李軍,苑士華,劇冬梅,李瑞英

(1.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081;2.中國兵器科學研究院,北京 100089）

基于動力學仿真的特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗方法研究

李軍1,2,苑士華1,劇冬梅1,2,李瑞英2

(1.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081;2.中國兵器科學研究院,北京 100089）

為研究和制定特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗方法,在參照相關國家標準和國際標準的基礎上,針對其具體特點,通過整車動力學建模、操縱穩(wěn)定性仿真、仿真數(shù)據(jù)處理及計分評價等多工況全流程的動力學仿真計算,分析確立了特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗的關鍵參數(shù),提出了試驗方法。經(jīng)實車驗證試驗,表明了試驗方法的可行性以及通過動力學仿真手段提出的試驗方法可以滿足特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗和計分評價要求。

兵器科學與技術(shù);特種車輛;操縱穩(wěn)定性;動力學仿真;試驗方法

0 引言

特種車輛一般采用6×6,8×8甚至10×10驅(qū)動形式,整車結(jié)構(gòu)復雜、滿載質(zhì)量大、重心位置高,同時要求具備在復雜路面上的高速機動能力和主動安全能力,因此對其整車性能特別是決定車輛高速行駛安全性的操縱穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下,汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛,且當遭遇外界干擾時,汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[2]。根據(jù)文獻[3],影響車輛主動安全性因素的依次排序為:轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應特性、轉(zhuǎn)彎制動性能、直線制動性能、轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)響應特性、視見性、耐顛覆性、抗干擾性、回正性、可靠性。在這9種主要因素中,其中5種因素屬于操縱穩(wěn)定性的范疇,進一步體現(xiàn)了操縱穩(wěn)定性對車輛主動安全性的重要性。

目前,國內(nèi)對車輛操縱穩(wěn)定性的研究主要集中在轎車領域,其建模、仿真、試驗、評價等方法相對成熟,并且形成了較為完善的技術(shù)體系。但在特種車輛領域的研究基礎較為薄弱,由于該領域的特殊性,可借鑒經(jīng)驗較少。需要根據(jù)其特點,利用車輛動力學仿真的優(yōu)勢,通過多種工況的多次仿真,得出車輛極限安全狀態(tài),歸納和總結(jié)出適用于特種車輛的操縱穩(wěn)定性試驗方法。

1 車輛操縱穩(wěn)定性模型的建立

本文以某型8×8驅(qū)動型式的特種車輛為研究對象(車輛參數(shù)見表1),使用基于拉格朗日方程方法的多體動力學分析軟件ADAMS創(chuàng)建整車模型[4-5]。

表1 某特種車輛主要參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of a special vehicle

整車模型由底盤模型、雙橫臂式前懸架模型(一橋、二橋)、雙橫臂式后懸架模型(三橋、四橋)、雙梯形轉(zhuǎn)向系模型、中央傳動系模型、輪胎模型等分系統(tǒng)模型組成(見圖1)。其中:發(fā)動機和變速箱模型簡化為傳動系統(tǒng)的動態(tài)扭矩輸入;駕駛員模型采用預瞄跟隨模型[6],其基本系統(tǒng)框圖見圖 2;輪胎模型采用UA模型,性能參數(shù)通過試驗獲得,試驗測試如圖3所示。

圖1 整車模型組成圖Fig.1 Composition of full vehicle model

圖2 駕駛員預瞄跟隨模型基本結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Basic structure of pre-aim and follow driver model

圖3 輪胎參數(shù)測試試驗Fig.3 Parameter testing of tire

整車模型中共有94個物體(不包括地面)、137個約束副,整車系統(tǒng)共有24個自由度,包括底盤的6個自由度、各個懸架上下擺動的8個自由度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個方向盤轉(zhuǎn)動自由度和一個轉(zhuǎn)向系剛度自由度、傳動系統(tǒng)中7個差速器的7個自由度和一個扭矩輸入的自由度。

2 車輛操縱穩(wěn)定性仿真和試驗

特種車輛的操縱穩(wěn)定性試驗主要包括穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正、轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(方向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)和蛇形試驗等5項試驗。

2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真和試驗

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中的兩個關鍵參數(shù)是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)路徑半徑和車輛最大側(cè)向加速度,其中,穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)路徑半徑在文獻[7]中推薦為30 m或40 m,在文獻[8]中推薦15 m或20 m,回轉(zhuǎn)半徑越大,處理數(shù)據(jù)時的相對誤差就越小,我國相比國際推薦的回轉(zhuǎn)路徑小主要是受國內(nèi)試驗場地限制所致。通過穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的預仿真分析,車輛在回轉(zhuǎn)半徑分別為15 m、20 m、30 m,側(cè)向加速度分別達到2.8 m/s2、3.9 m/s2、5.2 m/s2時,發(fā)生后輪側(cè)滑不穩(wěn)定現(xiàn)象。結(jié)合給定試驗區(qū)域的場地情況,將車輛的回轉(zhuǎn)路徑確定為30 m.受車輛具體結(jié)構(gòu)的影響,經(jīng)過仿真分析,車輛在側(cè)向加速度不大于5 m/s2的范圍內(nèi),車輛處于穩(wěn)定狀態(tài),因此將車輛的最大側(cè)向加速度確定為5 m/s2.

以此方法為指導的車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真軌跡見圖4,仿真和試驗數(shù)據(jù)曲線見圖5～圖7.

圖4 車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真的運動軌跡Fig.4 Moving trace of vehiclein steady static circular simulation

圖5 車輛轉(zhuǎn)向半徑比特性曲線Fig.5 Curves of vehicle steering radius radio

2.2 轉(zhuǎn)向回正試驗仿真和試驗

轉(zhuǎn)向回正試驗的兩個關鍵參數(shù)是轉(zhuǎn)向路徑半徑和最大側(cè)向加速度,參照文獻[9],車輛在轉(zhuǎn)向路徑上需加速至側(cè)向加速度達到4±0.2 m/s2時,測量車輛的響應特性。因此,車輛的側(cè)向加速度達到4 m/s2是這項試驗的關鍵,根據(jù)2.1節(jié),為了保證車輛可以安全圓周行駛至側(cè)向加速度4 m/s2,將圓周半徑確定為25 m.

圖6 前后軸側(cè)偏角差值特性曲線Fig.6 Difference between vehicle sideslip angles

圖7 車身側(cè)傾角特性曲線Fig.7 Curves of vehicle body roll angle

以此方法完成的轉(zhuǎn)向回正試驗仿真軌跡見圖8,仿真和試驗數(shù)據(jù)曲線,見圖9.

圖8 車輛轉(zhuǎn)向回正試驗仿真的運動軌跡Fig.8 Moving trace of vehicle in steering returnability simulation

2.3 轉(zhuǎn)向輕便性試驗仿真和試驗

轉(zhuǎn)向輕便性試驗的兩個關鍵參數(shù)是車輛的穩(wěn)定速度和雙紐線的最小曲率半徑。參照文獻[10],要求車輛以10 km/h速度在最小曲率半徑為汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑1.1倍的雙紐線上行駛一周,通過轉(zhuǎn)向盤作用力矩進行轉(zhuǎn)向輕便性的評價。根據(jù)文獻[11],汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑一般是汽車軸距的2～2.5倍。本車最小轉(zhuǎn)彎半徑是其軸距的2.06倍,在此設計范圍之內(nèi),因此,其雙紐線的最小曲率半徑確定為最小轉(zhuǎn)彎半徑1.1倍,即9.5 m;經(jīng)過仿真計算,車輛以10 km/h速度可以安全地在雙紐線上行駛一周,即行駛車速也可以按文獻[11]執(zhí)行。

圖9 車輛橫擺角速度響應時間歷程曲線Fig.9 Curves of vehicle yaw velocity-response time

以此方法完成的轉(zhuǎn)向輕便性試驗仿真軌跡見圖10,仿真和試驗數(shù)據(jù)曲線見圖11.

圖10 車輛轉(zhuǎn)向輕便性試驗仿真的運動軌跡Fig.10 Moving trace of vehicle in steering efforts simulation

圖11 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向作用力矩時間歷程曲線Fig.11 Curves of vehicle steering moment-time

2.4 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(方向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)試驗仿真和試驗

轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)試驗的重要參數(shù)是試驗車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動起躍時間、側(cè)向加速度。參照文獻[12],規(guī)定汽車按最高車速70%的試驗車速直線行駛,以不大于0.2 s起躍時間轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至預選位置并固定,使車輛的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度達到1～3 m/s2.根據(jù)車輛性能參數(shù),確定試驗車速為110 km/h,根據(jù)預仿真計算,轉(zhuǎn)向盤在0.2 s內(nèi)轉(zhuǎn)至57°時,車輛的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度達到2 m/s2.

以此方法完成的轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)試驗仿真軌跡見圖12,仿真和試驗數(shù)據(jù)曲線見圖13.

圖12 車輛轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應試驗仿真的運動軌跡Fig.12 Moving trace of vehicle in steering transient response simulation

圖13 車輛橫擺角速度響應時間歷程曲線Fig.13 Curve of vehicle yaw velocity-response time

2.5 蛇形試驗仿真和試驗

蛇形試驗的重要參數(shù)是標樁間距和基準車速。參照文獻[13],規(guī)定汽車以基準車速(50 km/h或60 km/h)進入標樁區(qū)(標樁間距50 m),然后蛇行通過6個標樁,記錄各測量變量的時間歷程曲線及通過有效標樁區(qū)的時間。根據(jù)車輛的性能參數(shù),確定基準車速為60 km/h.

以此方法完成的蛇形試驗仿真軌跡見圖14,仿真和試驗數(shù)據(jù)曲線見圖15和圖16.

3 車輛操縱穩(wěn)定性計分評價

圖14 車輛蛇形試驗仿真的運動軌跡Fig.14 Moving trace of vehicle in pylon course slalom simulation

圖15 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角時間歷程曲線Fig.15 Curves of steering wheel angle-time

圖16 車輛橫擺角速度響應時間歷程曲線Fig.16 Curves of vehicle yaw velocity-response time

作為新研的特種車型,在沒有借鑒經(jīng)驗的情況下,其操縱穩(wěn)定性試驗具有一定的風險性,因此,按照第2節(jié)確定的基本試驗方法,首先進行操縱穩(wěn)定性仿真,驗證試驗方法的可行性和獲得初步的車輛性能數(shù)據(jù),然后指導完成車輛操縱穩(wěn)定性的實車測試。按照文獻[14],對仿真結(jié)果和實車測試結(jié)果進行計分評價,見表2.通過表2可以看出,仿真實驗與實車測試計分結(jié)果基本一致,表明此方法的置信度滿足實際使用要求。

4 結(jié)論

1)本文建立了基于拉格朗日方程的動力學分析整車模型,針對操縱穩(wěn)定性每項試驗的特點和關鍵參數(shù),通過模型參數(shù)設置、多種工況仿真、每項試驗計分評價等全流程工作,分析和確立了多軸特種車輛操縱穩(wěn)定性的試驗方法。

2)經(jīng)過實車驗證試驗,多軸特種車輛的操縱穩(wěn)定性仿真實驗與實車測試計分結(jié)果基本一致,表明此方法的置信度滿足實際使用要求,可用于指導實車操縱穩(wěn)定性試驗和計分評定。

表2 操縱穩(wěn)定性指標評價(仿真結(jié)果和實車試驗結(jié)果)Tab.2 Evaluation of vehicle handling and stability (simulation and test results)

3)多軸特種車輛的操縱穩(wěn)定性試驗流程在參照文獻[8-10,12-13]國家標準的基礎上,需要調(diào)整試驗設置參數(shù),以滿足試驗和計分評定要求,本文從虛擬仿真實驗的角度驗證了提出的試驗參數(shù)設置方法的可行性。

References)

[1] 杜志岐.輪式裝甲車總體設計的概念、思路與特點[J].兵工學報,1999,20(11):351-356.

DU Zhi-qi.Wheeled armored vehicle and some of its design aspects[J].Acta Armamentarii,1999,20(11):351-356.(in Chinese)

[2] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

YU Zhi-sheng.Theory of automobile[M].Beijing:China Machine Press,2011.(in Chinese)

[3] 佐野彭一.操縱穩(wěn)定性的評價[J].自動車技術(shù),1980,34(3): 211-219.

ZUO-YE Peng-yi.Evaluation of vehicle handling[J].Journal of Society of Automotive Engineers of Japan,1980,34(3):211-219.(in Japanese)

[4] 李軍,邢俊文,覃文浩,等.ADAMS實例教程[M].北京:北京理工大學出版社,2002.

LI Jun,XING Jun-wen,QIN Wen-hao,et al.ADAMS living example course[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press, 2002.(in Chinese)

[5] 孟紅,項昌樂,孫旭光,等.輪式裝甲車輛不同差速器方案操縱穩(wěn)定性仿真研究[J].兵工學報,2009,30(3):262-267.

MENG Hong,XIANG Chang-le,SUN Xu-guang,et al.Simulation research on wheeled armored vehicle operating stability in differentialmechanism schemes[J].Acta Armamentarii,2009, 30(3):262-267.(in Chinese)

[6] 郭孔輝,潘峰,馬鳳軍.預瞄優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡駕駛員模型[J].機械工程學報,2003,39(1):26-29.

GUO Kong-hui,PAN Feng,MA Feng-jun.Preview optimized artificial neural network driver model[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2003,39(1):26-29.(in Chinese)

[7] ISO 4138—2012乘用車·穩(wěn)態(tài)環(huán)行駕駛·開環(huán)試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2012.

ISO 4138—2012 Passenger cars·steady-state circular driving behaviour·open-loop test methods[S].Beijing:China Standards Press,2012.(in Chinese)

[8] GB/T 6323.6—1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗[S].北京:中國標準出版社,1994.

GB/T 6323.6—1994.Controllability and stability test procedure for automobiles—steady static circular test procedure[S].Beijing:China Standards Press,1994.(in Chinese)

[9] GB/T 6323.4—1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法轉(zhuǎn)向回正性能試驗[S].北京:中國標準出版社,1994.

GB/T 6323.4—1994 Controllability and stability test procedure for automobiles—returnability test[S].Beijing:China Standards Press,1994.(in Chinese)

[10] GB/T 6323.5—1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法轉(zhuǎn)向輕便性試驗[S].北京:中國標準出版社,1994.

GB/T 6323.5—1994 Controllability and stability test procedure for automobiles—steering efforts test procedure[S].Beijing:China Standards Press,1994.(in Chinese)

[11] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2006.

LIU Wei-xin.Automobile design[M].Beijing:Tsinghua University Press,2006.(in Chinese)

[12] GB/T 6323.3—1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應試驗(轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入)[S].北京:中國標準出版社, 1994.

GB/T 6323.3—1994 Controllability and stability test procedure for automobiles—steering transient response test(steering wheel angle pulse input)[S].Beijing:China Standards Press,1994. (in Chinese)

[13] GB/T 6323.1—1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法蛇形試驗[S].北京:中國標準出版社,1994.

GB/T 6323.1—1994 Controllability and stability test procedure for automobiles—pylon course slalom test[S].Beijing:China Standards Press,1994.(in Chinese)

[14] QC/T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法[S].北京:中國標準出版社,1999.

QC/T 480—1999 Criterion thresholds and evaluation of controllability and stability for autobiles[S].Beijing:China Standards Press,1999.(in Chinese)

Research on Test Methods for Special Vehicle Handling and Stability Based on Dynamics Simulation

LI Jun1,2,YUAN Shi-hua1,JU Dong-mei1,2,LI Rui-ying2
(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China; 2.China Research and Development Academy of Machinery Equipment,Beijing 100089,China)

In order to study and lay down the test methods of special vehicle handling performance and stability,the test method of special vehicle handling and stability is set up by considering the characteristics of special vehicle on the basis of the test methods in GB and ISO.The key parameters of vehicle handling and stability test are determined and analyzed through special vehicle dynamics modeling,handling and stability simulation,data processing and score evaluation.Based on this method,the test of sample vehicle is completed.The test results show that the test method is feasible,and meets the test and scoring evaluation requirements of special vehicle handling and stability.

ordnance science and technology;special vehicle;handling and stability;dynamics simulation;test method

U462.3;U467.1

:A

1000-1093(2014)02-0262-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.02.019

2013-09-25

李軍(1969—),男,研究員。E-mail:lijun_cn@sina.com