張 巖

基于Adams的機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真分析

張 巖

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710061）

為研究機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的操縱穩(wěn)定性，在軟件Adams的Car模塊中，修改對(duì)應(yīng)參數(shù)，建立前、后懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前、后輪胎系統(tǒng)，車(chē)身系統(tǒng)等六個(gè)子系統(tǒng)模型，并組建成機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性分析模型，進(jìn)而根據(jù)《汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 6323—2014）對(duì)組建的整車(chē)模型進(jìn)行操穩(wěn)性仿真試驗(yàn)，并根據(jù)《汽車(chē)操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》（QC/T 480—1999）對(duì)機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到總評(píng)價(jià)計(jì)分值為71.13分，評(píng)價(jià)結(jié)果為合格，為機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

操縱穩(wěn)定性；機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)；Adams；仿真分析

當(dāng)前機(jī)場(chǎng)飛機(jī)數(shù)量多，但機(jī)位少，而建設(shè)一個(gè)機(jī)位需要的資金大，所以多數(shù)飛機(jī)停留在遠(yuǎn)機(jī)位，需要通過(guò)擺渡車(chē)運(yùn)送乘客。為了滿足駕駛員和乘客有良好的乘坐舒適性，就需要機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性。

汽車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性是安全行駛的保障，也是駕駛?cè)烁械绞孢m的前提[1]。對(duì)于機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)而言，其主要作用是運(yùn)送乘客到達(dá)指定位置[2]，操縱穩(wěn)定性不僅影響到機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)駕駛的操縱方便程度，也是決定機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)安全行駛的一個(gè)主要性能。從國(guó)內(nèi)與國(guó)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)于特種車(chē)輛，比如機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)、飛機(jī)加油車(chē)、飛機(jī)牽引車(chē)以及飛機(jī)除冰車(chē)的操穩(wěn)性研究還相對(duì)較少，車(chē)輛操縱性和穩(wěn)定性是一種十分重要的動(dòng)態(tài)性能，直接影響汽車(chē)駕駛的乘坐安全性和舒適性，以往設(shè)計(jì)方法通常依靠經(jīng)驗(yàn)及反復(fù)試驗(yàn)，不僅周期長(zhǎng)，而且投資大，效果還不理想。為了提高對(duì)機(jī)場(chǎng)特種車(chē)輛的研究，采用仿真軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的研究必不可少[3]。

機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)具備普通客車(chē)的基本功能和性能，但其屬于特種車(chē)輛，還具備普通客車(chē)不具備的特點(diǎn)，比如對(duì)機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的容量要求較大，一次能承載多名乘客及其行李；其次機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的底盤(pán)較低，目的是方便乘客拿取行李，因此，機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)對(duì)底盤(pán)的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高[4]，研究機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的操縱穩(wěn)定性具有重要意義[5]。

1 操縱穩(wěn)定性分析模型的建立

本文在建立操縱穩(wěn)定性分析模型時(shí)的簡(jiǎn)化原則：（1）將汽車(chē)當(dāng)作是6自由度的系統(tǒng)；（2）除了輪胎、彈簧和減震器等柔性體之外，其余部件都被視為非彈性元件；（3）不考慮零部件之間的摩擦；（4）用軟件自帶的發(fā)動(dòng)機(jī)模型和制動(dòng)系統(tǒng)模型，本文只需要利用它們來(lái)控制車(chē)速。

簡(jiǎn)化后，在Adams/Car2016環(huán)境下建立各大子系統(tǒng)[6]，主要包括前、后懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前、后輪胎系統(tǒng)以及車(chē)身系統(tǒng)；以前后懸架子系統(tǒng)為例，其硬點(diǎn)坐標(biāo)如圖1、圖2所示。

子系統(tǒng)建立后需要對(duì)其進(jìn)行裝備和調(diào)試。在標(biāo)準(zhǔn)界面上，新建整車(chē)裝配，選擇之前創(chuàng)建好的各個(gè)子系統(tǒng)，如圖3所示。

將建立的各大子系統(tǒng)模型進(jìn)行組裝完成后要進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試，選擇測(cè)試臺(tái)類型為_(kāi)MDI_SDI_ TESTRIG，靜態(tài)測(cè)試如圖4所示。

圖1 前懸架的硬點(diǎn)坐標(biāo)

圖2 后懸架的硬點(diǎn)坐標(biāo)

圖3 操縱穩(wěn)定性分析模型的裝配

通過(guò)后處理讀取車(chē)身質(zhì)心高度437.67 mm，應(yīng)調(diào)整為自動(dòng)更新后的數(shù)值433.84 mm，手動(dòng)調(diào)整質(zhì)心高度為430 mm，重復(fù)靜平衡后，車(chē)身質(zhì)心高度已近似433.84 mm，完成質(zhì)心調(diào)整之后繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證，校核整車(chē)基本參數(shù)，若得到的結(jié)果與整車(chē)參數(shù)不符，繼續(xù)通過(guò)上述步驟進(jìn)行調(diào)整，直至整車(chē)基本參數(shù)符合要求為止，完成之后對(duì)模型進(jìn)行保存，為下面要完成的各大操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)做好準(zhǔn)備，圖5是整車(chē)試驗(yàn)的三級(jí)菜單。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試

圖5 整車(chē)仿真試驗(yàn)的三級(jí)菜單

2 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)分析及評(píng)價(jià)

2.1 轉(zhuǎn)向盤(pán)角脈沖輸入仿真試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

轉(zhuǎn)向盤(pán)角脈沖輸入仿真試驗(yàn)按照《汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 6323—2014）進(jìn)行設(shè)置來(lái)完成仿真[7]。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)試驗(yàn)工況設(shè)置，首先確定行駛車(chē)速，行駛速度根據(jù)機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)最大速度的70%并圓整為10的整數(shù)倍，機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的最大速度為50 km/h，在Adams/Car中設(shè)置模型的速度為40 km/h。對(duì)所搭建的模型在仿真路面上按照上述速度進(jìn)行勻速行駛，并標(biāo)記轉(zhuǎn)向盤(pán)此時(shí)位置為開(kāi)始位置，記錄下轉(zhuǎn)向盤(pán)的中間位置，記錄完后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，使其獲得一個(gè)三角脈沖輸入，本次試驗(yàn)采用向左轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，以脈寬為0.3 s～0.5 s轉(zhuǎn)角迅速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)并恢復(fù)到最初位置，在這個(gè)試驗(yàn)中要使得側(cè)向加速度的最大值為0.4，整個(gè)試驗(yàn)仿真中要保持油門(mén)踏板的位置不變。在Adams/Car模塊輸入所需參數(shù)，輸入脈沖轉(zhuǎn)向的有關(guān)參數(shù)，如圖6所示，設(shè)置完成后開(kāi)始仿真，試驗(yàn)結(jié)束后點(diǎn)擊回放，按F8打開(kāi)數(shù)據(jù)分析，并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 脈沖轉(zhuǎn)向參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤(pán)角脈沖輸入工況操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)分時(shí)，參考國(guó)標(biāo)計(jì)分方法[8]，具體參數(shù)指標(biāo)如下：

諧振頻率f的計(jì)算公式可通過(guò)式（1）計(jì)算得

式中，100和60分別為其對(duì)應(yīng)的上下限值，為0.50和0.30，單位為Hz，p為幅頻特性諧振峰所對(duì)應(yīng)的頻率，Hz，值為0.35。通過(guò)計(jì)算，諧振頻率的評(píng)價(jià)計(jì)分值為71分。

諧振峰水平d的計(jì)算公式為

式中，60和100分別為其對(duì)應(yīng)的上下限值，為5.00和2.00，單位為dB；為試驗(yàn)值，為10.8 dB。

通過(guò)計(jì)算，諧振峰水平的評(píng)價(jià)計(jì)分值為73分。

相位滯后角的計(jì)算方法為

式中，100和60分別為其對(duì)應(yīng)的上下限值，取60和100，單位為°；為試驗(yàn)值，取14.8°。

通過(guò)計(jì)算，相位滯后角的評(píng)價(jià)計(jì)分值為66分。

此次試驗(yàn)總評(píng)價(jià)計(jì)分值的計(jì)算公式為

通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)向盤(pán)角脈沖輸入試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值M為70分。

2.2 轉(zhuǎn)向回正性仿真試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

道路試驗(yàn)方法為在仿真環(huán)境內(nèi)先直行20 m，隨后改變方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，使其進(jìn)行圓周行駛，半徑為15 m，在行駛過(guò)程中調(diào)整車(chē)速，直到側(cè)向加速度值為4 m/s2，隨后保持車(chē)速不變行駛一段時(shí)間后，松開(kāi)方向盤(pán)，記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡，在Adams/Car中設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)，如圖7所示，隨后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]。考慮到機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的最高車(chē)速為50 km/h，本次試驗(yàn)為低速回正，試驗(yàn)向左進(jìn)行3次，取其中一次仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)分。

圖7 參數(shù)設(shè)置

依照國(guó)標(biāo)對(duì)該仿真試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)分，具體參數(shù)指標(biāo)如下：

殘留橫擺角速度評(píng)價(jià)計(jì)分公式為

式中，Δ60為對(duì)應(yīng)的下限值，取6.0°/s；Δ100為對(duì)應(yīng)的上限值，取0°/s；Δ為試驗(yàn)值，°/s，值為3.2。

通過(guò)計(jì)算，其評(píng)價(jià)計(jì)分值為72分。

橫擺角速度總方差的評(píng)價(jià)計(jì)分公式為

通過(guò)計(jì)算，橫擺角速度總方差的評(píng)價(jià)計(jì)分值為64分。

此次試驗(yàn)總評(píng)價(jià)計(jì)分值的計(jì)算公式為

通過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值H為68分。

2.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

本文的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真方法依照《汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 6323—2014）所要求的試驗(yàn)方法完成，本次試驗(yàn)擁有固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、固定行駛軌跡半徑和準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)三種仿真方法，本文采用的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真方法為固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，將建好的操縱穩(wěn)定性分析模型以最低穩(wěn)定車(chē)速進(jìn)行圓周行駛，半徑為15 m，行駛過(guò)程中保持方向盤(pán)不動(dòng)，讓車(chē)輛加速，直到其側(cè)向加速度值為6.5 m/s2結(jié)束試驗(yàn)，在Adams中更改MINI_1中的參數(shù)，讓車(chē)輛以3 m/s2車(chē)速直線行駛10 m，沿著半徑15 m的圓周行駛，直至側(cè)向加速度為0.6 m/s2，對(duì)MINI_2進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在MINI_1的基礎(chǔ)上固定轉(zhuǎn)向盤(pán)，設(shè)置完成后打開(kāi)MINI_2，將油門(mén)控制設(shè)置為0.25 m/s2，擋位選擇3擋，結(jié)束條件為側(cè)向加速度為6.5 m/s2。設(shè)置完參數(shù)后進(jìn)行仿真[10]，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

參考國(guó)標(biāo)計(jì)分方法，具體參數(shù)指標(biāo)如下：

中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度評(píng)價(jià)計(jì)分值為

式中，a為試驗(yàn)值，為4.3 m/s2；為對(duì)應(yīng)的下限值，取3 m/s2；為對(duì)應(yīng)的上限值，取6 m/s2。

根據(jù)國(guó)標(biāo)進(jìn)行計(jì)算可得其評(píng)價(jià)計(jì)分值為76分。

不足轉(zhuǎn)向度的評(píng)價(jià)計(jì)分值按式（9）計(jì)算。

式中，60為不足轉(zhuǎn)向度的上限值，°/（m/s2），值為1.2；100為不足轉(zhuǎn)向度的下限值，°/（m/s2），值為0.5；值為6；為不足轉(zhuǎn)向度的試驗(yàn)值，°/（m/s2），為0.8。

通過(guò)計(jì)算，不足轉(zhuǎn)向度的評(píng)價(jià)計(jì)分值為84.6分。

車(chē)身側(cè)傾度的評(píng)價(jià)計(jì)分值按式（10）計(jì)算：

通過(guò)計(jì)算，車(chē)身側(cè)傾度的評(píng)價(jià)計(jì)分值為65.6分。

通過(guò)上述指標(biāo)得到對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)分值，進(jìn)而可得到穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值，通過(guò)式（11）計(jì)算。

可得，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值為75.4分。

2.4 機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性總評(píng)價(jià)計(jì)分值

總評(píng)價(jià)計(jì)分值可根據(jù)式（12）計(jì)算。

車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的好壞，可根據(jù)總評(píng)價(jià)計(jì)分值大小進(jìn)行判斷，小于60分說(shuō)明操縱穩(wěn)定性不好。通過(guò)計(jì)算，機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)的操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)為71.13分，該機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

以機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)為研究對(duì)象，利用Adams/Car模塊建立整車(chē)操縱穩(wěn)定性分析模型，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定的方法完成了轉(zhuǎn)向盤(pán)角脈沖試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)，仿真結(jié)束后利用Adams軟件中回放功能的數(shù)據(jù)處理模塊勾選所需要的數(shù)據(jù)和曲線，對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行分析處理，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)仿真試驗(yàn)進(jìn)行打分，計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)計(jì)分值為71.13分，表明操縱穩(wěn)定性良好，為機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)操縱穩(wěn)定性的研究奠定了基礎(chǔ)。

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Simulation Analysis of Handling Stability of Airport Shuttle Bus Based on Adams

ZHANG Yan

( School of Automobile, Chang’an University, Xi’an 710061, China )

In order to study the handling stability of the airport shuttle bus, in the car module of the software Adams, modify the corresponding parameters, establish six subsystem models of the front and rear suspension system, steering system, front and rear tire system, body system, etc, and form the handling stability analysis model of the airport shuttle bus, and then conduct the handling stability simulation test on the completed vehicle model according to(GB/T6323—2014). According to(GB/T480—1999), the handling stability of the airport shuttle car is evaluated, and the total evaluation score is 71.13 points, and the evaluation result is qualified, which provides a certain theoretical basis for the study of the handling stability of the airport shuttle bus.

Handling stability; Airport shuttle bus; Adams; Simulation analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.026

U461.6

A

1671-7988(2022)21-138-05

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張巖（1998—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄荞{駛技術(shù)、車(chē)輛主動(dòng)安全，E-mail:2020122012@chd.edu.cn。