新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析

1、第41卷 第8期2009年8月哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 報JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY Vol141No18Aug.2009新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析姜立標,張冠哲,谷方德,魏 韜(哈爾濱工業(yè)大學(威海)汽車工程學院,山東威海264209,jlb620620)摘 要:為改進汽車運動性能、提高運動汽車的操縱穩(wěn)定性.通過對新型三輪跑車實際樣車的三維坐標測量,利用ADAMS/Car精確建立新型三輪跑車的整車虛擬樣機模型,對其進行了穩(wěn)態(tài)回轉特性試驗、蛇形試驗以及雙移線試驗等.仿真試驗結果表明:橫向穩(wěn)定桿對新型三輪跑車的整車操縱穩(wěn)定性影響最大,其次是

2、質心高度對車操縱穩(wěn)定性的影響.從理論上研究和分析車的操縱穩(wěn)定性,確定車加裝橫向穩(wěn)定桿以及使質心位置降低后會顯著改善該車的操縱穩(wěn)定性.關鍵詞:新型三輪跑車;操縱穩(wěn)定性;虛擬樣機;仿真分析中圖分類號:U46116文獻標識碼:A文章編號:0367-6234(2009)08-0084-05Simulationanalysisofhandlingstabilityofnewtypethree-wheelsportcarJIANGL-ibiao,ZHANGGuan-zhe,GUFang-de,WEITao(SchoolofAutomobileEngineering,HarbinInstituteofTec

3、hnology(Weihai),Weihai264209,China,jlb620620)Abstract:Toimprovetheathleticperformanceofautomobileandthehandlingstabilityofsportscar,basedonthe3Dcoordinatemeasurementonthesamplecar,thevirtualprototypemodelofanewtypethree-wheelsportcarwaspreciselybuiltinADAMS/Car,andthesteadyturningtes,tsnakingtestand

4、doublelanechangetestonitwerecarriedou.tAccordingtothesimulationresults,anti-rollbarhasthebiggestinfluenceonhan-dlingstability,andtheheightofcenterofmasshasbiginfluencesonhandlingstabilityaswel.lResearchandanalysisonthehandlingstabilityofthiskindofcarbytheoryconfirmthatinstallinganti-rollbarandreduci

5、ngtheheightofcenterofmasscanimprovethehandlingstabilityofthecarremarkably.Keywords:newtypethree-wheelsportcar;handlingstability;virtualprototype;simulationanalysis 操縱穩(wěn)定性是汽車的重要性能之一,隨著車速的不斷提高,汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到人們的重視.而隨著社會的進步及生活水平的不斷提高,人們對高性能運動汽車的追求也日趨強烈.改進汽車運動性能、提高運動汽車的操縱穩(wěn)定性2是國際上近期主要的發(fā)展方向之一.本文所研究的新型三輪跑車在國內屬

6、于首創(chuàng),是一個全新的車型,在對其進行操縱穩(wěn)定性評價方面沒有參考依據(jù),因此本文主要通過對該新型三輪跑車的整車虛擬樣機模型進行仿真分析,從理論上研究和分析它的操縱穩(wěn)定性,不對其進行計分評價,重點研究影響操縱穩(wěn)定性的主要因素,為第二輪的收稿日期:2008-12-11.基金項目:哈爾濱工業(yè)大學(威海)研究基金資助(HIT(WH)ZB200813).作者簡介:姜立標(1965),男,1設計工作提供參考依據(jù).1 整車虛擬樣機模型的建立圖1所示為該新型三輪跑車的實際樣車.圖1 第一輛樣車 該課題所研究的新型三輪跑車采用的是前兩輪后一輪的布局,后懸架既不是傳統(tǒng)意義上的汽車懸架,而且在ADAMS/Car里也沒有

7、該懸架結構型式的模板,因此,需要設計開發(fā)后懸架模板.第8期姜立標,等:新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析#85#根據(jù)參考文獻3,4及后懸架設計參數(shù)及三維坐標測量在模板建模器下,建立的后懸架模板如圖2所示.該車轉向系統(tǒng)與普通汽車有很大區(qū)別,在此選用齒輪齒條轉向系作為所建立的轉向系模板的參考原型,根據(jù)設計參數(shù)值及優(yōu)化后的參數(shù)值在模板建模器下,通過修改齒輪齒條轉向系模板的硬點坐標完成轉向系模板的建立,如圖3所示.控制.該試驗采用固定方向盤轉角的連續(xù)加速法測定該車的穩(wěn)態(tài)轉向特性.利用編寫驅動控制文件的方法控制整車動力學模型進行穩(wěn)態(tài)轉向特性仿真試驗.先使整車虛擬樣機模型以15km/h的初速度行駛,在05s時

8、間內使方向盤轉角達到20b,并固定不動.然后使整車以012m/s的縱向加速度緩慢連續(xù)地均勻加速,直到該車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止(若沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài),則設置仿真時間為30s,即仿真在30s后結束).212 仿真結果及影響因素分析運行仿真試驗,得到整車穩(wěn)態(tài)回轉的運動軌跡如圖6所示.從圖中可以看出,隨著車速的不斷增加,汽車轉彎半徑逐漸增大,該車具有不足轉向特性,這是汽車具備良好操縱穩(wěn)定性的必要條件.(1)質心高度的影響.將質心高度分別上移100mm和下移100mm進行仿真分析,研究質心高度對穩(wěn)態(tài)轉向特性的影響,得到側向加速度的時間歷程曲線以及車身側傾角、轉彎半徑比與側向加速度的關系曲線,如圖79所示.

9、圖中,cg曲線為的是質心位置為初始值的整車模型;cg-lower為的是質心位置向下移動了100mm;cg-upper為的是質心位置向上移動了100mm.圖2 后懸架模板 圖3 轉向系模板對于車輛仿真模型來說,輪胎模型是其中最為重要的部分之一.魔術公式用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗數(shù)據(jù),基于試驗數(shù)據(jù)的輪胎模5型,正在成為工業(yè)標準.其中的Pacejka.89輪胎模型對常規(guī)輪胎具有很高的擬合精度.因此,本文選用魔術公式中的Pacejka.89輪胎模型.該車選用的前輪胎規(guī)格為215/50R17,后輪胎規(guī)格為255/45R18.為了在整車仿真時使用自動質量調節(jié)功能6,在車體模板上添加一個硬點和標記作為

10、自定義整車質心和慣量標記.在仿真時,可以通過修改該硬點坐標調節(jié)整車質心位置.整車質心位置可以通過對實車的測量得到.該新型三輪跑車的車架是整車裝配的基礎,所有的系統(tǒng)或直接或間接與之連接.為了能夠形象的表示車架的形狀,在車體建模后期建立了車架的幾何實體模型.所建立的車體模板如圖4所示.在標準模式下將所建立的各子系統(tǒng)模型與整車試驗臺組裝在一起,得到整車虛擬樣機動力學仿真模型,如圖5所示.圖6整車運動軌跡圖4 車體模板 圖5 整車模型圖7 側向加速度時間歷程曲線2 穩(wěn)態(tài)轉向特性仿真試驗211 試驗方法穩(wěn)態(tài)轉向特性是車輛系統(tǒng)是否穩(wěn)定的充分條件.過多轉向和過大的不足轉向,都會使汽車難以由圖7可以看出,質心

11、高度減小后,整車虛擬樣機模型所能達到的極限側向加速度增加,即相同條件下,質心較低的汽車比質心較高的汽車抗側傾能力強,極限工況下更加趨于穩(wěn)定.從圖8也可以看出,質心較低的情況下,車身側傾角也較#86#哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 報 第41卷小,但減小幅度不大,能夠同時滿足操縱穩(wěn)定性及乘坐舒適性的要求.由圖9可以看出,cg-lower曲線具有比較明顯的上升趨勢,使整車趨于轉向不足,轉向不足量較原車有所下降.側翻.因此,質心后移會使整車趨于不穩(wěn)定的狀態(tài),應該加以避免.(3)前懸架剛度的影響.將彈簧剛度分別增加20%和減少20%進行仿真分析.通過仿真分析結果可知,隨著前懸架剛度的增加,仿真結束時的

12、極限側向加速度相應增加,車身側傾角相應減小,且具有適度的不足轉向量,從而提高了整車的操縱穩(wěn)定性.因此,在對該新型三輪跑車進行改進設計時,可以相應增加前懸架的剛度.圖8 車身側傾角與側向加速度的關系曲線圖10 側向加速度時間歷程曲線圖9 轉彎半徑比與側向加速度的關系曲線而質心高度增加后,側向加速度減小,降低了整車的抗側傾能力,車身側傾角也逐漸增大,當側向加速度達到一定值時,整車趨于不穩(wěn)定狀態(tài).由圖79可以看出,cg-upper曲線在側向加速度達到一定值時有明顯的突變,表明該車正在趨于不穩(wěn)定.由分析可知,對于該新型三輪跑車來說,質心高度對其安全行車具有非常重要的意義,在設計時應該盡量降低該車型的質

13、心高度.(2)質心前后位置的影響.將質心位置前移100mm和后移100mm進行仿真分析,研究質心前后位置對穩(wěn)態(tài)轉向特性的影響,得到側向加速度的時間歷程曲線以及車身側傾角、轉彎半徑比與側向加速度的關系曲線,如圖1012所示.圖中,cg曲線表示的是質心位置為初始值的整車模型;cg-front表示的是質心位置向前移動了100mm;cg-rear表示的是質心位置向后移動了100mm.從圖10圖12可以看出,當質心位置前移,側向加速度減小,車身側傾角也相應減小,不足轉向量相對于原車有所增加;而質心后移后,車身側傾角相應增大,但是其側向加速度及轉彎半徑比在仿真結束時有了微小的波動.通過延長仿真時圖12 轉

14、彎半徑比與側向加速度的關系曲線圖11 車身側傾角與側向加速度的關系曲線(4)橫向穩(wěn)定桿的影響.本文將通過3種方式研究橫向穩(wěn)定桿對穩(wěn)態(tài)轉向特性的影響:第1種方式是通過在整車動力學模型中添加橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)與沒有橫向穩(wěn)定桿的整車動力學模型進行比較;第2種和第3種方式是將橫向穩(wěn)定桿的扭轉剛度分別增加和減少50%來研究橫向穩(wěn)定桿扭轉剛度的變化對汽車操縱穩(wěn)定性的影響.通過運行穩(wěn)態(tài)轉向仿真試驗,得到車身側傾角、轉彎半徑比與側向加速度的關系曲線,如圖13和圖第8期姜立標,等:新型三輪跑車操縱穩(wěn)定性仿真分析#87#14所示.圖中,no-antiroll表示沒有橫向穩(wěn)定桿的整車虛擬樣機模型;antiroll表示

15、的是安裝了橫向穩(wěn)定桿的整車虛擬樣機模型;small-antiroll表示的是橫向穩(wěn)定桿的扭轉剛度相比初始值減少了50%;large-antiroll表示的是橫向穩(wěn)定桿的扭轉剛度相比初始值增加了50%.操縱穩(wěn)定性非常不好.(1)整車質心位置前移100mm,仿真時間增加到2144s,但是依然側翻現(xiàn)象,仿真試驗失敗.(2)前懸架剛度增加20%,仿真時間增加到4118s,依然發(fā)生了側翻現(xiàn)象,仿真試驗失敗.(3)在原車模型的基礎上增加橫向穩(wěn)定桿,仿真試驗成功.但是在仿真過程中外側車輪出現(xiàn)彈跳離地現(xiàn)象,降低了乘坐舒適性,而且使駕駛員感到不安全.(4)整車質心高度降低100mm,仿真試驗成功.而且其運動過程

16、較加裝橫向穩(wěn)定桿的情況平穩(wěn).從以上分析可知,質心位置前移及增加前懸架剛度只能部分改善該車在此種工況下的操縱穩(wěn)定性;加裝橫向穩(wěn)定桿以及使質心位置降低則可以很好地改善其操縱穩(wěn)定性.圖13 車身側傾角與側向加速度關系曲線4 雙移線仿真試驗411 試驗方法雙移線試驗是一個典型的車輛在行進過程中7的超車事件.它是綜合評定人)車)環(huán)境操縱性的閉環(huán)試驗,在非穩(wěn)定區(qū)域中雙移線試驗屬最古老的測試方法.該試驗參考ISO-3888中的規(guī)定:移線量為315m,路線長度為250m.仿真試驗時,使整車虛擬樣機模型以100km/h的初速度行圖14 轉彎半徑比與側向加速度關系曲線駛,然后通過試驗路段,當行駛到路線終點時仿真結

17、束.412 仿真結果及影響因素分析分別使質心高度降低100mm、質心位置前移100mm、前懸架剛度增加20%,以及增加橫向穩(wěn)定桿后與原車模型進行對比分析,得到方向把轉角絕對值、橫擺角速度絕對值和車身側傾角絕對值的時間歷程曲線如圖15圖17所示(通過仿真分析發(fā)現(xiàn),質心位置前移對此工況下的整車操縱穩(wěn)定性的影響甚微,故在圖中沒有列出質心前移的曲線).圖中,ABS曲線為原車模型;ABS-lower-cg為整車模型的質心位置向下移動100mm;ABS-upper-spring為前懸架的剛度增加了20%;ABS-antiroll為整車模型加裝了橫向穩(wěn)定桿.如圖13所示,安裝了橫向穩(wěn)定桿后,車身側傾角明顯得

18、到了抑制,隨著橫向穩(wěn)定桿扭轉剛度的逐漸增加,車身側傾角減小幅度越來越大.如圖14所示,隨著橫向穩(wěn)定桿扭轉剛度的增加,車身側傾角的減小,該車的不足轉向量越來越小,而且其中的antiroll曲線的中段接近于1,出現(xiàn)了中性轉向的趨勢,而large-antiroll曲線的中段出現(xiàn)了過度轉向的趨勢,這是比較危險的.對于該車來說,橫向穩(wěn)定桿的扭轉剛度并不是越大越好.3 蛇形仿真試驗311 試驗方法蛇形試驗是檢驗汽車隨動性、收斂性、方向操縱輕便性、事故可避性等的典型試驗方法,該試驗根據(jù)國家標準GB/T632311-1994的規(guī)定.仿真試驗時,使整車虛擬樣機模型以65km/h的初速度行駛,蛇形通過試驗路段,直

19、到該車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止.312 仿真結果及影響因素分析運行仿真試驗,原整車虛擬樣機模型在仿真進行到2102s時出現(xiàn)不穩(wěn)定情況,發(fā)生側翻現(xiàn)象圖#88#哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 報 第41卷各個曲線車身側傾角平均值的測量得到:加裝橫向穩(wěn)定桿可以顯著地減小車身側傾角,降低質心高度也可以大幅降低車身的側傾幅度.5 結 論1)確定橫向穩(wěn)定桿及質心高度對該車操縱穩(wěn)定性的影響是最大的.2)加裝橫向穩(wěn)定桿和使質心降低可以很好地圖16橫擺角速度絕對值的時間歷程曲線改善該車的操縱穩(wěn)定性.3)其次整車質心前移及增加前懸架剛度也可以改善該車的操縱穩(wěn)定性.參考文獻:1宗長富,郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性的研究與評價J.汽車技術,2000,(6):6-11.2LEEAY,LEENT,MARRIOTTAT.Variabledynamictestbedvehicle:DynamicsanalysisJ.Supplementto圖17 車身側傾角絕對值的時間歷程曲線SAEInternational1997(SP-1228):39-55.3陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例M.北京:中國水利水電出版社,2008.4HIROYUKIG,TAKAOS.Handling