楊祥利井廣紅沈磊尹春華宣晨陽

（1.南京依維柯汽車有限公司；2.南京汽車集團(tuán)有限公司南汽研究院）

某高端載貨汽車的操縱穩(wěn)定性能仿真分析與調(diào)校

楊祥利1井廣紅1沈磊2尹春華1宣晨陽1

（1.南京依維柯汽車有限公司；2.南京汽車集團(tuán)有限公司南汽研究院）

針對(duì)某新開發(fā)的載貨汽車試制樣車操縱穩(wěn)定性能指標(biāo)低于設(shè)計(jì)目標(biāo)問題，應(yīng)用ADAMS軟件建立了其動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其操縱穩(wěn)定性能進(jìn)行仿真分析。結(jié)合主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，建立了參數(shù)化板簧模型，利用相關(guān)性分析技術(shù)對(duì)板簧弧高等參數(shù)進(jìn)行調(diào)校。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)校后該車操縱穩(wěn)定性能指標(biāo)有較大提升，達(dá)到了高端載貨汽車的設(shè)計(jì)要求。

1 前言

為適應(yīng)城際物流對(duì)高端品牌載貨汽車的要求，遵照Benchmark理念參考對(duì)標(biāo)車型開發(fā)了中體、寬體6t載貨汽車。其中最重要的一項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)就是提升操縱穩(wěn)定性，不僅要使其滿足試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法QCT480-1999[1]要求，同時(shí)還要滿足駕駛員的主觀感受要求。

傳統(tǒng)新車型設(shè)計(jì)方法是先完成新車型的開發(fā)與設(shè)計(jì),搭建試驗(yàn)樣車,然后對(duì)樣車按照GB/T 6323-2014[2]進(jìn)行道路試驗(yàn),將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，并進(jìn)行性能計(jì)分評(píng)價(jià)。一旦性能不能滿足要求，需要設(shè)計(jì)工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，重新搭建樣車并組織試驗(yàn)。這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無法滿足現(xiàn)代汽車產(chǎn)品開發(fā)需求。底盤調(diào)校工作基于對(duì)車輛性能的主觀評(píng)價(jià)，包括前期競(jìng)品車性能分析、目標(biāo)設(shè)定以及后期實(shí)車調(diào)試工作[3]等。作為一種先進(jìn)的開發(fā)手段，該工作已經(jīng)在乘用車生產(chǎn)企業(yè)普遍應(yīng)用。本文運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)某載貨汽車進(jìn)行了仿真分析，對(duì)其操縱穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)分初評(píng)。分析和樣車試驗(yàn)均表明，該車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能明顯低于對(duì)標(biāo)車型。由于車輛懸架硬點(diǎn)和各系統(tǒng)布置已經(jīng)確定，不便修改，因此，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，利用相關(guān)性分析技術(shù)對(duì)其板簧懸架參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，最終達(dá)到提升操縱穩(wěn)定性的目的。

2 整車操縱穩(wěn)定性初步仿真分析

對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性影響較大的3個(gè)主要因素是整車質(zhì)心位置、輪胎側(cè)偏特性和懸架剛度及其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)要求，整車質(zhì)量和質(zhì)心參數(shù)不可修改。另外，該車仿真數(shù)學(xué)模型采用Pacejka魔術(shù)公式，輪胎參數(shù)從臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量并通過參數(shù)識(shí)別方法獲取，費(fèi)用很高，也不能更改。相對(duì)而言，鋼板彈簧懸架系統(tǒng)為自主開發(fā)，其修改和樣件試制比較容易實(shí)施，因此本文重點(diǎn)討論鋼板彈簧懸架的建模及分析。

2.1 前后懸架建模

前后懸架彈性元件均由多片板簧組成。前懸架彈性元件為單副板簧，后懸架設(shè)計(jì)為主副簧結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同裝載質(zhì)量要求。

設(shè)計(jì)之初已經(jīng)考慮了板簧導(dǎo)向作用對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，將前板簧設(shè)計(jì)成平直姿態(tài)，如圖1所示。將后板簧設(shè)計(jì)成前低后高的姿態(tài)，如圖2所示。

與前后板簧都是平直布置相比，后板簧前低后高布置時(shí)，轉(zhuǎn)向時(shí)由于車身側(cè)傾，左、右后輪中心將沿著圖3a所示虛線圓弧分別做上、下運(yùn)動(dòng)，而前、后軸側(cè)偏角之差會(huì)增加一個(gè)水平面內(nèi)的軸轉(zhuǎn)角θr，如圖3b所示，這樣就保證了車輛有良好的不足轉(zhuǎn)向特性[4]。

由于ADAMS軟件建模功能限制，所建板簧為矩形截面，與真實(shí)板簧截面有微小倒角差異，板簧剛度計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果大10%。而板簧剛度計(jì)算時(shí)，也需要考慮修正系數(shù)η（η=90%）[5]，因此，根據(jù)板簧剛度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所建板簧模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行了調(diào)整，將截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量乘以修正系數(shù)η，保證了板簧剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值一致。

2.2 整車模型操縱穩(wěn)定性仿真與樣車試驗(yàn)

獲取整車硬點(diǎn)坐標(biāo)和各子系統(tǒng)參數(shù)，建立各子系統(tǒng)模型，并和懸架系統(tǒng)裝配成整車動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。該模型是根據(jù)汽車工程手冊(cè)[6]估算了整車質(zhì)心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后所建立的整車模型。

根據(jù)GB/T 6323-2014描述的試驗(yàn)方法，編制了適用于各工況的驅(qū)動(dòng)文件，對(duì)該車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)角脈沖、轉(zhuǎn)角階躍、轉(zhuǎn)向回正和轉(zhuǎn)向輕便性等性能仿真計(jì)算。

同時(shí)，在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)樣車和競(jìng)品車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了5輪試驗(yàn)并進(jìn)行打分比較。打分結(jié)果表明，樣車少部分指標(biāo)略超過了競(jìng)品車型，其他大部分重要指標(biāo)均低于競(jìng)品車型。表1為操縱穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)的平均分值對(duì)比，受篇幅限制，只列出部分指標(biāo)。

表1 操縱穩(wěn)定性指標(biāo)試驗(yàn)平均分值對(duì)比

表1中圈注的數(shù)據(jù)表示該指標(biāo)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與競(jìng)品車型相差較大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

樣車的評(píng)分結(jié)果和仿真計(jì)算趨勢(shì)一致，絕大部分評(píng)分也相差不大，其主要原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、各類襯套特性都做了臺(tái)架試驗(yàn)，仿真模型較精確反映了物理樣機(jī)的操縱穩(wěn)定性。

3 操縱穩(wěn)定性相關(guān)性分析

仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)有樣車的操縱穩(wěn)定性低于競(jìng)品車?？紤]成本和上市周期限制，對(duì)懸架系統(tǒng)板簧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析和調(diào)校，以達(dá)到超越競(jìng)品車的指標(biāo)要求。為最快找出優(yōu)化方案，分析板簧各主要參數(shù)對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響程度，應(yīng)用相關(guān)性分析技術(shù)對(duì)操縱穩(wěn)定性進(jìn)行耦合分析。

3.1 板簧參數(shù)化模型

板簧建模是整車模型中的難點(diǎn)，合理簡(jiǎn)化是正確建模的關(guān)鍵。ADAMS軟件中的LeafSpring工具基于Beam梁理論，建立的板簧模型由若干小段梁?jiǎn)卧唇佣?，精度很高，但自由度多，不便用于?yōu)化計(jì)算。為進(jìn)行優(yōu)化分析，可以將板簧簡(jiǎn)化為3-link模型[7～9]。

板簧建模需要同時(shí)考慮三向剛度和導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)軌跡，用文獻(xiàn)[10～13]中介紹的方法，SAE 3-link板簧簡(jiǎn)化模型如圖5所示。圖中，L為鋼板彈簧主片弧長(zhǎng)，m為U形螺栓前部無效長(zhǎng)度，n為U形螺栓后部無效長(zhǎng)度，a為鋼板彈簧前半部分弧長(zhǎng)，b為鋼板彈簧后半部分弧長(zhǎng)，c為吊耳長(zhǎng)度。

模型將板簧總成簡(jiǎn)化為3個(gè)通過旋轉(zhuǎn)鉸或彈性襯套相連的連桿，旋轉(zhuǎn)鉸中加入力元描述板簧的承載特性。模型中的幾何參數(shù)由以下公式確定:

根據(jù)試驗(yàn)得到的板簧名義剛度特性，通過迭代方法調(diào)整彈簧阻尼器的參數(shù)獲取襯套剛度和阻尼參數(shù)[10]，最終建立的后懸架板簧模型如圖6所示。

3.2 相關(guān)性分析

文獻(xiàn)[15]創(chuàng)建了設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)值的平行坐標(biāo)圖，可通過改變變量和目標(biāo)值范圍來縮小滿足條件解的范圍。用相關(guān)性矩陣圖給出了各設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)值之間線性相關(guān)系數(shù)，分析了各設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)值的影響程度。

根據(jù)上述思路，選取設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)參數(shù)列于表2，應(yīng)用相關(guān)性分析方法，運(yùn)用Mode Frontier軟件與Adams/ Car聯(lián)合仿真手段，對(duì)該車進(jìn)行迭代仿真。

表2 設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)參數(shù)

根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)和相關(guān)性分析理論，對(duì)輸入變量和輸出變量進(jìn)行了相關(guān)性分析，圖7輸出了所有變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣。圖7中，相關(guān)系數(shù)矩陣右上三角每個(gè)元素中每個(gè)小點(diǎn)表示每次迭代過程中各隨機(jī)變量的值，對(duì)角線表示該隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)，左下三角為兩個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:

式中，μX與μY分別為隨機(jī)變量X、Y的均值；σX與σY分別為X、Y的方差；E[X]表示變量X的數(shù)學(xué)期望。

相關(guān)系數(shù)取值范圍是[-1,+1]，-1表示負(fù)相關(guān)，+1表示正相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的值越大，表示其對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響越明顯。

從圖7的相關(guān)系數(shù)矩陣可以看出，后簧弧高、前簧預(yù)載、前簧吊耳長(zhǎng)度、后簧剛度、副簧剛度和后簧吊耳位置對(duì)操縱穩(wěn)定性指標(biāo)有較大影響。而后簧吊耳長(zhǎng)度和前簧剛度則對(duì)操縱穩(wěn)定性指標(biāo)幾乎無影響。

3.3 優(yōu)化方案的選取

根據(jù)板簧參數(shù)和性能指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，選擇對(duì)操縱穩(wěn)定性影響較大的板簧參數(shù)進(jìn)行DOE分析，從中選出最優(yōu)參數(shù)作為該車調(diào)校方案的基準(zhǔn)，優(yōu)化前、后各參數(shù)如表3所列。

表3 設(shè)計(jì)變量初始值與優(yōu)化值

4 調(diào)校方案的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，確定分析方案的可行性，在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)車輛要求，試驗(yàn)前對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行了預(yù)熱，同時(shí)以一定的側(cè)向加速度行駛一段時(shí)間以對(duì)輪胎進(jìn)行預(yù)熱。

主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)由國外評(píng)車專家根據(jù)自己的駕乘經(jīng)驗(yàn)對(duì)車輛進(jìn)行操控完成，對(duì)每項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行計(jì)分。最終的調(diào)校結(jié)果與競(jìng)品車評(píng)分對(duì)比如圖8所示。

調(diào)校后，側(cè)向加速度、車身側(cè)傾角、響應(yīng)線性化、轉(zhuǎn)彎響應(yīng)指標(biāo)均優(yōu)于競(jìng)品車型，不足轉(zhuǎn)向、側(cè)傾/俯仰控制指標(biāo)已達(dá)到競(jìng)品車型水平，不平路面直線保持指標(biāo)略低于競(jìng)品車型水平，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)向兩項(xiàng)綜合指標(biāo)達(dá)到不低于競(jìng)品車型的要求。

5 結(jié)束語

本文建立的整車動(dòng)力學(xué)模型是車輛操縱穩(wěn)定性提升的基礎(chǔ)，板簧參數(shù)化建模是調(diào)校的關(guān)鍵。通過試驗(yàn)驗(yàn)證、相關(guān)性分析和主觀評(píng)價(jià)對(duì)板簧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，顯著提升了車輛的操縱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)合仿真和主客觀試驗(yàn)測(cè)評(píng)相結(jié)合的方法，可以為底盤調(diào)校工作提供重要的技術(shù)支持。

1 QCT480-1999.汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法.

2 GB/T6323-2014.汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法.

3 孫福祿，朱建勝，趙壁凌等.某車型底盤調(diào)校樣件規(guī)格設(shè)定淺析.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，（10）：12～14,22.

4 余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

5 王霄峰.汽車底盤設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2010.

6 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)（試驗(yàn)篇）.北京：人民交通出版社，2001.

7 Michael Blundell，Damian Harty.Multibody Systems Ap?proach to Vehicle Dynamics.New York，USA，2004.

8 SAE Hs-788 Spring Design Manual，Pan I：Design and Ap?plication of Leaf 8prings.Warrendale，Pennsylvania：society of Automotive Engineers Inc，1982

9 Adams2010 truck help.

10 齊海政.高品質(zhì)商用車動(dòng)力學(xué)建模關(guān)鍵問題研究：[學(xué)位論文]，吉林：吉林大學(xué)，2011.

11 侯宇明.商用車板簧建模及整車性能指標(biāo)分解與綜合關(guān)鍵技術(shù)研究：[學(xué)位論文]，湖北：華中科技大學(xué)，2011.

12 景立新，郭孔輝，盧蕩.鋼板彈簧三連桿模型參數(shù)辨識(shí)研究.汽車技術(shù)，2010，（12）：10～13,54.

13 李凌陽，張?jiān)魄?，覃剛?鋼板彈簧建模方法研究.汽車工程，2013，（7）：660～666.

14 姜吉光，王登峰，蘇麗俐等.車內(nèi)噪聲品質(zhì)偏好性主客觀評(píng)價(jià)及相關(guān)性分析.汽車技術(shù)，2012，（8）：6～10.

15 Zhao Zheng，Wu Shenrong，Wang Yajun.Optimization of Front Rail Based on Energy Management.The 9th Int.Fo?rum of Automotive Traffic Safety（INFATS）.Changsha，China.December 2011：（66～71）.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

Simulation Analysis and Adjustment of Handling Stability for A High-end Truck

Yang Xiangli1,Jing Guanghong1,Shen Lei2,Yin Chunhua1,Xuan Chenyang1
（1.NAVECO Automobile Co.,Ltd;2.Nanjing Engineering Research Institute,Nanjing Automobile Group Co.,Ltd）

Handling stability of a newly developed truck prototype is inferior to the design objective,to solve this problem,we build the dynamics model using ADAMS software and simulate its handling stability.According to the results of subjective evaluation test,we establish a parameterized leaf spring model,and use correlation analysis technology to adjust the leaf arc height and other parameters.Test result shows that,after adjustment,the handling stability of this truck is improved significantly and meets the design requirements.

Truck,Handling stability,Leaf Spring,Correlation Analysis,Adjustment

載貨汽車 操縱穩(wěn)定性 板簧 相關(guān)性分析 調(diào)校

U461.6

A

1000-3703（2015）07-0010-04