李 健，張亞岐

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056 ）

0 引 言

車輛操穩(wěn)性作為汽車最重要的性能之一，是行車安全的必要保障，且其性能優(yōu)劣直接影響到駕駛員對(duì)當(dāng)前車況的判斷以及車輛對(duì)駕駛員指令的執(zhí)行力。汽車操穩(wěn)性包括操縱性和穩(wěn)定性，影響操穩(wěn)性的因素主要包括懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)以及輪胎特性。這些因素在車輛行駛過(guò)程中相互交錯(cuò)互相影響，綜合作用于車輛，且各因子間的匹配特性直接影響到各個(gè)系統(tǒng)的有效協(xié)同工作。通過(guò)分析，確定出影響操穩(wěn)性的關(guān)鍵性因子，準(zhǔn)確掌握這些因子間的協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)性，能夠?yàn)檐囕v操穩(wěn)性能的提升提供理論依據(jù)。為全面客觀表現(xiàn)車輛的操穩(wěn)特性，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廣泛深入的研究。Guo Xingdong在對(duì)車輛操控特性進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，確定出影響車輛瞬時(shí)車速、橫向力、重心位置、輪胎側(cè)偏特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比以及繞 Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的因素，將車輛與駕駛員作為有機(jī)整體進(jìn)行分析[1]。Wu Jiangyong針對(duì)四輪轉(zhuǎn)向提出結(jié)合匹配控制器的穩(wěn)健車輛模型，此種控制器在改善車輛操穩(wěn)性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)[2]。楊榮山等人考慮到車輛的運(yùn)動(dòng)特性，建立多體動(dòng)力學(xué)模型，將車輛操穩(wěn)性與平順性進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化仿真，對(duì)懸架彈簧、減振器以及橫向穩(wěn)定桿建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，通過(guò)目標(biāo)優(yōu)化工具對(duì)平順性和操穩(wěn)性的協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解分析[3]。上述研究偏重操穩(wěn)性影響因素之間的協(xié)調(diào)性，未充分考慮路面影響，而道路試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)均含有路面影響因子，分離出路面激勵(lì)的影響，能夠?yàn)闇?zhǔn)確確定出整車各個(gè)機(jī)構(gòu)間的協(xié)同作用提供理論依據(jù)。路況較差的路面對(duì)操穩(wěn)性的影響不容忽視。為此，依據(jù)常見路面激勵(lì)建立相應(yīng)的不平度函數(shù)，在Carsim[4-5]中構(gòu)建路譜對(duì)車輛操穩(wěn)性影響的仿真控制模型，為保證前后輪對(duì)同一激勵(lì)具有同等遍歷特性，依據(jù)車速變化設(shè)定時(shí)間延遲，最終在Simulink中對(duì)典型路面激勵(lì)進(jìn)行仿真，分析不同路面激勵(lì)對(duì)車輪的橫向力、車身橫擺角速度以及前后車輪側(cè)偏角差值的影響。

1 路面脈沖激勵(lì)對(duì)操穩(wěn)性影響

車輪的相對(duì)動(dòng)載直接影響到車輪垂直載荷的變化，由此可見，車輛受路面激勵(lì)作用時(shí)，其各個(gè)車輪的垂直載荷是動(dòng)態(tài)變化的，將Carsim中路面輸入設(shè)為I/O通道，并將4個(gè)車輪處路面高程相對(duì)于參考基準(zhǔn)面的垂直位移作為輸入，利用脈沖信號(hào)模擬道路凸起，為保證仿真過(guò)程更為逼近真實(shí)情況，依據(jù)設(shè)置的車速，換算出各個(gè)車輪通過(guò)凸起的時(shí)間，并設(shè)置時(shí)間延遲，確保前后車輪依次通過(guò)凸起，最后，將 Carsim中車輛模型導(dǎo)入Simulink[6-8]，在Simulink中對(duì)路面脈沖激勵(lì)響應(yīng)進(jìn)行仿真，仿真模型如圖1所示。

橫擺角速度對(duì)轉(zhuǎn)向盤的響應(yīng)是表征車輛操穩(wěn)性的指標(biāo)，分析不同路面激勵(lì)下橫擺角速度變化，能夠?yàn)檐囕v穩(wěn)態(tài)控制模型提供數(shù)據(jù)支持。圖 2是橫擺角速度仿真結(jié)果的變化曲線。

圖2中脈沖信號(hào)1的幅值為8mm，帶寬為0.1 s，脈沖信號(hào)2的幅值為16 mm，帶寬為0.1 s，車速是60km/h，車輛前后輪依次受到脈沖信號(hào)的激勵(lì)，仿真時(shí)間為13 s，1 s后兩脈沖信號(hào)對(duì)橫擺角速度的影響均為零。從圖 2可以看出，路面激勵(lì)對(duì)車輛的橫擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定影響，隨脈沖激勵(lì)幅值的增大，橫擺角速度波動(dòng)峰值也相應(yīng)增大，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間更長(zhǎng)。圖 2中曲線可以近似為線性 2自由度車輛模型的橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)曲線，經(jīng)計(jì)算，圖2中曲線相當(dāng)于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生±5°變化，而車輛變道過(guò)程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化不大于 8°，若車輛在變道過(guò)程中受到路面脈沖激勵(lì)過(guò)大，會(huì)使車輛出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的變道，所以，在特定駕駛行為下，路面激勵(lì)對(duì)操穩(wěn)性的影響變得尤為重要。

車輪所受橫向力的波動(dòng)變化，直接決定了車輪抵抗橫向干擾能力的大小，若橫向力波動(dòng)較大，會(huì)使車輪在某個(gè)瞬間保持恒定行駛的能力大大降低，從而使車輛的動(dòng)態(tài)操穩(wěn)性降低，分析橫向力對(duì)路面激勵(lì)的響應(yīng)，可以為駕駛員精確操控車輛提供參考。圖3是左前輪L1在路面脈沖激勵(lì)下橫向力的變化。

圖3表明在0～0.4 s之間車輪受到很大橫向力作用，且車輪的垂直載荷與橫向力變化不同步，致使車輛在該時(shí)間段內(nèi)抵抗橫向干擾能力大大下降，此過(guò)程駕駛員駕駛行為的隨意性會(huì)直接導(dǎo)致車輛出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)。橫向力峰值隨激勵(lì)脈沖信號(hào)幅值增加而增大，橫向力達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間小于橫擺角速度主要是由于前輪定位參數(shù)和前輪的擺振對(duì)橫向力波動(dòng)具有一定的削減作用。

2 隨機(jī)路面激勵(lì)對(duì)操穩(wěn)性影響

路面高程是平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，路面高程的數(shù)學(xué)期望為零，因此，分析隨機(jī)路面對(duì)車輛操穩(wěn)性的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同樣在Simulink中建立隨機(jī)路面高程激勵(lì)下車輛運(yùn)動(dòng)模型，由于左右兩側(cè)車輪相距較近，可認(rèn)為左右輪行駛過(guò)的路面高程相等，而路面高程對(duì)于前后車輪具有同等遍歷性，為此，對(duì)在Simulink中產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行延遲，延遲時(shí)間與車速有關(guān)，設(shè)軸距為L(zhǎng)，車速為u，則延遲時(shí)間近似為L(zhǎng)/u。設(shè)定道路高程滿足寬帶白噪聲，能量信號(hào)是有限可積的，可用信號(hào)能量來(lái)描述，而路面隨機(jī)信號(hào)的能量是無(wú)限的，所以，不能用能量來(lái)描述，故用其功率來(lái)描述。在Simulink中是利用信號(hào)功率和采樣頻率來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行控制，信號(hào)功率就是幅度平方積分對(duì)可積時(shí)間的平均，此處對(duì)不同功率噪聲下車輛操穩(wěn)性參數(shù)（前向側(cè)偏角之差）進(jìn)行分析，圖4是不同隨機(jī)路面下前后車輪側(cè)偏角差值的變化情況。

圖4中隨機(jī)路面1的功率為10-9W，隨機(jī)路面2功率為10-7W，采樣頻率為10 Hz，圖4直觀體現(xiàn)出隨機(jī)信號(hào)功率對(duì)車輛操穩(wěn)性參數(shù)的影響，較大功率信號(hào)使前后輪側(cè)偏角差值的波動(dòng)性更大，側(cè)偏角差值大部分大于 0，表明該車是不足轉(zhuǎn)向，在0～1 s內(nèi)，側(cè)偏角差值為負(fù)值，此時(shí)車輛表現(xiàn)出過(guò)多轉(zhuǎn)向，若車輛長(zhǎng)時(shí)間行駛在顛簸路面上，其轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性會(huì)大大下降，所以，路面的不平度對(duì)特定工況下車輛操穩(wěn)性有及其重要影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

車輛操穩(wěn)性作為車輛最重要的性能之一，對(duì)行車安全產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)有的主觀和客觀的車輛操穩(wěn)性評(píng)價(jià)均未考慮路面激勵(lì)影響，為此，分析不同路面激勵(lì)對(duì)車輛操穩(wěn)性的影響。在Carsim中構(gòu)建車輛模型，通過(guò)設(shè)定路面輸入，在Simulink中加載路面激勵(lì)信號(hào)，為保證前后輪能夠同等遍歷路面高程，依據(jù)車速設(shè)定時(shí)間延遲，并在Simulink中對(duì)典型路面激勵(lì)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)脈沖輸入路面和隨機(jī)輸入下車輛橫擺角速度、橫向力以及前后輪側(cè)偏角差值進(jìn)行分析，確定不同信號(hào)幅值和信號(hào)功率對(duì)車輛操穩(wěn)性的影響。結(jié)果表明：脈沖輸入幅值和帶寬越大，橫擺角速度和橫向力的衰減速度越慢，振動(dòng)峰值越高；隨機(jī)信號(hào)功率越大，前后輪側(cè)偏角差值的波動(dòng)性越大。路面激勵(lì)對(duì)特定駕駛行為具有重要影響。

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