7的相关系数矩阵可以看出，后簧弧高、前簧预载、前簧吊耳长度、后簧刚度、副簧刚度和后簧吊耳位置对操纵稳定性指标有较大影响。而后簧吊耳长度和前簧刚度则对操纵稳定性指标几乎无影响。

3.3 优化方案的选取

根据板簧参数和性能指标之间的相关系数，选择对操纵稳定性影响较大的板簧参数进行DOE分析，从中选出最优参数作为该车调校方案的基准，优化前、后各参数如表3所列。

表3 设计变量初始值与优化值

4 调校方案的试验验证

为了验证分析结果的正确性，确定分析方案的可行性，在定远试验场进行了整车操纵稳定性试验。根据试验车辆要求，试验前对仪器设备进行了预热，同时以一定的侧向加速度行驶一段时间以对轮胎进行预热。

主观评价试验由国外评车专家根据自己的驾乘经验对车辆进行操控完成，对每项测试指标进行计分。最终的调校结果与竞品车评分对比如图8所示。

调校后，侧向加速度、车身侧倾角、响应线性化、转弯响应指标均优于竞品车型，不足转向、侧倾/俯仰控制指标已达到竞品车型水平，不平路面直线保持指标略低于竞品车型水平，稳态回转和瞬态转向两项综合指标达到不低于竞品车型的要求。

5 结束语

本文建立的整车动力学模型是车辆操纵稳定性提升的基础，板簧参数化建模是调校的关键。通过试验验证、相关性分析和主观评价对板簧参数进行优选，显著提升了车辆的操纵稳定性。结果表明，应用动力学模型联合仿真和主客观试验测评相结合的方法，可以为底盘调校工作提供重要的技术支持。

1 QCT480-1999.汽车操纵稳定性指标限值与评价方法.

2 GB/T6323-2014.汽车操纵稳定性试验方法.

3 孙福禄，朱建胜，赵壁凌等.某车型底盘调校样件规格设定浅析.农业装备与车辆工程，2013，（10）：12～14,22.

4 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2009.

5 王霄峰.汽车底盘设计.北京：清华大学出版社，2010.

6 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册（试验篇）.北京：人民交通出版社，2001.

7 Michael Blundell，Damian Harty.Multibody Systems Ap⁃proach to Vehicle Dynamics.New York，USA，2004.

8 SAE Hs-788 Spring Design Manual，Pan I：Design and Ap⁃plication of Leaf 8prings.Warrendale，Pennsylvania：society of Automotive Engineers Inc，1982

9 Adams2010 truck help.

10 齐海政.高品质商用车动力学建模关键问题研究：[学位论文]，吉林：吉林大学，2011.

11 侯宇明.商用车板簧建模及整车性能指标分解与综合关键技术研究：[学位论文]，湖北：华中科技大学，2011.

12 景立新，郭孔辉，卢荡.钢板弹簧三连杆模型参数辨识研究.汽车技术，2010，（12）：10～13,54.

13 李凌阳，张云清，覃刚等.钢板弹簧建模方法研究.汽车工程，2013，（7）：660～666.

14 姜吉光，王登峰，苏丽俐等.车内噪声品质偏好性主客观评价及相关性分析.汽车技术，2012，（8）：6～10.

15 Zhao Zheng，Wu Shenrong，Wang Yajun.Optimization of Front Rail Based on Energy Management.The 9th Int.Fo⁃rum of Automotive Traffic Safety（INFATS）.Changsha，China.December 2011：（66～71）.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2015年6月1日。

Simulation Analysis and Adjustment of Handling Stability for A High-end Truck

Yang Xiangli1,Jing Guanghong1,Shen Lei2,Yin Chunhua1,Xuan Chenyang1
（1.NAVECO Automobile Co.,Ltd;2.Nanjing Engineering Research Institute,Nanjing Automobile Group Co.,Ltd）

Handling stability of a newly developed truck prototype is inferior to the design objective,to solve this problem,we build the dynamics model using ADAMS software and simulate its handling stability.According to the results of subjective evaluation test,we establish a parameterized leaf spring model,and use correlation analysis technology to adjust the leaf arc height and other parameters.Test result shows that,after adjustment,the handling stability of this truck is improved significantly and meets the design requirements.

Truck,Handling stability,Leaf Spring,Correlation Analysis,Adjustment

载货汽车 操纵稳定性 板簧 相关性分析 调校

U461.6

A

1000-3703（2015）07-0010-04