基于上坡行驶的驾驶行为规律研究

梁媛媛， 张 晶， 吴 正， 高若曼

(1.中国人民解放军63966部队,北京100072；2.北京交通大学 机电工程学院,北京100044)

通过分析履带式装甲车各典型任务的主要驾驶特点，发现装甲车行驶地形复杂，许多任务剖面都包括上坡道路行驶[1].因此，文中将对装甲车上坡行驶任务开展仿真研究.

驾驶员驾驶训练是为了提升驾驶员驾驶水平，提升作战效率.军队已有一些较为成熟的驾驶训练指导资料，但不同装甲车有不同的特点，现有资料不能包含所有车型的特点，如果都进行实验研究，又将增加实验周期，提高研发成本.GT-suite软件不仅可以搭建发动机工作过程仿真模型和车辆行驶仿真模型，还能搭建驾驶员模块与控制模块，模拟驾驶员驾驶行为对车辆行驶的影响，能够较好地满足对驾驶员驾驶行为的研究需求.因此，文中将针对某一车型用GT-suite仿真软件，研究驾驶员驾驶行为对车辆行驶状态的影响情况[2-5].对上坡行驶的驾驶行为规律进行仿真研究，分析不同驾驶行为、不同车辆初始状态对车辆行驶状态的影响，为驾驶员驾驶训练提供理论依据.

1 数学模型

1.1 发动机工作过程数学模型

能量守恒方程表示为

(1)

式中：m为缸内气体质量；u为缸内气体内能；QB为燃料在气缸内燃烧放出的热量；QW为气缸各壁面传入或传出的热量；ms为流入气缸的气体质量；me为流出气缸的气体质量；hs为进气门门处气体的比焓；he为排气门处气体的比焓；V为气缸工作体积；p为缸内气体压力；φ为曲轴转角.

质量守恒方程表示为

(2)

理想气体状态方程可表示为

pV=mRT,

(3)

式中：T为气体温度；R为比例常数.

1.2 车辆动力学模型

基于GT-suite软件的特点，分析车辆行驶过程中的受力情况.车辆起动后，发动机输出的扭矩经传动系统传到主动轮，半径为r的主动轮带动履带运动.地面对履带的作用力就是驱动车辆的力，可表示为

(4)

式中：Ttq为发动机输出的扭矩；ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比；ηT为传动系统机械效率.

车辆匀速行驶在平直路面时，需克服滚动阻力Ff和空气阻力FW；当车辆行驶在上坡道路时，需要克服重力沿坡道的分力，即坡度阻力Fi；当车辆加速行驶时，还需克服加速阻力Fj.车辆行驶阻力可表示为

Fr=Ff+FW+Fi+Fj.

(5)

汽车行驶方程为

(6)

式中：G为车辆重力；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；δ为车辆旋转质量换算系数，δ>1；dv/dt为车辆加速度，m/s2.

车辆爬坡能力一般指在良好路面上克服滚动阻力和空气阻力后，驱动力的余力全部用来克服坡度阻力，即等速状态爬坡行驶，du/dt=0，所以

(7)

因此，车辆爬坡度可由下式计算

(8)

车辆行驶过程中，除了驱动力与行驶阻力平衡，发动机功率和车辆行驶的阻力功率也相互平衡.将车辆行驶方程两边同时乘上车速，经变换可得到车辆功率平衡方程.当坡度较小时，cosα≈1，sinα≈tanα=i.

(9)

2 仿真模型建立及验证

通过对比多种仿真软件发现，GT-suite软件不仅可以搭建发动机工作过程仿真模型和车辆行驶仿真模型，还能搭建驾驶员模块与控制模块，模拟驾驶员驾驶行为对车辆行驶的影响，能够较好地满足文中对驾驶员驾驶行为的研究需求.利用GT-suite软件搭建仿真模型，为后文仿真研究奠定基础.

2.1 道路模型

装甲车依靠履带与路面之间的相互作用获得前进所需的牵引力，道路特性对车辆运动有着直接的影响.文中对干燥土地道路的上坡行驶任务开展仿真研究.在GT-suite中设定路面参数，搭建道路模型，同时，在车体模块、驾驶员模块等模块中设定相应参数，开展不同道路条件下驾驶员驾驶行为规律研究.

2.2 发动机模型建立

在进行仿真研究时，如果将发动机工作过程仿真模型和整车行驶仿真模型耦合计算，则计算效率非常低.因此，在研究整车行驶过程时，使用发动机模块替代发动机工作过程仿真模型.建立发动机工作过程仿真模型，调试模型使之精度达到要求.再利用该模型计算出发动机模块所需的数据，输入到整车仿真模型的发动机模块中，进行整车仿真研究，可大大降低计算时间，提高研究效率.

基于发动机工作过程数学模型和发动机简化后的物理模型，将发动机划分为若干个系统模块.在GT-suite软件中搭建发动机的工作过程仿真模型，具体建模步骤如下：

1)将发动机气缸模块、曲轴箱模块、进排气模块、进出口环境模块、喷油器模块等各个模块从模板库中拖拽至建模区域，将各模块合理摆放.

2)根据发动机的工作原理，将发动机子系统的各个模块依次连接起来.

3)双击打开各个模块，将发动机结构参数、性能参数等输入到各子模块中.

4)将各个系统和环境条件模块连接起来，将发动机子模块与子系统集成.发动机主要技术参数如表1所示.气缸排列方式为V型60o；进气方式为涡轮增压.通过调试和修改，建立发动机工作过程仿真模型.

表1 发动机主要参数

2.3 整车行驶模型建立及验证

基于整车行驶数学模型和车辆物理模型，搭建整车行驶仿真模型.基于GT-suite软件的特征，同时为了简化仿真计算过程，对车辆系统作如下假设：①忽略传动系统各个部件的弹性阻尼变化；②简化传动系统的工作过程，假设传动轴仅传递转矩；③忽略车辆系统行驶过程中的震动情况；④车辆系统各个部件均以集中质量形式出现.

搭建整车行驶仿真模型主要包含以下几个部分：发动机模块、传动系统仿真模型、行驶系统模块、制动系统模块、驾驶员模块、控制器模块.首先,分别建立各部分的仿真模块，然后,将各个部分依次连接起来建立整车行驶仿真模型.进行调试并与试验数据对比进行验证，最终将模型误差控制在指定范围内.

车辆的主要参数如表2所示.搭建完成的整车行驶仿真模型如图1所示.

表2 履带式装甲车主要参数

图1 整车行驶仿真模型

表3为整车仿真模型的计算值与实车试验值对比结果.可以看出，整车行驶仿真模型精度达到要求.

表3 整车行驶仿真值与实车试验值误差对比

3 上坡行驶仿真研究

通过对驾驶员驾驶行为的模拟，对装甲车上坡行驶开展仿真研究[6].其中，所研究车型的最佳动力性换挡规律，如表4所示.

表4 动力性换挡规律

3.1 低挡、低速上坡行驶

为了研究驾驶员驾驶行为对车辆行驶的影响，接下来针对不同的坡度和长度进行仿真，研究不同驾驶行为对车辆行驶的影响情况.选择所研究车型的各挡性能参数如表5所示.

在仿真模型中设定不同的驾驶员驾驶行为参数和道路模型参数，模拟研究不同道路上的驾驶操作对车辆行驶状态的影响.一般的履带式装甲车爬坡的坡度范围在10%～25%之间，因此，针对坡度为5 %、10 %和25 %的道路开展研究.

首先，研究装甲车1挡状态下、以0 km/h的初速度，驶入不同坡度、长度200 m的上坡道路后的驾驶行为.具体设定参数如表5所示.

表5 道路参数与驾驶员动作参数设定

经过仿真计算得到如下结果.图2为在5 %的坡道上车辆行驶速度与挡位变换情况.

图2 5%坡道上挡位选择对车辆行驶状态的影响

从图中可以看出，坡度为5 %时，1至3挡均可稳定爬坡.且随着最高挡位的升高，车辆动力性升高，完成200 m上坡路程所需时间逐渐减少.

仿真得到车辆在10 %的坡道上的行驶速度与挡位变换情况，如图3所示.

图3 10%坡道上挡位选择对车辆行驶状态的影响

坡度为10 %时，1挡和2挡均可稳定爬坡.且随着最高挡位的升高，车辆行驶200 m所消耗的时间越来越少，动力性越来越好.约14 s时，从2挡升至3挡，车速开始下降，到27 s时，挡位切换至2挡，车速再次上升，并开始出现换挡循环现象.出现这种情况的原因是10 %的坡度超出了3挡的爬坡能力，使用3挡时后备功率不足，发动机提供的功率不足以使车辆克服滚动阻力、坡道阻力等行驶阻力.仿真得到车辆在25 %的坡道上行的驶速度与挡位变换情况，如图4所示.

图4 25%的坡道上挡位选择对车辆行驶状态的影响

坡度为25 %时，1挡可以稳定爬坡.2挡和3挡均出现了换挡循环情况，因为25 %的坡度超出了2挡和3挡的爬坡能力，车辆后备功率不足，发动机提供的功率不足以使车辆克服行驶阻力.

3.2 中低挡、中速上坡行驶

前文仿真了车辆在上坡起点处静止出发，在上坡过程中逐步换挡、提速的过程.而在实际驾驶任务中，通常不会在上坡的起点处从静止加速，而是以某一初速度驶入上坡道路.接下来，研究车辆以不同初速度、中低挡位驶入长度为100 m坡道的情况.具体的参数设定与相应算例的仿真时间，如表6所示.

表6 道路参数与驾驶员动作参数设定与仿真结果

从上表可以看出，在坡度为5%和10%的坡道上行驶，初始挡位和初始车速越高，完成起步加速至32 km/h的时间越短，车辆动力性越好.保持坡度能够使用的最高挡位用时最短；盲目遵循动力性换挡规律的用时最长.

3.3 高挡、高速上坡行驶

车辆在高初速度、高挡位驶入长度为200 m的上坡道路时，车辆行驶状态变化规律.参数设定如表7所示.

表7 道路参数与驾驶员动作参数设定

第1至4和5至8算例的仿真结果发现，由于坡度较小，车辆高速驶入坡道时速度降低很慢，因此，在有限的距离内未到达降挡车速不需要进行换挡操作，车辆能够以很短的时间高速通过坡道.

第9～11算例仿真计算车辆在10%的坡道上，以32 km/h的初速度、4挡状态驶入上坡坡道，设定不同的换挡规律，得到的车速与挡位变换情况如图5所示.

图5 10%坡道上初速度为32 km/h时，挡位选择对车辆行驶状态的影响

由仿真结果可以发现，道路坡度为10 %时，车辆动力性不足，上坡后，车速逐渐下降，因为4挡下的发动机功率不足.约22 s时，车辆速度降低到14km/h，达到了降挡车速，于是挡位切换至2挡，当保持2挡行驶时，车辆可以逐步加速至平稳行驶；当继续按照动力性换挡规律，切换挡位至3挡时，车速便又开始下降，并且照此趋势发展，可能出现换挡循环的情况.

算例12～14模拟了初始速度为59 km/h在25 %坡度的坡道上的行驶情况.受坡度阻力的影响车辆速度迅速下降，并且挡位也逐渐降至3挡.但由于初始速度高，在车速还没有到达3-2挡的降挡车速时，车辆已经行驶了200 m的距离，耗时21.36 s，所以3个算例的曲线趋势一致，不再绘制该组算例的曲线.

第15和16算例仿真计算车辆在25 %的坡道上，以32 km/h的初速度、4挡状态驶入上坡坡道，设定不同的换挡规律，得到的车速与挡位变换情况如图6所示.算例17、18与算例15、16图线非常相似，不再绘制算例17、18的曲线.

图6 25%坡道上初速度为32 km/h时，挡位选择对车辆行驶状态的影响

该车型只有1挡位的爬坡度超过了25 %，因此很容易在途中发现，车辆高挡、高速驶入25 %的坡道后，车速都迅速下降，挡位逐步下降至1挡.按照换挡规律进行换挡的例子中，挡位切换至1挡后，后备功率增大，车辆速度增加，当车速增加至9 km/h时，挡位切换入2挡，但2挡的后备功率不足以为车辆提供充足的动力，因此，车速再次降低，陷入换挡循环的行驶状态.维持1挡的例子中，车辆逐渐加速，车辆受到的行驶阻力逐渐增加，当发动机提供的牵引力与车辆受到的行驶阻力相等时，车辆受力达到平衡，车辆保持稳定车速行驶.

综上所述，驾驶员在驾驶装甲车上坡行驶时，应注意以下几个驾驶操作要点：

1)以低挡、低速驶入某一坡度的坡道时，如有提升挡位的需要，注意升挡的最高挡位，不能超过该坡度能够使用的最大挡位；

2)坡度上换挡会对车辆行驶效率有一定影响，因此，应尽量减少在上坡过程中的换挡动作；

3)如果上坡前的行驶距离足够长，驾驶员可在上坡前加速，以较高的挡位和初速度驶入坡道，比低挡位下的加速性能更好，可以减少行驶过指定坡道的行驶时间；

4)以高挡、高初速度驶入坡道.若坡道距离短，利用惯性和高挡位的动力性足以快速驶过坡道；若坡道距离中等，利用惯性并按照换挡规律逐步降低挡位，驶过坡道；若坡道过长，车速一直下降并逐步降挡，为避免出现动力不足或换挡循环情况，则应在降至能够爬上该坡度的最大挡位时，维持该挡继续行驶.

4 结 论

文中用整车性能仿真软件GT-suite建立了发动机仿真模型和整车行驶仿真模型，利用发动机模型计算得到相应数据，输入到整车行驶仿真模型中的发动机模块中，经过验证发现整车行驶仿真模型精度达到要求，同时大大提高了计算效率.基于建立的整车行驶仿真模型，通过模拟不同驾驶员驾驶意图设定换挡方式，仿真研究以不同初始车速和初始挡位驶入坡度为5%、10%、15%和25%的坡道上时驾驶员的驾驶行为规律，并分析驾驶行为对车辆行驶状态的影响，归纳了上坡行驶时，提升车辆动力性的驾驶行为规律.能够为驾驶员驾驶训练提供理论参考.