陶利民 何維廉

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

1 引言

汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下,汽車(chē)能遵循駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向輪給定的方向行駛,且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí),汽車(chē)能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[1]。

近年來(lái),隨著車(chē)速的不斷提高和道路上行車(chē)密度的不斷增大,人們對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高。目前,對(duì)操縱穩(wěn)定性的研究主要是通過(guò)模型仿真和實(shí)車(chē)試驗(yàn)兩種方式。模型仿真是在計(jì)算機(jī)上建立汽車(chē)操縱穩(wěn)定性整車(chē)數(shù)學(xué)模型,輸入駕駛員對(duì)汽車(chē)的各種操縱信號(hào),解算出系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng),以此來(lái)表征汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性能[2]。模型仿真由于具有操縱方便、研發(fā)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn),日前已廣泛應(yīng)用到各種車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性研究當(dāng)中。本文利用ADAMS/Car模塊,建立起某非獨(dú)立懸架輕型客車(chē)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)其進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍條件下的操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn),重點(diǎn)分析了前后懸架鋼板彈簧剛度對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響。

2 建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

這里需要建立的整車(chē)模型主要包括：前后懸架、前后輪胎、前后橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向系、車(chē)身、動(dòng)力系統(tǒng)。原型車(chē)部分設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1：

2.1 前懸架模型

該輕型客車(chē)前懸架為鋼板彈簧非獨(dú)立懸架,這種懸架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用維修、保養(yǎng)方便,長(zhǎng)期以來(lái)在汽車(chē),尤其是在客、貨車(chē)上得到廣泛應(yīng)用[3]。

前懸架模型可抽象為以下部件：前軸(axle)、左/右轉(zhuǎn)向節(jié)(knuckle)、左/右輪轂(upright)、左/右轉(zhuǎn)向橫拉桿(tierod)、左/右減振器(damper)、左/心鋼板彈簧(leafspring)。其中,減振器被抽象為車(chē)身與前懸架的作用力。轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)旋轉(zhuǎn)副分別與前軸和輪轂連接,轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間添加球鉸副。

作為建模難點(diǎn)的鋼板彈簧,則用SAE推薦的三段梁方法簡(jiǎn)化建模,其建模原理和具體方法為：把鋼板彈簧等效為一個(gè)剛性“三連桿”結(jié)構(gòu)[4],用橡膠襯套把三段梁連接起來(lái),然后在中間梁與軸連接處添加固定副,在前后梁與車(chē)架連接處同樣用襯套連接,以此模型鋼板彈簧最典則的工作狀況。其中,前卷耳與車(chē)身連接處、后卷耳與吊耳連接處、吊耳與車(chē)身連接處這三處的彈性襯套參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際襯套參數(shù)編制。至于前梁和中梁、中粱和后梁之間的兩個(gè)彈性襯套屬性文件根據(jù)鋼板彈簧剛度需要編制。建立好的前懸架模型如圖1所示：

表1 原型車(chē)部分設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1

圖1 前懸架模型Fig.1 The front suspension model

2.2 后懸架模型

后懸架同樣為鋼板彈簧非獨(dú)立懸架,模型可抽象為以下部件：后軸(axle)、左/右輪轂(upright)、左/右驅(qū)動(dòng)軸(drive shaft)、左/右萬(wàn)向節(jié)(tripot)、左/右主銷(spindle)、左/右減振器(damper)、左/右鋼板彈簧(leafspring)。驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)平面副分別與萬(wàn)向節(jié)和主銷連接,輪轂一方面與后軸用固定副連接,另一方面通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與主銷連接。后鋼板彈簧建模與前板簧方法一樣。建立好的后懸架模型如圖2所示：

圖2 后懸架模型Fig.2 The rear suspension model

2.3 橫向穩(wěn)定桿模型

現(xiàn)代汽車(chē)大多裝有橫向穩(wěn)定桿來(lái)加入懸架的側(cè)傾角剛度以改善汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性。該輕型客車(chē)前后懸架都裝有橫向穩(wěn)定桿,其建模方法為：將橫向穩(wěn)定桿分為左右兩部分來(lái)建,中間用旋轉(zhuǎn)副連接并作用一個(gè)表達(dá)其扭轉(zhuǎn)剛度的扭簧。橫向穩(wěn)定桿通過(guò)球副分別與前后懸架連接,立柱一端通過(guò)襯套與橫向穩(wěn)定桿連接,另一端通過(guò)固定副與車(chē)身連接。

2.4 輪胎模型

ADAMS中提供了5種用于操縱性的輪胎模型,分別是 MF.Tyre 模型 、Pacejka89、Pacejka94 和PAC2002模型、Fiala模型、UA 模型、5.2.1模型[5]。各種輪胎都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),本文采用PAC2002輪胎模型。輪胎模型所需的輪胎特性參數(shù)根據(jù)原型車(chē)輪胎規(guī)格(7.00R16)編制而成。

2.5 其它模型

其它模型均采用ADAMS/Car公用數(shù)據(jù)庫(kù)中自帶的模板,其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用齒輪齒條式,車(chē)身系統(tǒng)使用一個(gè)質(zhì)量中心模型,動(dòng)力系統(tǒng)采用動(dòng)力總成簡(jiǎn)化模型。根據(jù)實(shí)車(chē)需要修改相應(yīng)參數(shù)即可得到所需模型。

2.6 整車(chē)模型

在標(biāo)準(zhǔn)模式(standard interface)下將上述所建各子系統(tǒng)模型與整車(chē)測(cè)試平臺(tái)(MDI_SDI_TESTRIG)組裝在一起,得到整車(chē)操縱穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真模型,如圖3所示：

表2 原型車(chē)輪胎(7.00R16)的特性參數(shù)Table 2

3 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真試驗(yàn)

圖3 整車(chē)操縱穩(wěn)定性模型Fig.3 The full vehicle model of handing stability

圖4 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角Fig.4 The steering wheel angle

角階躍輸入試驗(yàn)是為了測(cè)定汽車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng),是汽車(chē)瞬態(tài)閉環(huán)響應(yīng)特性的一種重要試驗(yàn)方法,可以綜合評(píng)價(jià)汽車(chē)行駛穩(wěn)定性及乘坐舒適性。該試驗(yàn)在一定程度上表現(xiàn)出汽車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的綜合性能。