基于多体动力学的汽车操纵稳定性试验研究

杨俊华

摘 要：汽车的操纵稳定性是保持汽车稳定行驶的重要特性，关系到车辆、驾乘人员以及行人的安全。文章以基于多体动力学的汽车操纵稳定性试验作为主要研究课题，选取某车对其操纵稳定性进行仿真试验，得出该车具有较好的操纵稳定性能的结论，希望文章研究可以为汽车的开发设计起到一定的指导作用。

关键词：多体动力学；汽车；操纵稳定性；仿真

中图分类号：U461.6 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-41-06

Abstract： The steering stability of a car is an important feature that keeps the car moving steadily. It concerns the safety of vehicles， occupants and pedestrians. In this paper， based on the multi-body dynamics of the vehicle handling stability test as the main research topic， select a car to simulate its handling stability and draw the conclusion that the car has good handling and stability， I hope this study can be for the car The development and design play a guiding role.

Keywords： multi-body dynamics； automobile； handling stability； simulation

CLC NO.： U461.6 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-41-06

引言

所谓汽车操纵稳定性能，指的是汽车能根据驾驶员的控制能力进行行驶，且能够抵抗外界干扰保持稳定行驶的性能。操纵稳定性决定着车辆在行驶过程中是否安全，且已作为关键技术指标用来对汽车性能进行评价。多体动力学为一种复杂机械系统，是由多个物体通过运动副连接而成。随着计算机技术的不断发展与进步，计算机仿真技术广泛应用于汽车工业中。尤其是多体动力学理论的发展，让多体动力学理论广泛应用于汽车操纵稳定性研究和设计领域中。本文则基于此，以多体动力学为理论，对汽车操纵稳定性进行了试验与仿真分析。通过仿真分析得知，该车操纵稳定性能较好。

1 方向盘角阶跃输入试验

1.1 仿真标准与方法

根据GB/T 6323-2014标准，该车在仿真车速为90kmh的情况下，进行整车动力学模型的满载试验，方向盘的角阶跃表现为0.1秒的时间内起跃9.2°，使得汽车稳态侧向加速度的数值增长为0.2g。

1.2 仿真数据处理及试验结果

对于方向盘角阶跃的输入试验，其主要涉及到以下几个变量。见图1-图6。

横摆角速度峰值时间能够由图3得知。

横摆角速度超调量根据式（1）明确：

在此之中，“汽车因素”TB主要由横摆角速度峰值响应时间和汽车质心稳态侧偏角相乘得来。

基于以上计算，得到表1所示的相关数据结果。

1.3 仿真结果评价

根据GB/T 6323-2014标准，汽车横摆角速度响应时间的评分见式（4）：

2 方向盘角脉冲输入试验

2.1 仿真标准与方法

根据GB/T 6323-2014标准，该车在仿真车速为90kmh的情况下，进行整车动力学模型的满载试验，其中，方向盘转角输入脉宽表现为0.4s，在2s时，方向盘转动88°，使之最高侧向加速度增长到0.4g，同时，仿真时间表现为10s。

2.2 仿真数据处理及试验结果

对于方向盘角脉冲输入试验，其主要涉及到以下几个变量。见图7-图10。

根据试验所得到的结果，取其均值，可得出汽车的幅频及相频特性图，见图11、图12，其中，横坐标的最大值表现为3Hz。

根据GB/T13047-1991分别计算出谐振频率fP平均值，谐振峰水平D与相位滞后角α。数据结果见表2。

2.3 仿真结果评价

根据GB/T 6323-2014标准，对转向瞬态响应试验及方向盘角脉冲输入试验进行评分。

对于本车，f、D及α的上限值f100、D100、α100分别选择1.00、2.00、40.0，其下限值f60、D60、α60则分别选择0.60、5.00、80.0。

谐振频率f的评价分值，根据式（6）明确：

NM表示的是方向盘角脉冲输入试验的综合评分。

根据以上参数和公式，可以得到Nf=100，ND=97.24，Nα=100。最终得出NM=99.08。

3 转向回正性能试验

3.1 仿真标准与方法

根据GB/T 6323-2014标准，于低速情况下对车采取转向回正试验。以半径为15m为基础，让汽车以圆周行驶，将侧向加速度提升至4m/s2，而后维持均匀车速，3s后突然松开方向盘，对其运动不低于4s的过程做记录，运用公式 對其仿真时的车速计算出为27.8Km/h，该试验侧重对横摆角速度与时间变化关系的研究。

3.2 仿真数据处理及试验结果

对该车参照上述试验方法来作仿真试验，于横摆角速度与时间历程曲线上，定义t=10s时为坐标原点，评价指标如下：

1）稳定时间—时间坐标原点到处于新稳态值时横摆角速度的时间间隔；

2）残留横摆角速度—放开转向盘3s时的横摆角速度值（包含有零值）；

3）横摆角速度超调量—第一个横摆角速度峰值超出新稳态值的部分与新稳态值之间的比值；

4）横摆角速度总方差值。

表3和图13为转向回正仿真试验结果。

3.3 仿真结果评价

由上述公式算出低速转向回正仿真试验的评价计分值，NH=83。见下表4。

根据表4计分值可见，低速转向回正下橫摆角速度总方差计分较小，应加大初始横摆角速度值，整体上的低速回正性能较好。

4 转向轻便性试验

4.1 仿真标准与方法

根据GB/T 6323-2014标准，转向轻便性实验是让汽车按照双扭线进行等向行驶，并对转向盘力矩等值做相关记录。该试验往往用于转向盘力输入特性的评价，尤其是转向轻便性的评价。

双扭线的极坐标方程见式（13）：

5 稳态回转试验

5.1 仿真标准与方法

根据GB/T 6323-2014标准，仿真中汽车以最低匀速按照初始半径为20m进行圆周运动，转向盘转角为303.8度。然后加速（加速度为200mm/s2）并稳定转向盘转角。本试验为左转转向盘组，仿真分析结果见图18-图21：

5.2 仿真数据处理及试验结果

1）转弯半径比Ri/R0与侧向加速度ay关系

根据对横摆角速度于汽车的前进车速的相关记录，采取式（21）对各点的转弯半径进行计算：

然后计算各点的转弯半径比Ri/R0（R0为初始半径，m），结合最终结果，绘制Ri/R0—ay曲线。

2）汽车前后偏差角差值（δ1?δ2）与侧向加速度ay的关系

汽车稳态回转时，（δ1?δ2）根据式（22）明确：

3）车身侧倾角Φ与侧向加速度ay的关系曲线

结合对车身侧倾角记的相关记录，绘制Φ—ay关系曲线

基于GB/T 13047的相关标准，对侧向加速度an、不足转向度U以及车身侧倾度KΦ进行找寻。

参照郭孔辉《汽车操纵动力学》书中所设定的评分标准，各指标计分如下：

1）中性转向点的侧向加速度值an的评价计分值根据式（23）计算：

2）对于不足转向度U，由前、后桥侧偏角差值和侧向加速度值为2m/s2时的平均斜率为基础来进行计算，其评分值由式（24）来得出：

3）对于车厢侧倾度KΦ，由车厢侧倾角和侧向加速度值为2m/s2时的平均斜率为基础来进行计算，其评分值由式（25）来得出：

结合式（24）（25）（26）评价可得出：

1）中性转向点侧向加速度值的评价计分值Nan=100；

2）不足转向度U=0.185（?）s2/m，其评价计分值NU=84.64；

3）车厢侧倾度KΦ=0.378（?）s2/m，其评价计分值NΦ=100；

4）稳态回转的综合评分94.88。根据上述特性曲线以及各指标的评分结果可得出：该车稳态回转为不足转向，且稳态转向特性较好。

6 蛇形试验

6.1 仿真标准与方法

根据GB/T 6323-2014标准，按照汽车基准速度65km/h来试验，让汽车沿蛇形路线运动。

6.2 仿真数据处理及试验结果

将以上各操纵稳定性试验所得到的评分值代入式中，可以得到该车操纵稳定性的综合分数，即为NZ=89.06，说明整车操纵稳定性较好。

8 结论

本文以多体动力学为基础，对某车操纵稳定性进行了仿真试验，最终得出此车的操纵稳定性总评价为89.06分，说明该车操纵稳定性良好。本文研究可以为汽车设计起到一定的指导作用，降低汽车设计的成本。但由于笔者自身能力的不足，加之相关资料的缺失，本文研究还不够深入详细，在后期还有待进一步完善。

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