喬 潔，劉湘安，李潤喆，袁立青

Qiao Jie1，Liu Xiang’an1，Li Runzhe1，Yuan Liqing2

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.湖北省軍區(qū)數(shù)據(jù)信息室，湖北 武漢 430070）

0 引 言

FSAE-China （Formula SAE-China，中國大學(xué)生方程式汽車大賽）是一項(xiàng)由中國高校汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽，各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則及標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過1年準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)并制造出一輛小型單人座休閑車參賽[1]。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)可以準(zhǔn)確建立賽車模型，在設(shè)計(jì)初期對(duì)賽車各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，大大縮短開發(fā)周期和降低成本[2]。本文通過ADAMS/Car 建立賽車虛擬樣機(jī)模型，對(duì)賽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行3 種試驗(yàn)工況仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，為之后實(shí)車設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 搭建模型

1.1 整車模型

整車模型由各子系統(tǒng)裝配而成，得到的整車虛擬樣機(jī)如圖1所示，基本參數(shù)見表1。

表1 整車基本參數(shù)

圖1 整車模型

1.2 懸架子系統(tǒng)模型

本文前懸架采用上下不等長雙叉臂懸架。軟件ADAMS/Car 具有自動(dòng)對(duì)稱功能，建模時(shí)只需要在其中一側(cè)搭建模型，軟件根據(jù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)稱生成另一側(cè)模型。模型中各零部件的硬點(diǎn)坐標(biāo)通過軟件CATIA 模型確定，根據(jù)實(shí)車運(yùn)動(dòng)形式確定各零部件間的運(yùn)動(dòng)副，同時(shí)設(shè)置通信器便于不同子系統(tǒng)間裝配，減振器與彈簧的參數(shù)值由材料的屬性文件確定。在ADAMS/Car 標(biāo)準(zhǔn)模式下生成前、后懸架子系統(tǒng)，如圖2、3所示。

圖2 前懸架子系統(tǒng)

圖3 后懸架子系統(tǒng)

1.3 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型

賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為無助力機(jī)械式齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其硬點(diǎn)坐標(biāo)通過軟件CATIA 模型確定，轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型

1.4 輪胎子系統(tǒng)

輪胎對(duì)于賽車的操縱穩(wěn)定性有著非常重要的作用，利用TTC（FSAE Tire Test Consortium，F(xiàn)SAE輪胎測試聯(lián)盟）提供的輪胎數(shù)據(jù)建立ADAMS/Car輪胎力學(xué)模型,得到PAC2002半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型。

1.5 動(dòng)力總成及制動(dòng)子系統(tǒng)

動(dòng)力總成系統(tǒng)包括電機(jī)、差速器、離合器等部分。不考慮動(dòng)力總成系統(tǒng)激勵(lì)帶來的影響，將整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)簡化為具有不同擋位力與轉(zhuǎn)速的輸出，因此創(chuàng)建一個(gè)部件模型代替整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出以及部分傳遞與分配的功能。

制動(dòng)子系統(tǒng)采用四輪制動(dòng)。

1.6 車身系統(tǒng)

參賽車的車身系統(tǒng)包括車架與空氣動(dòng)力學(xué)套件兩部分，在ADAMS/Car 中建立一個(gè)車身模板，將模板簡化為一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)和一個(gè)風(fēng)壓中心。

2 操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)

2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)通過固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角緩慢均勻地增大車速進(jìn)行試驗(yàn)。GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》規(guī)定[3]，操縱汽車先以最低穩(wěn)定速度沿所畫圓周行駛，之后緩慢均勻地加速至汽車側(cè)向加速度為6.5 m/s2。

FSAE中八字繞環(huán)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)彎半徑只有9.125 m、賽道寬度為3 m，耐久項(xiàng)目的最小轉(zhuǎn)彎半徑只有3 m，因此，參賽車輛需要具有較大的側(cè)向加速度。本文將穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)側(cè)向加速度作為評(píng)價(jià)車輛操縱穩(wěn)定性的主要指標(biāo)之一，其評(píng)分計(jì)算式為

式中：Nw為穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)得分；a為側(cè)向加速度的峰值，取值1.75g；a60為側(cè)向加速度的下限值，取值1.0g；a100為側(cè)向加速度的上限值，取值2.04g。a60、a100根據(jù)以往FSAE比賽成績確定。

在ADAMS/Car 中選擇穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況，設(shè)置初始速度為37 km/h，目標(biāo)速度為45 km/h，仿真結(jié)果如圖5 所示，虛擬樣機(jī)的最大穩(wěn)定側(cè)向加速度絕對(duì)值為1.75g。

圖5 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)的側(cè)向加速度曲線

2.2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)又稱階躍試驗(yàn)，通過快速移動(dòng)并固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，保持車速不變進(jìn)行試驗(yàn)。GB/T 6323—2014規(guī)定[3]，按穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度值預(yù)選轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角位置，汽車先以試驗(yàn)車速直線行駛，消除轉(zhuǎn)向盤自由行程后，以最快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤達(dá)到預(yù)先選好的位置并固定數(shù)秒，試驗(yàn)過程中保持車速不變。

測試得到車速穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度為1g，此時(shí)輸入轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角為10 °，車速為100 km/h。本文將階躍試驗(yàn)中最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，其評(píng)分計(jì)算式為

式中：Nj為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)的評(píng)價(jià)得分；T60為橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的下限值，取值0.06 s；T100為橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的上限值，取值0.2 s；T為側(cè)向加速度為1g時(shí)，賽車的橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間，取值0.11 s。T60、T100取值由GB/T 6323—2014確定。

在ADAMS/Car中選擇轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真，設(shè)置初始速度為100 km/h，當(dāng)仿真進(jìn)行到2 s時(shí)開始輸入轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為10 °，階躍時(shí)間為0.1 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)角階躍仿真試驗(yàn)的橫擺角速度曲線

仿真過程中，車速的變化量小于5 km/h，不大于設(shè)定初始速度5%，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化量小于1 °，不大于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角10%，說明仿真試驗(yàn)有效，得到橫擺角速度的響應(yīng)時(shí)間為0.11 s。

2.3 蛇形仿真試驗(yàn)

參照GB/T 6323—2014 中試驗(yàn)方法[3]，F(xiàn)SAE 要求賽車在一定長度的標(biāo)桿之間進(jìn)行蛇形穿越，測試車輛的橫擺角速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等參數(shù)。在FSAE 高速避障項(xiàng)目中，設(shè)定蛇形試驗(yàn)樁桶距離為7.5 m，樁桶數(shù)量為10個(gè)，行駛車速為45 km/h，本文將蛇形試驗(yàn)中平均橫擺角速度峰值作為評(píng)價(jià)車輛操縱穩(wěn)定性的主要指標(biāo)之一，其評(píng)分計(jì)算式為

式中：Ns為蛇形試驗(yàn)的評(píng)價(jià)得分；r60為橫擺角速度峰值的下限值，取值40 (°)/s；r100為橫擺角速度峰值的上限值，取值75 (°)/s；r為橫擺角速度峰值的試驗(yàn)值，取值49.1 (°)/s。r100、r60取值由以往比賽成績確定。

在ADAMS/Car中通過駕駛員控制仿真模塊完成蛇形試驗(yàn)仿真設(shè)置，其中車速為45 km/h，仿真結(jié)果如圖7所示，得到橫擺角速度峰值為49.1 (°)/s。

圖7 蛇形試驗(yàn)的橫擺角速度曲線

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

通過賽車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真試驗(yàn)和蛇形仿真試驗(yàn)，得到賽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，由式（1）～（3）計(jì)算得出3 項(xiàng)試驗(yàn)的各自評(píng)分，之后取算術(shù)平均值得到操縱穩(wěn)定性綜合評(píng)分，具體見表2。

表2 試驗(yàn)仿真結(jié)果與評(píng)分

在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，賽車的側(cè)向加速度峰值為1.75g，值較大，評(píng)分為90 分，符合大于70 分的設(shè)計(jì)要求；在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)中，賽車的橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間為0.11 s，響應(yīng)時(shí)間快，評(píng)分為85 分，符合大于70 分的設(shè)計(jì)要求；在蛇形試驗(yàn)中，賽車的橫擺角速度峰值為49.1 (°)/s，峰值小，評(píng)分為90 分，符合大于70 分的設(shè)計(jì)要求。3 項(xiàng)試驗(yàn)綜合評(píng)分為88.43 分，說明所設(shè)計(jì)的賽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

為了縮短開發(fā)周期，創(chuàng)建 FSAE 賽車各子系統(tǒng)模型，搭建起賽車虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行操縱穩(wěn)定性仿真測試，結(jié)果表明，賽車虛擬樣機(jī)具有良好的操縱穩(wěn)定性，為實(shí)車設(shè)計(jì)提供參考。

本文僅對(duì)操縱穩(wěn)定性的3項(xiàng)基礎(chǔ)試驗(yàn)進(jìn)行測試評(píng)價(jià)，與靈活多變的比賽工況仍有較大差距，可通過更全面的仿真工況綜合評(píng)價(jià)賽車的操縱穩(wěn)定性。