《重型商用车稳态回转仿真验证方法》

重型商用车稳态回转仿真验证方法本文件规定了重型商用车稳态回转的仿真验证方法。本文件适用于M3、N2、N3类汽车，其它类型汽车可参照执行。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用GB/T6323汽车操纵稳定性试验方法GB/T12549汽车操纵稳定性术语及其定义GB/T15089机动汽车及挂车分类GB/T40499重型汽车操纵稳定性试验通用条件（GB/T40499-2021，ISO15037-2:2002，MOD）3术语和定义GB/T12549-2013、GB/T15089-2001界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1仿真simulation基于汽车系统的数学模型对汽车运动响应变量的计算。3.2汽车配置vehicleconfiguration影响汽车动力学的汽车基本特性，如车轴数量、悬架形式、汽车单元的形式与数量等。3.3基本汽车参数basicvehicleparameters可以直接在汽车上准确测量到的参数，如质量、尺寸等。3.4估算的汽车参数estimatedvehicleparameters无法通过直接测量获得，需估算的模型参数，如转动惯量、轮胎特性等。3.5汽车模型的有效范围vehiclemodelvalidityrange在汽车配置不变的条件下汽车模型基本参数的变化范围。4通则根据稳态回转的试验方法，利用建立的重型商用车动力学模型进行稳态回转仿真。实车稳态回转试验的结果用于定义参考曲线和公差边界，通过分析仿真模型的计算结果与实车试验结果之间的偏差对仿真模型进行验证。当改变汽车配置导致汽车模型结构发生根本性变化时（如由两轴汽车变为三轴汽车、或由单个汽车单元变为单元组合的列车），应重新进行模型验证。对于同一种汽车配置，当汽车模型中仅基本汽车参数的变化时（如不同的负载条件或不同的轴距），应至少再进行一次仿真与试验对比，以验证仿真模型的鲁棒性。5仿真计算变量5.1应计算的变量：a)纵向车速，vx；b)转向盘转角，δH；c)侧向加速度，ay；d)第一汽车单元的侧倾角，φ。5.2推荐计算的变量：a)转向盘力矩，MH；c)汽车侧偏角，β;d)驾驶室的侧向加速度，ay,c；f)第一汽车单元驾驶室的侧倾角,φc；g)第i汽车单元的侧倾角，φi；h)汽车单元之间的第i个铰接角，Δψi。6仿真模型的参数及要求6.1基本汽车参数质量和尺寸是基本汽车参数，汽车仿真模型应包括所有汽车单元的相关质量，列车仿真模型还应准确表达各单元之间连接装置的位置和旋转自由度。汽车基本参数的取值偏差应符合表1的规定。表1汽车基本参数的偏差范围汽车参数取值范围推荐的偏差范围轴距（相对第1轴）0m～100m±0.02m轴荷0kg～15000kg±100kg各汽车单元质量0kg～50000kg±200kg6.2估算的汽车参数6.2.1质心高度对于重型商用车，侧倾角与侧向加速度的特征曲线在很大程度上取决于装载条件和由此产生的整车质心高度。装载状态的汽车质心高度需要在未装载汽车的测量或设计数据基础上，根据可测的装载物几何形状和质量信息进行修改。应尽可能准确地记录试验汽车的装载条件，以确保质心高度的估算值满足表2所示的偏差范围。注：加载汽车的质心高度除受到载荷质量和位置的影响外，还会受到其它影响，包括但不限于悬架和轮胎挠度。6.2.2轮胎侧向力特性汽车的运动主要由每个轮胎接触地面的垂直、侧向和纵向力和力矩决定，轮胎力和力矩的准确性与仿真模型的准确性强相关。仿真使用的轮胎模型应涵盖轮胎在试验中所出现的滑移(侧向和纵向)、外倾角以及垂直载荷的整个范围，平坦均质路面上的轮胎模型满足稳态回转仿真要求，不需要对应表征不平路面的复杂轮胎模型，稳态回转试验中的侧滑极限取决于轮胎与地面之间的摩擦系数。通常在仿真中应用的轮胎模型由轮胎试验台的测量数据作为基础参数，应使用与试验汽车上相同的轮胎的测量值(在尺寸和载荷范围具有可比性的轮胎测量值)对轮胎模型进行参数化。在验证过程中，轮胎模型的参数允许在可行边界内调整。建议(在干燥均匀的路面上)轮胎模型中的侧向力与轮胎侧偏角（角度一般小于10°,除非达到非线性范围）的特征曲线与轮胎测量曲线的偏差不应超过±25%，见表2。为了避免公差改变破坏前后轮胎力特性之间的平衡，在参数调整过程中，前桥和后桥处轮胎的侧向力特性的相对差值不超过20%，见表2。例如，如果前桥轮胎的侧向刚度增加25%，则后桥轮胎的侧向刚度也应增加至少5%。为了比较轮胎的特性，应使用至少三个车轮载荷（涵盖试验中出现的各种车轮载荷）对应的曲线。当仿真模型中用单个轮胎表示实车后轴的双轮胎时，单个轮胎的轮胎力特性应与双轮胎相同，并正确表达双轮胎的轮距。6.2.3悬架特性悬架特性决定了车轮几何位置、方向和地面反馈的载荷，影响轮胎模型产生的力和力矩的正确性，也决定了轮胎的作用力和反作用力以及力矩如何传递到簧载质量。悬架特性应包括由于悬架变形和载荷变化而导致的车轮位置和方向的变化，这些特性应在运动学和弹性运动学(KinematicsandCompliances，以下简称K&C)台架试验中进行测量，并在后续验证试验中保持不变。用于稳态回转仿真的汽车模型应包含弹簧、稳定杆和其它因素(包括商用车的车架扭转刚度)产生的总侧倾刚度，但与速度相关的力（如减振器产生的力）在稳态条件下是不相关的。在验证过程中，弹簧和稳定杆的刚度特性应取自测试或设计数据，其变化不应超过表2所示的偏差范围。6.2.4转向系统特性汽车模型应包含转向盘角度与车轮角度之间的运动学和弹性运动学关系(包括非线性效应)。转向系统阻尼和摩擦在稳态条件下是不相关的，可以忽略不计。为了补偿转向盘角度与侧向加速度的测量曲线和仿真曲线之间的恒定偏移，可以调整转向传动比参数（偏差范围见表2），以满足低侧向加速度的测量曲线。表2汽车估算参数的偏差范围汽车参数推荐的偏差范围质心高度轮胎侧向力与轮胎侧偏角（10°以内）轮胎侧向力与轮胎侧偏角在前桥和后第一驱动桥之间的差值悬架弹性件刚度（第一汽车单元）转向传动比6.3附加的参数要求6.3.1动力系统在稳态回转过程中，根据需要施加动力以达到汽车的目标侧向加速度。模型中应包括驱动力矩到车轮的传递路径，建立相应的动力传动系统(如前轮驱动、后轮驱动、全轮驱动、电动机、差速器6.3.2车架刚度对于具有较大车架扭转柔性的汽车，建模时需要体现出车架柔性。注：负载平台与车架的连接方式将影响扭转柔性。K&C试验中的车架扭转刚度和车架约束方法会影响悬架侧倾刚度测量值，并在较小程度上影响其他K&C测量值。车架柔性会降低稳定杆的效用。6.3.3驾驶室悬置系统对于带驾驶室及其悬置系统的商用车，汽车模型中应包含单独的驾驶室质量、车架与驾驶室之间的弹簧及稳定杆的特性。6.3.4主动制动系统和其它主动控制系统a）当试验过程中有制动系统参与时，汽车模型应包含制动系统建模；稳态条件下当主动控制系统使用制动力来控制汽车，则汽车模型应包括制动器和制动系统响应特性；当试验汽车配备ESC车身电子稳定系统，传动系统和制动干预都应考虑，它们会影响试验结果。b）影响稳态回转的任何其它电子控制器都应体现在仿真工具中，物理控制器及机械部件可以通过硬件在环或软件在环的方法连接到仿真模型。控制器模型还应包括不属于制动模型的执行器和控制逻辑，例如电控后轴转向(如果其在汽车试验中工作)和主动侧倾稳定系统（如可调节的稳定杆）等都会影响试验结果。c）在电子稳定控制的干预下，车辆不再处于稳态状态。因此，仅对低于系统干预阈值的侧向加速度进行验证。6.3.5驾驶控制当需要控制转向和车速时，汽车模型应包含驾驶员模型或所需的驾驶操作（转向、加速踏板、巡航控制、档位选择），进行侧向和纵向控制。或者，把实车试验中转向盘角度、纵向汽车速度测量值作为仿真模型的输入值。7实车试验7.1试验要求应按照7.2规定的方法进行试验，除非有特殊要求。试验应进行顺时针和逆时针2个方向的转向输入，对于每个转向方向，应至少要进行三次单独有效的试验。应直接测量侧向加速度，试验所涵盖的侧向加速度范围应尽可能大。对于重型商用车，最大侧向加速度应远低于汽车的侧翻极限。因此，验证可能会被限制在汽车动力学表现的线性区域。在每个试验系列中，应报告导致极限条件的因素。试验中测量变量的低通滤波的截止频率可能低至1.0Hz，测量的变量应在传感器位置、方向、数据处理(滤波等)方面进行校正，以便与相应的仿真信号进行比较。任何补偿（如侧向加速度）在测量和仿真中都应相同，并应报告。7.2试验方法7.2.1固定转向盘转角方法操纵汽车以最低稳定速度沿所画圆周行驶，待汽车纵向对称面上的速度测量点在半圈内都能对准地面所画圆周时，固定转向盘不动，停车并开始记录，记录各变量的零线。然后汽车起步，缓慢而均匀地加速(纵向加速度不超过0.25m/s2)，直至汽车的侧向加速度达到6.5m/s2(或受动力单元限制而所能达到的最大侧向加速度、或汽车出现不稳定状态)为止。记录整个过程。圆周路径的半径≥15m。7.2.2固定圆周半径方法试验开始时，应保证车身纵向对称面处于所画圆周上。从静止状态开始，由驾驶员或转向机器人执行控制，使汽车缓慢加速并保持在固定半径的圆周上行驶。试验中汽车行驶的路径与固定半径的偏差不得超过0.5米，侧向加速度梯度不得超过0.2m/s3。直到侧向加速度达到6.5m/s2(或受动力单元限制而所能达到的最大侧向加速度、或汽车出现不稳定状态)为止。圆周路径的标准半径为100m，可以采用其它值，最小半径为40m。7.2.3固定车速方法照GB/T40499的规定的初始条件，由直线行驶达到选定车速后，由机器人提供转向控制，以恒定的速率增加转向盘角度，侧向加速度梯度不得超过0.2m/s3。直到侧向加速度达到6.5m/s2(或受动力单元限制而所能达到的最大侧向加速度、或汽车出现不稳定状态)为止。试验结果取决于汽车速度，试验中使用的车速应在试验报告中注明。圆周路径的标准半径为100m，可以采用其它值，最小半径为7.3试验结果的评估7.3.1特征曲线对于有效的试验数据，应通过数据处理应得到特征曲线有：转向盘角度与侧向加速度、转向盘角度、侧倾角与侧向加速度的曲线。可选择得到的特征曲线有:侧偏角与侧向加速度、驾驶室侧倾角与侧向加速度、附加汽车单元侧倾角与侧向加速度、汽车单元之间的角度与侧向加速度(针对汽车组合)。7.3.2曲线拟合根据每个转向方向3次及以上有效的试验结果，按以下要求进行曲线拟合，曲线拟合的方法应在试验报告中注明。a）对于转向盘角度与侧向加速度的曲线，建议在线性区域使用线性拟合，在非线性区域使用样条曲线拟合(如三次样条或多项式三阶拟合)，如图1所示；b）对于侧倾角与侧向加速度的曲线，建议使用线性拟合，如图2所示；c）应校正零侧向加速度的偏移值，如侧倾角与侧向侧向加速度的特征曲线，修正后零侧向加速度对应的侧倾角应为零；d）组合曲线应限制在侧向加速度范围内，其中汽车在稳态条件下行驶，并且（对于汽车速度缓慢增加的恒定半径试验）与7.2.2中规定的期望路径偏差很小。此外，建议仅使用侧向加速度大于1,0m/s2的测量值进行曲线拟合。图1转向盘转角与侧向加速度曲线拟合示例图2侧倾角与侧向加速度曲线拟合示例7.3.3梯度值应处理得到的梯度值为：转向盘角度梯度、第一汽车单元的侧倾角梯度。推荐得到的梯度值为:不足转向度、侧偏角梯度、驾驶室侧倾角梯度、附加汽车单元的侧倾角梯度。建议使用侧向加速度1～3m/s2区间的线性曲线进行拟合得到梯度值，可以从多组试验的拟合曲线(见7.3.2)中导出，也可以从每次试验梯度值的平均值中导出。8仿真分析8.1仿真方法仿真应采用与验证试验相同的方法，并在相同(或更大)的侧向加速度范围内计算。从仿真中确定的特性曲线和梯度值应与7.3所描述的评估方法相同。当针对基本汽车参数变化(如加载条件或轴距)重复进行仿真计算时，不得在仿真中更改除基本汽车参数外的其他参数。8.2数据记录仿真计算的输出应采用与验证试验相同或更高的采样率。8.3仿真报告仿真报告至少应记录：用于验证的试验方法和相应的试验条件、汽车模型的名称和版本号、汽车模型的内部名称、用作输入的文件列表和内容、硬件在环或软件在环中起连接作用的主动控制系统列表及其版本号等。9仿真与试验对比验证9.1概述对仿真计算结果的特征曲线进行对比验证时，按9.2所述方法确定7.3中得到的试验特性曲线的上边界和下边界。特性曲线的边界应从9.2中规定的侧向加速度值开始，偏移值不用于定义公差边界。因此，有必要在侧向加速度的零点通过调整测量结果给出正确的偏移值(例如，设置与正确的阿克曼转向条件相对应的转向盘转角偏移，并将侧倾角归零)。对于梯度值的对比，按9.3所述方法对模型仿真的计算结果进行验证。9.2边界点的计算9.2.1对于给定的一组侧向加速度值（X轴）和其它变量值（Y轴），则上边界的XT和YT坐标由公式(1)和式(2)计算，下边界的XB和YB坐标由公式(3)和(4)计算，其中的中间变量由公式(5)～(7)计XT=X−△Y⋅ε/DXB=X+△Y⋅ε/Dεx=Xgain⋅Xεy=Ygain⋅iYl△X——X轴变量侧向加速度ay当前数值与前一个数值点两者之间的差值(侧向加速度ay的单位是△Y——Y轴变量当前数值与前一个数值点两者之间的差值(例如转向盘转角)；εx——侧向加速度的公差，计算公式(6)中的增益取值见表3中X增益；εy——Y轴变量的公差，计算公式(7)中的增益取值见表3中Y增益。表3用于计算公差的增益Y轴变量X增益（Xgain）Y增益（Ygain）转向盘转角0.060.05表3用于计算公差的增益（续）Y轴变量X增益（Xgain）Y增益（Ygain）侧倾角0.060.08侧偏角0.060.05铰链角0.060.05注：如个别实车试验结果超出计算边界，则应调整增益值。9.2.2图3和图4分别显示了转向盘转角和侧倾角特征曲线的上下边界，根据7.3中描述的实车试验结果的曲线拟合要求，建议在高于1.0m/s2(最小0.5m/s2)的区域应用仿真公差边界，因为在非常低的侧向加速度下，测量结果通常相对不准确，并且可能受到偏移量的影响(见9.1)。标引序号说明：2——下边界；3——由试验数据拟合的特征曲线(虚线)；4——由仿真得到的特征曲线。图3转向盘转角的边界示例标引序号说明：2——下边界；3——由试验数据拟合的特征曲线(虚线)；4—