李金波 余大江 劉興君

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074）

0 引言

摩托車作為高速機動車輛，一直是以操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、振動舒適性等作為研究重點[1]。使用多體動力學軟件VI-Motorcycle研究大排量摩托車的操縱穩(wěn)定性，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低研發(fā)費用，對我國摩托車的生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。

國內(nèi)外學者已對摩托車行駛時的操縱穩(wěn)定性進行了大量研究，并取得了不少成果。

Whipple[2]開創(chuàng)性地對自行車的行駛穩(wěn)定性進行了研究，為兩輪車輛的運動研究奠定了基礎(chǔ)。

Renzo等人采用多體動力學軟件ADAMS建立車輛機械模型，完成車輛的“8”字形行駛試驗和“J”形轉(zhuǎn)彎試驗[3]。

新的本田CBR1000RR[4]車型采用大活塞懸架技術(shù)，這使整個減振過程更加順暢，在緊急制動下，車手在前端感覺更穩(wěn)定。

黃澤好[5]利用多體動力學軟件建立了精確的摩托車剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模型，并且通過優(yōu)化前后懸架剛度從而提高摩托車的行駛平順特性。

徐中明等人[6]利用BikeSim建立摩托車參數(shù)化模型，聯(lián)合Isight和Matlab對前后懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼進行優(yōu)化，獲得了Pareto最優(yōu)解集。

本文通過三維數(shù)模測得某摩托車的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用VI-Motorcycle建立了摩托車多體動力學模型，并對摩托車高速行駛過程中受到脈沖干擾和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎時的操縱穩(wěn)定性進行仿真分析，通過仿真試驗數(shù)據(jù)對其高速直線行駛時的安全性能和低速轉(zhuǎn)彎時的轉(zhuǎn)向性能做出合理評價，對摩托車行駛時的動態(tài)特性研究具有一定的工程意義。

1 整車模型建立

摩托車整車模型是建模最重要的部分之一，模型數(shù)據(jù)來源于某國產(chǎn)大排量摩托車，整車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與三維模型分別如表1和圖1所示。

表1 整車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 摩托車三維模型

1.1 前懸架系統(tǒng)模型

摩托車的前懸架系統(tǒng)模型是整車模型最重要的系統(tǒng)模型之一，其結(jié)構(gòu)形式的不同會導致動力學性能的不同。本文前懸架由上下前叉組成，其部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，輸入相應的模型參數(shù)，完成如圖2所示的前懸架系統(tǒng)模型。

表2 前懸架部分參數(shù) 單位：mm

圖2 前懸架系統(tǒng)模型

1.2 后懸架系統(tǒng)模型

摩托車的后懸架系統(tǒng)模型對整車模型而言也相當重要，摩托車在行駛過程中，后懸架系統(tǒng)直接影響車輛的乘坐舒適性。本文采用搖臂式雙減震器后懸架系統(tǒng)，其部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，針對現(xiàn)有的模型參數(shù)，建立的后懸架系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 后懸架系統(tǒng)模型

表3 后懸架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真試驗

2.1 脈沖仿真分析

本文通過建立的模型對車輛進行脈沖仿真試驗，即車輛以120 km/h的初速度在道路上直線行駛，8 s時在車輛手柄施加一個最大為10 N·m的轉(zhuǎn)向力矩，其輸入信號如圖4所示，持續(xù)時間為0.1 s，20 s后仿真結(jié)束。

圖4 脈沖輸入信號

完成仿真后，可從圖5仿真過程中看出該摩托車在高速直線行駛時的受力情況。

圖5 仿真過程

圖6為該摩托車操縱穩(wěn)定性相關(guān)性能指標參數(shù)的關(guān)系曲線。圖6（a）、圖6（b）分別為橫向加速度和橫擺角速度與時間關(guān)系曲線，可看出在施加脈沖信號后，車輛橫向加速度和橫擺角速度上下急劇波動，4 s后車輛行駛趨于平穩(wěn)狀態(tài)；圖6（c）、圖6（d）為駕駛員所需的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向力矩與時間的關(guān)系曲線，可看出在施加脈沖信號后，為了控制車輛平穩(wěn)，駕駛員所需轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向力矩也呈現(xiàn)波動狀態(tài)，4 s后車輛行駛趨于平穩(wěn)行駛狀態(tài)。

圖6 高速直線仿真結(jié)果

由圖6可知，雖然車輛需要經(jīng)過4 s才能趨于平穩(wěn)行駛狀態(tài)，但由于車輛在受到10 N·m的瞬態(tài)力矩時，橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉(zhuǎn)向角以及駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩幅值較小，由此判定該車型在高速直線行駛中受到脈沖干擾時穩(wěn)定性較好。

2.2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向分析

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗已被證明是評估摩托車和其他兩輪車低頻和非瞬態(tài)操縱性能的有效和定量方法[7]。描述駕駛員控制動作的量是轉(zhuǎn)向扭矩和駕駛員側(cè)傾角，在大多數(shù)情況下，駕駛員控制主要由轉(zhuǎn)向扭矩組成，而傾斜角度和車身橫向位移可被視為輔助控制輸入。

本文通過建立的整車模型與半徑為20 m的圓形道路進行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗，在該試驗中，摩托車沿圓形道路等速行駛，如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗

扭矩傳感器記錄下駕駛員作用在摩托車方向把上的轉(zhuǎn)向扭矩、摩托車側(cè)傾角和橫向加速度。摩托車的轉(zhuǎn)向性能用側(cè)傾指數(shù)k和加速度指數(shù)ka來衡量[7]。

側(cè)傾指數(shù)k表示車輛轉(zhuǎn)向扭矩與側(cè)傾角之間的比率，即：

式中：τ為轉(zhuǎn)向扭矩；φ為車輛側(cè)傾角。

加速度指數(shù)ka表示車輛轉(zhuǎn)向扭矩與橫向加速度之比，即：

式中：v為摩托車車速；R為圓形跑道半徑；g為重力加速度。

側(cè)傾指數(shù)或側(cè)向加速度指數(shù)越小，表明車輛完成等速圓周行駛所需轉(zhuǎn)向扭矩越小，該車型轉(zhuǎn)向比較靈活，轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異[8-9]。

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的仿真試驗結(jié)果如圖8所示，車速v=30km/h，轉(zhuǎn)向扭矩τ=-0.4 N·m，側(cè)傾角φ=22°≈0.384 rad。

圖8 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗

側(cè)傾指數(shù)大?。?/p>

加速度指數(shù)大?。?/p>

仿真試驗結(jié)果表明，該車型側(cè)傾指數(shù)和加速度指數(shù)較小，在低速行駛時轉(zhuǎn)向性能較好。

3 結(jié)論

（1）本文基于摩托車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用多體動力學軟件VI-motorcycle建立整車模型，根據(jù)駕駛員和道路對摩托車操縱穩(wěn)定性的影響，建立駕駛員與道路模型。

（2）對摩托車高速直線行駛受到脈沖激勵的情況進行分析，該車輛的橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉(zhuǎn)向角以及駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩幅值較小，由此判定該車型在高速直線行駛中受到脈沖干擾時的穩(wěn)定性較好。

（3）對摩托車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的動力學模型進行分析，該車輛側(cè)傾指數(shù)k=1.042N·m/rad，側(cè)向加速度指數(shù)ka=0.11N/s2，表明在低速行駛時該車轉(zhuǎn)向靈活，轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異。