多轴汽车的操纵稳定性仿真研究

第7期2015年7月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE117多轴汽车的操纵稳定性仿真研究秦玉英，高峰，宋韩韩辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州121001摘要应用虚拟样机技术，在ADAMSCAR中建立了多轴重型汽车的各子系统模型，由相应的通讯器进行整车动力学模型的装配。通过双轮同向和反向激振仿真分析，获取了钢板弹簧的特性参数，验证了模型的合理性。通过整车的静平衡仿真分析，确保了操纵稳定性仿真试验是在轮胎被整车自身重力压缩并达到平衡之后开始的。以建立的整车模型为研究对象，进行转向盘角阶跃输入和蛇形仿真试验，依据试验结果对该车的操纵稳定性进行评价。试验结果表明较小的横摆角速度超调量可以保证汽车的瞬时响应特性，车身的侧倾刚度和垂直方向转动惯量对操纵稳定性产生的影响很大，这为实际样车操纵稳定性的研究提供了理论参考。关键词多轴汽车；整车模型；操纵稳定性；仿真试验中图分类号TH16文献标识码A文章编号10013997201507011703SIMULATIONRESEARCHONMULTIAXLEVEHICLEHANDINGANDSTABILITYPERFORMANCEQINYUYING，GAOFENG，SONGHANHANAUTOMOBILETRANSPORTATIONENGINEERINGCOLLEGE，LIAONINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LIAONINGJINZHOU121001，CHINAABSTRACTB，USINGVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGY，EACHSUBSYSTEMOFTHEMULTIAXLEHEAVYDUTYVEHICLEISBUILTINADAMSCARTHEWHOLEVEHICLEDYNAMICMODELISASSEMBLEDTHROUGHCORRESPONDINGCOMMUNICATORTHECHARACTERISTICPARAMETERSOFTHELEPRINGAREOBTAINEDTHROUGHPARALLELANDOPPOSITEWHEELTRAVELSIMULATIONTHROUGHWHHERATIONALITYOFTHEMODELISVERIFIEDTHEBEGINNINGOFHANDINGSTABILITYSIMULATIONISGUARANTEEDRREACHINGEQUILIBRIUMWITHTHETIRESCOMPRESSIONBYTHEVEHICLEOWNGRAVITYINVEHICLESTATICBALANCINGSIMULATIONANALYSISTAKINGTHEESTABLISHEDVEHICLEMODEL傩THEOBJECTOFSTUDY，STEPSTEERTESTANDHOOKTESTARECARRIEDOUTTHEEVALUATIONOFHANDINGANDSTABILITYPE4OANCEISPRESENTEDCOMBINEDWITHEXPERIMENTALRESULTWHICHINDICATESTHATTHETRANSIENTRESPONSECHARACTERISTICSOFTHEVEHICLEISGUARANTEEDBYMINORYAWRATEOVERSHOOTANDTHEGREATINFLUENCEOFHANDINGANDSTABILITYPE咖EISGENERATEDFROMBODYROLLSTIFFNESSANDMONTENTOFINERTIAOFVERTICALDIRECTIONTHETHEORETICALREFERENCEFOR；TUDYINGONHANDINGANDSTABILITYPE咖阳EOFREALVEHICLEISPROVIDEDBASEDONTHESEDATCA，KEYWORDSMULTIAXLEVEHICLE；VEHICLEMODEL；HANDINGANDSTABILITY；SIMULATION1引言近些年来，全世界汽车工业飞速发展，工程建设任务日益繁重，重型汽车的工作环境也随之发生了变化，这就要求重型汽车需要具有良好的通过性、转向灵敏陛和燃油经济性。如今，无论在国内外，大多数重型汽车采用多轴转向技术，这种技术保证了重型汽车在低速运动时转向更为灵敏，减小转弯半径从而提高汽车的通过性、安全F生和可靠性。操纵稳定性作为评价汽车的一项重要指标【11，对其在多轴汽车上的研究已成为主流趋势。现阶段，国外学者对多轴汽车操纵稳定性的研究主要是建立整车的数学模型和动力学模型，在四轮转向汽车的基础上，提出多轴汽车转向的控制方法，提高多轴汽车的侧向稳定性、横摆角速度响应特性、转向灵敏度和通过陛；国内学者的研究主要从理论推导和模型仿真两个方面来进行，其中，结构形式、转向形式和非线性因素等方面影响较大。针对某一五轴重型汽车，在多体动力学软件ADAMSCAR中建立其整车模型，其后根据汽车操纵稳定性试验国家标准对该整车模型进行仿真试验分析，包括转向盘角阶跃输入试验和蛇形试验，根据国家标准中的试验评分方法和仿真试验数据对该模型车进行操纵稳定性评分，为该车的实际生产中提高操纵稳定性提供理论参考。2整车模型的建立在ADAMSCAR软件中建立某五轴双前轴转向重型汽车整来稿日期20150115基金项目国家自然科学基金项目51205191；汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金项目20111L17；辽宁工业大学基金项目X201206作者简介秦玉英，1972一，女，辽宁锦州人，博士研究生，副教授，主要研究方向车辆系统动力学及控制；高峰，1989一，男，辽宁锦州人，硕士研究生，主要研究方向车辆系统动力学及控制118秦玉英等多轴汽车的操纵稳定性仿真研究第7期车动力学模型，整车模型部分参数，如表1所示。该整车动力学模型由驾驶室子系统、车身子系统、前后悬架子系统、转向子系统、动力传动总成子系统和轮胎子系统等组成。为了降低模型建立过程中的难度，对该整车模型做如下合理简化。1将整车划分成多个部分，对每部分进行尺寸几何测量，计算质心坐标和转动惯量。2将驾驶室子系统简化为三部分刚性长方体，分别是引擎罩、第一驾驶室和第二驾驶室，驾驶员和座椅简化为一般部件的质量点固定到第二驾驶室。3N用ADAMSVIEW中的BOX命令，将车身子系统简化为实心长方体，充当汽车满载状态；车架简化为一根主梁的形式。4忽略车身和车架的柔性对整车的影响，刚体之间的连接采用非线性的弹性衬套以满足实际工况下的动力特性。表1整车部分参数TAB1THEWHOLEVEHICLEPARTIALPARAMETERS满载质量T22最高车速KJH长宽X高MM轮胎规格1、2轴轴距MM2、3轴轴距RAM3、4轴轴距MM4、5轴轴距MM前轮距MM后轮距MM959420260O243531580R22526901930166517942020208021悬架子系统模型模型中的第一、二、五轴采用钢板弹簧非独立悬架，其模型如图LA所示，钢板弹簧利用ADAMSCAR模块中的LEAFSPRING工具箱进行建立。吊耳和转耳分别通过输入通讯器与车架相连接；钢板弹簧中间部分通过输出通讯器固定在车轴上。将平衡悬架简化为第三桥总成、第四桥总成、两根推力杆和钢板弹簧的形式，如图1B所示。钢板弹簧采用离散梁单元建模法，两侧通过输出通讯器与三、四轴相连；板簧中间部分通过旋转副与车架相连；两根推力杆通过旋转副与车架相连。整个平衡悬架起到前后运动补偿的作用。A钢板弹簧B平衡悬架图1悬架子系统FIG1SUSPENSIONSUBSYSTEM2_2转向子系统转向机构模型包括转向梯形机构和转向摇臂机构，将转向模型简化到转向机构的一侧，另一侧通过横拉杆起作用，如图2所示。转向摇臂通过输入通讯器与转向节三角逼上端相连，带动转向节旋转，实现转向；转向节通过转动副与轮胎相连；减振器上端和下端分别通过输入通讯器与驾驶室和车轴相连，与钢板板簧共同承受驾驶室和车轴的垂直载荷；横向稳定杆两端通过拉杆与转向节三角臂下端相连，端部通过输入通讯器与车轴相连，与车轴形成转向梯形机构，带动另一侧车轮转动。图2转向子系统FIG2STEERINGSUBSYSTEM23整车模型装配各子系统模型建立之后，在ADAMSCAR标准STANDARD模式下将建立的各子系统模型通过相应的通讯器与整车测试台MDISDITESTRIG组装在一起，装配后得到该五轴双前轴转向重型汽车整车模型，如图3所示。整车的转向方式采用齿轮齿条式，前两轴选用的是PAC2002轮胎模型，后三轴选用FIALA轮胎模型，保证了有效频率，改善了模型的翻转力矩。钢板弹簧安装到悬架和转向系统后通过通讯器与悬挂试验台MDI_SUSPENSION_TEST_RIG相连，进行双轮同向激振和反向激振仿真分析，获取钢板弹簧的特性参数，确保安装的合理性。通过进行整车的静平衡仿真试验，确保模型进行操纵稳定性仿真试验之前与实际中的工作状态之前保持一致，仿真的起始点保证在轮胎被整车自身重力压缩并达到平衡之后开始仿真，使仿真结果数据更符合实际。图3整车模型FIG3THEWHOLEVEHICLEMODEL3操纵稳定性仿真试验31转向盘角阶跃输入试验汽车转向盘角阶跃输入指当汽车匀速直线行驶时，迅速地将转向盘转到设定的角度，保持转角不变，在这个过程中的运动响应就是转向盘角阶跃输入下的响应，用其反应汽车的操纵稳定性_1OL。根据国家标准GBFI6323294规定的试验方案进行设置，该重型汽车最高车速95KMH，本次试验初始速度设置为70KMH，试验前保持该车速进行匀速直线行驶，从行驶2S开始迅速转动方向盘，使之达到40。，保证稳态侧向加速度在O1O3G，起跃时间设置为02S，仿真试验结果，如图4图6所示。4535、25娅辩L5505ILII“LSTEEFING_WHEEL_ANGIE001O2030405060708090100时间TS图4转向盘角阶跃输入转向盘转角FIG4STEERSTEPTESTSTEERINGWHEELANGLENO7JULY2015机械设计与制造119昌S暑_叵屋CSATERALECELEATI0NILII、1L654O3蔫1O一1时间TS图5转向盘角阶跃输入侧向加速度FIG5STEERSTEPTESTLATERALACCELERATIONLII，、LLII，JDCCILYR，FIIIJLJ0时I司TS图6转向盘角阶跃输入横摆角速度FIG6STEERSTEPTESTYAWVELOCITY从图5、图6可以看出随着时间的推移，模型车的侧向加速度和横摆角速度都趋于稳态，说明该模型车具有较好的侧向稳定性和横摆稳定性。横摆角速度响应时间为052S，横摆角速度峰值响应时间为07S，都比较短，表明该车有良好的瞬时响应特性。横摆角速度的超调量可按照下式1进行计算1001式中摆角速度超调量；横摆角速度响应稳态值，OS；横摆角速度响应最大值，。S。由图6所测数据可以计算出此模型车的横摆角速度超调量为1633，小的超调量可以使汽车在转向盘迅速转动发生横摆运动的情况下，快速恢复到稳定状态，保证了汽车的操纵稳定性。3_2蛇形试验蛇形试验方法是评价汽车随动性、收敛性、方向操纵轻便性及事故可避免F生的典型试验，也是包括车辆一驾驶员环境在内的一种闭环试验111。根据国家标准GBFF6323194进行试验方案设置，因此模型车总质量大于15T，所以以基准车速为50KMH，以该车速匀速直线行驶达到稳定状态，然后保持该车速通过模拟的蛇形轨迹，标桩间距为50M，仿真试验结果，如图7、图8所示。150100500一5010O一150_CEWHIDEI厂、|、LJ、L、|、，I，RL、|LRL、|、RTL|K,1IJ，时间TS图7蛇形试验转向盘转角FIG7FISHHOOKTESTSTEERINGWHEELANGLE02010三01020。SYAW_ATEFI，、|、|I|。、JL|，、I、JO时I司TS图8蛇形试验横摆角速度FIG8FISHHOOKTESTYAWVELOCITY从图7、图8可以看出，仿真曲线基本符合正弦蛇形轨迹，图8中模型车在进行蛇形试验的过程中，横摆角速度变化较大，这是由于车身的侧倾角刚度过大，车身对垂直方向Z轴的转动惯量过大，导致模型车在连续转弯的过程中发生横摆运动，在一定程度上偏离行进轨道。根据国家标准QCT4801999汽车操纵稳定性指标限值和评价方法对试验结果进行评分。本项试验，按基准车速下的平均横摆角速度峰值与平均转向盘转角峰值0进行评价计分。1平均转向盘转角峰值0的评价计分值按式2进行计算NO604001002式中平均转向盘转角峰值的评价计分值；。平均转向盘转角峰值的下限值，。；。平均转向盘转角峰值的上限值，。；基准车速下平均转向盘转角峰值的试验值，。根据标准规定，由于本模型车总质量大于15T，所以06取180,0。取60。，0选取图7中第58个峰值来计算平均转角峰值为68。，代人式2中计算得到为100。2平均横摆角速度峰值的评价计分值按式3进行计算6040T3式中平均横摆角速度峰值的评价计分值；。平均横摆角速度峰值的下限值，OS；Y。平均横摆角速度峰值的上限值，。S；准车速下平均横摆角速度峰值的试验值，。S。根据标准规定，取10。S，00取4S，选取图8中第58个峰值来计算平均横摆角速度峰值为8IS，代人式3中计算得到，为73。3蛇形试验的综合评价计分值按照式4计算N2NO一4将为100，为73代入，得到为82。4结论1应用虚拟样机技术，在ADAMS中建立了五轴重型汽车整车模型，重点建立了悬架子系统模型和双前轴转向机构模型，其余子系统在建立时进行了合理L生简化。整车模型中部分刚体间的连接采用非线性弹性衬套，分析精度相对较高，更接近于实际。下转第123页NO7JULY2015机械设计与制造123用的结果是切削温度较平稳。切削深度对切削温度的影响比较小。4切削热大多集中在刀具前刀面与切屑接触区，工件的最高温度在前刀面与切屑的底面接触处。刀具的最高温度总是出现在刀具前刀面上距离主切削刃平均约为0102MM的附近而不在主切削刃上。5刀具的温度分布具有明显的梯度变化，切屑的最高温度明显高于刀具的最高温度，切屑底层的温度比工件与刀具后刀面接触区的温度高很多。在剪切区域中，剪切面上各点温度几乎相同，但垂直剪切面方向上的温度梯度较大。参考文献1陶真，孙剑飞，李刘合滁层硬质合金刀具切削钛合金仿真研究J3机械设计与制造，2013111316TAOZHEN，SUNJIANFEI，LILIUHECOATINGCARBIDETOOLCUTTINGTITANIUMSIMULATIONSTUDYJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，20131113162冯鸿钦硬质合金刀具和涂层刀具车削加工一6AL_4V的性能研究J龙岩学院学报，2010，2822931FENGHONGQINCARBIDECUTTINGTOOLSANDCOATINGCUTTERTURNINGPROCESSINGTI一6A14VPERFORMANCESTUDYJJOURNALOFNGYANUNIVERSITY，2010，28229313李友生，邓建新，李甜甜不同刀具材料高速车削钛合金的性能研究J武汉理工大学学报，2009，31152932LIYOUSHENG，DENGJIANXIN，LITIANTIANDIFFERENTCUTTINGTOOLMATERIALPERFORMANCEOFHIGHSPEEDCUTTINGOFTITANIUMALLOYRESEARCHJWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，2009，311529324邢栋梁，张建华，赵云峰铝合金2024T4铣削温度的有限元仿真研究J工具技术，2010，4492730XINGDONGLIANG，ZBANGJIANHUA，ZHAOYUNFENG2024一T4ALUMINUMALLOYMILLINGTEMPERATURESTUDYOFFINITEELEMENTSIMULATIONJTOOLTECHNOLOGY，2010，44927305刘东，陈五一钛合金TC4切削过程流动应力模型研究JJ_塑性工程学报，20081167171LIUDONGCHENWUYITHEFLOWSTRESSOFTC4TITANIUMALLOYCUTTINGPROCESSMODELINGSTUDYLJJPLASTICENGINEERING，200811671716曹自洋，何宁，李亮高速切削钛合金TI6A14V切屑的形成及其数值模拟J中国机械工程，2008，192024502451CAOZIYANG，HENING，LILIANGHIGHSPEEDCUTTINGOFTITANIUMALLOYN6A14VCHIPF0RMATI0NANDITSNUMERICAL8IMULATI1NJCHINAMECHANICALENGINEERING，2008，1920245024517何宁高速切削技术M上海上海科学技术出版社，20122123HENINGHIGHSPEEDCUTTINGTECHNOLOGYMSHAHGHAISHANGHAISCIENCEANDTECHNOLOGYPRESS，201221238王苏东基于DEFORM一3D的钛合金切削过程有限元仿真J装备制造技术，2009123032WANGSUDONGCUTTINGTITANIUMALLOYPROCESSBASEDONDEFORM3DFINITEELEMENTSIMULATIONLJEQUIPMENTMANUFACTURINGTECHNOLOGY，2009123O一329艾兴高速切削加高技术ME京国防工业出版社，20034449AIXINGHIGHSPEEDCUTTINGTECHNOLOGYMBEIJINGNATIONALDEFENSEINDUSTRYPRESS，2003444910耿国盛，钛合金高速铣削技术的基础研究D南京南京航空航天大学，20064061GENGGUOSHENGHIGHSPEEDMILLINGTITANIUMALLOYTECHNOLOGYRESEARCHLDJNANJINGNANJINGUNIVERSITYOFAERONAUTICSANDASTRONAUTICS，20064061上接第119页2基于建立的整车模型在ADAMSAR环境中进行了转向盘角阶跃输入仿真试验和蛇形仿真试验。在转向盘角阶跃输入仿真试验中，由于该车总质量大于15T，所以此项试验无需计算评分，而横摆角速度超调量较小，说明该车具有良好的横摆角速度瞬时响应特陛，保证了该车的操纵稳定性。在蛇形仿真试验中，综合评价计分值超过国家标准规定的70分，但平均横摆角速度峰值的评价计分值偏低，其原因是该模型车的车身侧倾刚度和垂直方向转动惯量过大，导致该车沿着蛇形轨迹行进中发生横摆运动，偏离行进轨道。3利用虚拟样机技术对整车模型进行仿真试验，具有重要的理论指导意义，为实际样车操纵稳定性的研究提供了理论基础，大大缩短研发周期和资金投入。参考文献1余志生汽车理论M北京机械工业出版社，2006YUZHISHENGELEMENTARYVEHICLEDYNAMICSJBEIJINGCHINAMACHINEPRESS，20062KWATANABE，JYAMAKAWA，MTANA，TSASAKITURNINGCHARACTERISTICSOFMULTIAXLEVEHICLESJJOURNALOFTERRAMECHANICS，2007，44181873AOKIAKIRA，MAMMOYOSHITAKA，KAGEYAMAICHIROEFFECTSOFMULTIPLEAXLESONTHELATERALDYNAMICSOFMULTIARTICULATEDVEHICLESJVEHICLESYSTEMDYNAMICS，2013，5133383594SJAN，KYI，GJUNG，KILEEANDWKINDESIREDYAWRATEANDSTEERINGCONTROLMETHODDURINGCORNERINGFORASIXWHEELEDVEHICLEJINTERNATIONALJOURNALOFAUTOMOTIVETECHNOLOGY，2008，921731815黄薇，王显会，张明基于多轴转向特种车辆操纵稳定性仿真研究J_拖拉机与农用运输车，2011，381707381HUANGWEI，WANGXIANHUI，ZHANGMINGRSIMULATIONONHANDINGSTABILITYOFMULTIAXLESTEERINGVEHICLEJTRACTORFARMTRANSPORTER，2011，3817073816王云超，高秀华，邵明亮多轴车辆操纵稳定性试验J振动、测试与诊断，2011，314527530539WANGYUNCHAO，GAOXIUHUA，SHAOMINGLI