張東珉 韓兵安 葛建勇 趙永坡

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心；河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

據(jù)NASS 統(tǒng)計(jì)的1997—2011年間汽車事故數(shù)據(jù)顯示，平均每年有28.1 萬輛輕型汽車發(fā)生側(cè)翻事故，有6.2 萬人因此受傷。在所有的輕型車側(cè)翻事故中，SUV高達(dá)27%[1]。文章以某公司SUV 為研究對(duì)象，利用操穩(wěn)性能相關(guān)性較好的CarSim 汽車非線性模型，以懸架彈簧剛度及輔助側(cè)傾剛度為優(yōu)化變量；以優(yōu)化前后汽車在脈沖工況下，最大垂向加速度差值最小作為約束條件；以汽車能通過魚鉤試驗(yàn)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)汽車抗側(cè)翻穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化分析。在利好結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了兼顧平順性能的同時(shí)提高抗側(cè)翻性能的分析方法。

1 抗側(cè)翻穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)前評(píng)價(jià)汽車防側(cè)翻能力的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)僅有美國49CFR Part575[1]，該法規(guī)結(jié)合在現(xiàn)實(shí)中兩類側(cè)翻發(fā)生的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律提出了以靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)（SSF，輪距的一半與質(zhì)心高的比值）測試為主、魚鉤試驗(yàn)為輔的星級(jí)評(píng)價(jià)體系。魚鉤試驗(yàn)?zāi)M汽車駛離正常軌跡，駕駛員在慌張情況下飛快轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，但汽車往往會(huì)因過多矯正而導(dǎo)致側(cè)翻。魚鉤測試中方向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化情況，如圖1 所示。其中，方向盤最大轉(zhuǎn)角（A）為方向盤轉(zhuǎn)角系數(shù)（不同車速需要采用不同的方向盤轉(zhuǎn)角系數(shù)）與緩慢增加轉(zhuǎn)向試驗(yàn)過程中，側(cè)向加速度為0.3 g時(shí)，對(duì)應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)角的乘積。初始轉(zhuǎn)向及反向轉(zhuǎn)向時(shí)，方向盤的角速度均為720（°）/s，t1為完成首次轉(zhuǎn)向到側(cè)向加速度ay=1.5 m/s2的時(shí)間，t2=3 s，t3=2 s。

魚鉤測試中需要在不同初始車速（56～80 km/h）下記錄是否有tip-up（超過一個(gè)車輪離地大于50.8 mm）的發(fā)生。測試完成后根據(jù)測試過程中是否發(fā)生tip-up并結(jié)合SSF，選擇不同的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)汽車的抗側(cè)翻性能進(jìn)行評(píng)估，如圖2 所示。當(dāng)在魚鉤測試中發(fā)生了tip-up 時(shí)，該車的側(cè)翻概率按照式（1）計(jì)算：

若魚鉤測試中未發(fā)生tip-up，該車的側(cè)翻概率按照式（2）計(jì)算：

當(dāng)側(cè)翻概率≤10%時(shí)，該車的抗側(cè)翻評(píng)級(jí)為5 顆星，當(dāng)10%＜側(cè)翻概率≤20%時(shí)，該車的抗側(cè)翻評(píng)級(jí)為4 顆星，以此類推，當(dāng)側(cè)翻概率＞40%時(shí)評(píng)級(jí)則為1 顆星。

2 基于CarSim和Isight的聯(lián)合仿真分析

2.1 CarSim模型搭建

文章應(yīng)用某公司操穩(wěn)性能相關(guān)性較好的CarSim整車模型，包括懸架模型、動(dòng)力總成模型、輪胎模型及整車參數(shù)。此動(dòng)力學(xué)模型在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況下與試驗(yàn)對(duì)比，其精度為90%，部分結(jié)果，如圖3 所示。

2.2 優(yōu)化平臺(tái)搭建

CarSim 是開放接口的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，因此，優(yōu)化平臺(tái)的搭建可以采用專業(yè)的優(yōu)化軟件Isight 通過接口技術(shù)集成CarSim 來實(shí)現(xiàn)；CarSim模型進(jìn)行魚鉤仿真時(shí)，仿真工況按照其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。由于研究的SUV通過脈沖路面時(shí)一般以30 km/h 的車速通過，為減小優(yōu)化次數(shù)，文章僅選擇30 km/h 的車速通過脈沖路面的仿真工況進(jìn)行平順性仿真[2]。系統(tǒng)仿真框架，如圖4 所示。

2.2.1 設(shè)計(jì)變量的選擇

汽車抗側(cè)翻穩(wěn)定性與汽車的質(zhì)心高度、輪距及側(cè)傾剛度相關(guān)，而側(cè)傾穩(wěn)定性能又與輪胎剛度、減震器阻尼、懸架彈簧剛度、輔助側(cè)傾剛度及車架剛度等有關(guān)。所以汽車的質(zhì)心高度和輪距在汽車抗側(cè)翻穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用[3]。但由于汽車在實(shí)際開發(fā)過程中，質(zhì)心高度和輪距對(duì)整車影響廣泛且不易改變，而懸架彈簧剛度、輔助側(cè)傾剛度及減震器阻尼可通過實(shí)車調(diào)校的方法來提高其抗側(cè)翻穩(wěn)定性[4]。因此文章選擇前后懸架彈簧剛度和前后輔助側(cè)傾剛度作為優(yōu)化變量。

由于不改變質(zhì)心及輪距，即SSF 在優(yōu)化過程中為一常數(shù)，對(duì)比式（1）和式（2）可以發(fā)現(xiàn)，如果在仿真過程中該車不出現(xiàn)tip-up，即測試汽車能順利通過魚鉤測試，表明其抗側(cè)翻穩(wěn)定性較高。因此，文章選擇使用該車在魚鉤仿真過程中所有車輪的最大離地間隙不大于50.8 mm 作為優(yōu)化目標(biāo)，即：min（Z－Rtire）。

式中：Rtire——輪胎的自由半徑，mm；

ZFL，ZFR，ZRL，ZRR——左前輪、右前輪、左后輪、右后輪輪心距地面的高度，mm。

2.2.2 約束條件

通過改變懸架彈簧剛度、輔助側(cè)傾剛度及減震器阻尼提高汽車的抗側(cè)翻穩(wěn)定性的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽車平順性變差。因此需要該車的平順不發(fā)生較大的變化作為約束條件。

為保證抗側(cè)翻穩(wěn)定性優(yōu)化后汽車的平順性不會(huì)因此發(fā)生較大的變化，文章選擇汽車以30 km/h 的車速通過脈沖路面時(shí)，最大垂向加速度變化最小為約束條件。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化結(jié)果相關(guān)性分析，如圖5～10 所示.

優(yōu)化前后各主要參數(shù)變化情況，如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后汽車主要參數(shù)變化情況

對(duì)比表1 發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前該車在魚鉤測試中的所有車輪的最大離地間隙為54 mm，側(cè)翻概率為49.13%，抗側(cè)翻性能評(píng)價(jià)為1 顆星；優(yōu)化后最大離地間隙為30 mm，側(cè)翻概率為13.82%，抗側(cè)翻評(píng)價(jià)為4 顆星。優(yōu)化后其質(zhì)心位置的最大加速度相比優(yōu)化前增加了0.96%，這種變化對(duì)汽車平順性的影響較小，在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

文章以汽車能通過魚鉤試驗(yàn)為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)汽車抗側(cè)翻穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化。通過優(yōu)化，該車的側(cè)翻概率小于13.82%，以30 km/h 通過脈沖路面時(shí)質(zhì)心位置的最大垂向加速度增加了0.96%。經(jīng)過優(yōu)化，該車同時(shí)滿足了抗側(cè)翻穩(wěn)定及平順性的要求。