新型三轮跑车操纵稳定性仿真分析

1、第41卷 第8期2009年8月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY Vol141No18Aug.2009新型三轮跑车操纵稳定性仿真分析姜立标,张冠哲,谷方德,魏 韬(哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院,山东威海264209,jlb620620)摘 要:为改进汽车运动性能、提高运动汽车的操纵稳定性.通过对新型三轮跑车实际样车的三维坐标测量,利用ADAMS/Car精确建立新型三轮跑车的整车虚拟样机模型,对其进行了稳态回转特性试验、蛇形试验以及双移线试验等.仿真试验结果表明:横向稳定杆对新型三轮跑车的整车操纵稳定性影响最大,其次是

2、质心高度对车操纵稳定性的影响.从理论上研究和分析车的操纵稳定性,确定车加装横向稳定杆以及使质心位置降低后会显著改善该车的操纵稳定性.关键词:新型三轮跑车;操纵稳定性;虚拟样机;仿真分析中图分类号:U46116文献标识码:A文章编号: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 操纵稳定性是汽车的重要性能之一,随着车速的不断提高,汽车的操纵稳定性日益受到人们的重视.而随着社会的进步及生活水平的不断提高,人们对高性能运动汽车的追求也日趋强烈.改进汽车运动性能、提高运动汽车的操纵稳定性2是国际上近期主要的发展方向之一.本文所研究的新型三轮跑车在国内属

6、于首创,是一个全新的车型,在对其进行操纵稳定性评价方面没有参考依据,因此本文主要通过对该新型三轮跑车的整车虚拟样机模型进行仿真分析,从理论上研究和分析它的操纵稳定性,不对其进行计分评价,重点研究影响操纵稳定性的主要因素,为第二轮的收稿日期:2008-12-11.基金项目:哈尔滨工业大学(威海)研究基金资助(HIT(WH)ZB200813).作者简介:姜立标(1965),男,1设计工作提供参考依据.1 整车虚拟样机模型的建立图1所示为该新型三轮跑车的实际样车.图1 第一辆样车 该课题所研究的新型三轮跑车采用的是前两轮后一轮的布局,后悬架既不是传统意义上的汽车悬架,而且在ADAMS/Car里也没有

7、该悬架结构型式的模板,因此,需要设计开发后悬架模板.第8期姜立标,等:新型三轮跑车操纵稳定性仿真分析#85#根据参考文献3,4及后悬架设计参数及三维坐标测量在模板建模器下,建立的后悬架模板如图2所示.该车转向系统与普通汽车有很大区别,在此选用齿轮齿条转向系作为所建立的转向系模板的参考原型,根据设计参数值及优化后的参数值在模板建模器下,通过修改齿轮齿条转向系模板的硬点坐标完成转向系模板的建立,如图3所示.控制.该试验采用固定方向盘转角的连续加速法测定该车的稳态转向特性.利用编写驱动控制文件的方法控制整车动力学模型进行稳态转向特性仿真试验.先使整车虚拟样机模型以15km/h的初速度行驶,在05s时

8、间内使方向盘转角达到20b,并固定不动.然后使整车以012m/s的纵向加速度缓慢连续地均匀加速,直到该车出现不稳定状态为止(若没有出现不稳定状态,则设置仿真时间为30s,即仿真在30s后结束).212 仿真结果及影响因素分析运行仿真试验,得到整车稳态回转的运动轨迹如图6所示.从图中可以看出,随着车速的不断增加,汽车转弯半径逐渐增大,该车具有不足转向特性,这是汽车具备良好操纵稳定性的必要条件.(1)质心高度的影响.将质心高度分别上移100mm和下移100mm进行仿真分析,研究质心高度对稳态转向特性的影响,得到侧向加速度的时间历程曲线以及车身侧倾角、转弯半径比与侧向加速度的关系曲线,如图79所示.

9、图中,cg曲线为的是质心位置为初始值的整车模型;cg-lower为的是质心位置向下移动了100mm;cg-upper为的是质心位置向上移动了100mm.图2 后悬架模板 图3 转向系模板对于车辆仿真模型来说,轮胎模型是其中最为重要的部分之一.魔术公式用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据,基于试验数据的轮胎模5型,正在成为工业标准.其中的Pacejka.89轮胎模型对常规轮胎具有很高的拟合精度.因此,本文选用魔术公式中的Pacejka.89轮胎模型.该车选用的前轮胎规格为215/50R17,后轮胎规格为255/45R18.为了在整车仿真时使用自动质量调节功能6,在车体模板上添加一个硬点和标记作为

10、自定义整车质心和惯量标记.在仿真时,可以通过修改该硬点坐标调节整车质心位置.整车质心位置可以通过对实车的测量得到.该新型三轮跑车的车架是整车装配的基础,所有的系统或直接或间接与之连接.为了能够形象的表示车架的形状,在车体建模后期建立了车架的几何实体模型.所建立的车体模板如图4所示.在标准模式下将所建立的各子系统模型与整车试验台组装在一起,得到整车虚拟样机动力学仿真模型,如图5所示.图6整车运动轨迹图4 车体模板 图5 整车模型图7 侧向加速度时间历程曲线2 稳态转向特性仿真试验211 试验方法稳态转向特性是车辆系统是否稳定的充分条件.过多转向和过大的不足转向,都会使汽车难以由图7可以看出,质心

11、高度减小后,整车虚拟样机模型所能达到的极限侧向加速度增加,即相同条件下,质心较低的汽车比质心较高的汽车抗侧倾能力强,极限工况下更加趋于稳定.从图8也可以看出,质心较低的情况下,车身侧倾角也较#86#哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷小,但减小幅度不大,能够同时满足操纵稳定性及乘坐舒适性的要求.由图9可以看出,cg-lower曲线具有比较明显的上升趋势,使整车趋于转向不足,转向不足量较原车有所下降.侧翻.因此,质心后移会使整车趋于不稳定的状态,应该加以避免.(3)前悬架刚度的影响.将弹簧刚度分别增加20%和减少20%进行仿真分析.通过仿真分析结果可知,随着前悬架刚度的增加,仿真结束时的

12、极限侧向加速度相应增加,车身侧倾角相应减小,且具有适度的不足转向量,从而提高了整车的操纵稳定性.因此,在对该新型三轮跑车进行改进设计时,可以相应增加前悬架的刚度.图8 车身侧倾角与侧向加速度的关系曲线图10 侧向加速度时间历程曲线图9 转弯半径比与侧向加速度的关系曲线而质心高度增加后,侧向加速度减小,降低了整车的抗侧倾能力,车身侧倾角也逐渐增大,当侧向加速度达到一定值时,整车趋于不稳定状态.由图79可以看出,cg-upper曲线在侧向加速度达到一定值时有明显的突变,表明该车正在趋于不稳定.由分析可知,对于该新型三轮跑车来说,质心高度对其安全行车具有非常重要的意义,在设计时应该尽量降低该车型的质

13、心高度.(2)质心前后位置的影响.将质心位置前移100mm和后移100mm进行仿真分析,研究质心前后位置对稳态转向特性的影响,得到侧向加速度的时间历程曲线以及车身侧倾角、转弯半径比与侧向加速度的关系曲线,如图1012所示.图中,cg曲线表示的是质心位置为初始值的整车模型;cg-front表示的是质心位置向前移动了100mm;cg-rear表示的是质心位置向后移动了100mm.从图10图12可以看出,当质心位置前移,侧向加速度减小,车身侧倾角也相应减小,不足转向量相对于原车有所增加;而质心后移后,车身侧倾角相应增大,但是其侧向加速度及转弯半径比在仿真结束时有了微小的波动.通过延长仿真时图12 转

14、弯半径比与侧向加速度的关系曲线图11 车身侧倾角与侧向加速度的关系曲线(4)横向稳定杆的影响.本文将通过3种方式研究横向稳定杆对稳态转向特性的影响:第1种方式是通过在整车动力学模型中添加横向稳定杆子系统与没有横向稳定杆的整车动力学模型进行比较;第2种和第3种方式是将横向稳定杆的扭转刚度分别增加和减少50%来研究横向稳定杆扭转刚度的变化对汽车操纵稳定性的影响.通过运行稳态转向仿真试验,得到车身侧倾角、转弯半径比与侧向加速度的关系曲线,如图13和图第8期姜立标,等:新型三轮跑车操纵稳定性仿真分析#87#14所示.图中,no-antiroll表示没有横向稳定杆的整车虚拟样机模型;antiroll表示

15、的是安装了横向稳定杆的整车虚拟样机模型;small-antiroll表示的是横向稳定杆的扭转刚度相比初始值减少了50%;large-antiroll表示的是横向稳定杆的扭转刚度相比初始值增加了50%.操纵稳定性非常不好.(1)整车质心位置前移100mm,仿真时间增加到2144s,但是依然侧翻现象,仿真试验失败.(2)前悬架刚度增加20%,仿真时间增加到4118s,依然发生了侧翻现象,仿真试验失败.(3)在原车模型的基础上增加横向稳定杆,仿真试验成功.但是在仿真过程中外侧车轮出现弹跳离地现象,降低了乘坐舒适性,而且使驾驶员感到不安全.(4)整车质心高度降低100mm,仿真试验成功.而且其运动过程

16、较加装横向稳定杆的情况平稳.从以上分析可知,质心位置前移及增加前悬架刚度只能部分改善该车在此种工况下的操纵稳定性;加装横向稳定杆以及使质心位置降低则可以很好地改善其操纵稳定性.图13 车身侧倾角与侧向加速度关系曲线4 双移线仿真试验411 试验方法双移线试验是一个典型的车辆在行进过程中7的超车事件.它是综合评定人)车)环境操纵性的闭环试验,在非稳定区域中双移线试验属最古老的测试方法.该试验参考ISO-3888中的规定:移线量为315m,路线长度为250m.仿真试验时,使整车虚拟样机模型以100km/h的初速度行图14 转弯半径比与侧向加速度关系曲线驶,然后通过试验路段,当行驶到路线终点时仿真结

17、束.412 仿真结果及影响因素分析分别使质心高度降低100mm、质心位置前移100mm、前悬架刚度增加20%,以及增加横向稳定杆后与原车模型进行对比分析,得到方向把转角绝对值、横摆角速度绝对值和车身侧倾角绝对值的时间历程曲线如图15图17所示(通过仿真分析发现,质心位置前移对此工况下的整车操纵稳定性的影响甚微,故在图中没有列出质心前移的曲线).图中,ABS曲线为原车模型;ABS-lower-cg为整车模型的质心位置向下移动100mm;ABS-upper-spring为前悬架的刚度增加了20%;ABS-antiroll为整车模型加装了横向稳定杆.如图13所示,安装了横向稳定杆后,车身侧倾角明显得

18、到了抑制,随着横向稳定杆扭转刚度的逐渐增加,车身侧倾角减小幅度越来越大.如图14所示,随着横向稳定杆扭转刚度的增加,车身侧倾角的减小,该车的不足转向量越来越小,而且其中的antiroll曲线的中段接近于1,出现了中性转向的趋势,而large-antiroll曲线的中段出现了过度转向的趋势,这是比较危险的.对于该车来说,横向稳定杆的扭转刚度并不是越大越好.3 蛇形仿真试验311 试验方法蛇形试验是检验汽车随动性、收敛性、方向操纵轻便性、事故可避性等的典型试验方法,该试验根据国家标准GB/T632311-1994的规定.仿真试验时,使整车虚拟样机模型以65km/h的初速度行驶,蛇形通过试验路段,直

19、到该车出现不稳定状态为止.312 仿真结果及影响因素分析运行仿真试验,原整车虚拟样机模型在仿真进行到2102s时出现不稳定情况,发生侧翻现象图#88#哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷各个曲线车身侧倾角平均值的测量得到:加装横向稳定杆可以显著地减小车身侧倾角,降低质心高度也可以大幅降低车身的侧倾幅度.5 结 论1)确定横向稳定杆及质心高度对该车操纵稳定性的影响是最大的.2)加装横向稳定杆和使质心降低可以很好地图16横摆角速度绝对值的时间历程曲线改善该车的操纵稳定性.3)其次整车质心前移及增加前悬架刚度也可以改善该车的操纵稳定性.参考文献:1宗长富,郭孔辉.汽车操纵稳定性的研究与评价J.汽车技术,2000,(6):6-11.2LEEAY,LEENT,MARRIOTTAT.Variabledynamictestbedvehicle:DynamicsanalysisJ.Supplementto图17 车身侧倾角绝对值的时间历程曲线SAEInternational1997(SP-1228):39-55.3陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例M.北京:中国水利水电出版社,2008.4HIROYUKIG,TAKAOS.Handling