基于動(dòng)力學(xué)仿真的特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法研究

李軍,苑士華,劇冬梅,李瑞英

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院,北京 100089）

基于動(dòng)力學(xué)仿真的特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法研究

李軍1,2,苑士華1,劇冬梅1,2,李瑞英2

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院,北京 100089）

為研究和制定特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法,在參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)其具體特點(diǎn),通過(guò)整車動(dòng)力學(xué)建模、操縱穩(wěn)定性仿真、仿真數(shù)據(jù)處理及計(jì)分評(píng)價(jià)等多工況全流程的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,分析確立了特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù),提出了試驗(yàn)方法。經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn),表明了試驗(yàn)方法的可行性以及通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真手段提出的試驗(yàn)方法可以滿足特種車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和計(jì)分評(píng)價(jià)要求。

兵器科學(xué)與技術(shù);特種車輛;操縱穩(wěn)定性;動(dòng)力學(xué)仿真;試驗(yàn)方法

0 引言

特種車輛一般采用6×6,8×8甚至10×10驅(qū)動(dòng)形式,整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滿載質(zhì)量大、重心位置高,同時(shí)要求具備在復(fù)雜路面上的高速機(jī)動(dòng)能力和主動(dòng)安全能力,因此對(duì)其整車性能特別是決定車輛高速行駛安全性的操縱穩(wěn)定性提出了更高的要求[1]。汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下,汽車能遵循駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛,且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí),汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[2]。根據(jù)文獻(xiàn)[3],影響車輛主動(dòng)安全性因素的依次排序?yàn)?轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)性能、直線制動(dòng)性能、轉(zhuǎn)向的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性、視見性、耐顛覆性、抗干擾性、回正性、可靠性。在這9種主要因素中,其中5種因素屬于操縱穩(wěn)定性的范疇,進(jìn)一步體現(xiàn)了操縱穩(wěn)定性對(duì)車輛主動(dòng)安全性的重要性。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的研究主要集中在轎車領(lǐng)域,其建模、仿真、試驗(yàn)、評(píng)價(jià)等方法相對(duì)成熟,并且形成了較為完善的技術(shù)體系。但在特種車輛領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)較為薄弱,由于該領(lǐng)域的特殊性,可借鑒經(jīng)驗(yàn)較少。需要根據(jù)其特點(diǎn),利用車輛動(dòng)力學(xué)仿真的優(yōu)勢(shì),通過(guò)多種工況的多次仿真,得出車輛極限安全狀態(tài),歸納和總結(jié)出適用于特種車輛的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法。

1 車輛操縱穩(wěn)定性模型的建立

本文以某型8×8驅(qū)動(dòng)型式的特種車輛為研究對(duì)象(車輛參數(shù)見表1),使用基于拉格朗日方程方法的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS創(chuàng)建整車模型[4-5]。

表1 某特種車輛主要參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of a special vehicle

整車模型由底盤模型、雙橫臂式前懸架模型(一橋、二橋)、雙橫臂式后懸架模型(三橋、四橋)、雙梯形轉(zhuǎn)向系模型、中央傳動(dòng)系模型、輪胎模型等分系統(tǒng)模型組成(見圖1)。其中:發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱模型簡(jiǎn)化為傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)扭矩輸入;駕駛員模型采用預(yù)瞄跟隨模型[6],其基本系統(tǒng)框圖見圖 2;輪胎模型采用UA模型,性能參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)獲得,試驗(yàn)測(cè)試如圖3所示。

圖1 整車模型組成圖Fig.1 Composition of full vehicle model

圖2 駕駛員預(yù)瞄跟隨模型基本結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Basic structure of pre-aim and follow driver model

圖3 輪胎參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)Fig.3 Parameter testing of tire

整車模型中共有94個(gè)物體(不包括地面)、137個(gè)約束副,整車系統(tǒng)共有24個(gè)自由度,包括底盤的6個(gè)自由度、各個(gè)懸架上下擺動(dòng)的8個(gè)自由度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個(gè)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)向系剛度自由度、傳動(dòng)系統(tǒng)中7個(gè)差速器的7個(gè)自由度和一個(gè)扭矩輸入的自由度。

2 車輛操縱穩(wěn)定性仿真和試驗(yàn)

特種車輛的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)主要包括穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向回正、轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)(方向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)和蛇形試驗(yàn)等5項(xiàng)試驗(yàn)。

2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)路徑半徑和車輛最大側(cè)向加速度,其中,穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)路徑半徑在文獻(xiàn)[7]中推薦為30 m或40 m,在文獻(xiàn)[8]中推薦15 m或20 m,回轉(zhuǎn)半徑越大,處理數(shù)據(jù)時(shí)的相對(duì)誤差就越小,我國(guó)相比國(guó)際推薦的回轉(zhuǎn)路徑小主要是受國(guó)內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)地限制所致。通過(guò)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的預(yù)仿真分析,車輛在回轉(zhuǎn)半徑分別為15 m、20 m、30 m,側(cè)向加速度分別達(dá)到2.8 m/s2、3.9 m/s2、5.2 m/s2時(shí),發(fā)生后輪側(cè)滑不穩(wěn)定現(xiàn)象。結(jié)合給定試驗(yàn)區(qū)域的場(chǎng)地情況,將車輛的回轉(zhuǎn)路徑確定為30 m.受車輛具體結(jié)構(gòu)的影響,經(jīng)過(guò)仿真分析,車輛在側(cè)向加速度不大于5 m/s2的范圍內(nèi),車輛處于穩(wěn)定狀態(tài),因此將車輛的最大側(cè)向加速度確定為5 m/s2.

以此方法為指導(dǎo)的車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真軌跡見圖4,仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖5～圖7.

圖4 車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Moving trace of vehiclein steady static circular simulation

圖5 車輛轉(zhuǎn)向半徑比特性曲線Fig.5 Curves of vehicle steering radius radio

2.2 轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是轉(zhuǎn)向路徑半徑和最大側(cè)向加速度,參照文獻(xiàn)[9],車輛在轉(zhuǎn)向路徑上需加速至側(cè)向加速度達(dá)到4±0.2 m/s2時(shí),測(cè)量車輛的響應(yīng)特性。因此,車輛的側(cè)向加速度達(dá)到4 m/s2是這項(xiàng)試驗(yàn)的關(guān)鍵,根據(jù)2.1節(jié),為了保證車輛可以安全圓周行駛至側(cè)向加速度4 m/s2,將圓周半徑確定為25 m.

圖6 前后軸側(cè)偏角差值特性曲線Fig.6 Difference between vehicle sideslip angles

圖7 車身側(cè)傾角特性曲線Fig.7 Curves of vehicle body roll angle

以此方法完成的轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)仿真軌跡見圖8,仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線,見圖9.

圖8 車輛轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Moving trace of vehicle in steering returnability simulation

2.3 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是車輛的穩(wěn)定速度和雙紐線的最小曲率半徑。參照文獻(xiàn)[10],要求車輛以10 km/h速度在最小曲率半徑為汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑1.1倍的雙紐線上行駛一周,通過(guò)轉(zhuǎn)向盤作用力矩進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性的評(píng)價(jià)。根據(jù)文獻(xiàn)[11],汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑一般是汽車軸距的2～2.5倍。本車最小轉(zhuǎn)彎半徑是其軸距的2.06倍,在此設(shè)計(jì)范圍之內(nèi),因此,其雙紐線的最小曲率半徑確定為最小轉(zhuǎn)彎半徑1.1倍,即9.5 m;經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算,車輛以10 km/h速度可以安全地在雙紐線上行駛一周,即行駛車速也可以按文獻(xiàn)[11]執(zhí)行。

圖9 車輛橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線Fig.9 Curves of vehicle yaw velocity-response time

以此方法完成的轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)仿真軌跡見圖10,仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖11.

圖10 車輛轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Moving trace of vehicle in steering efforts simulation

圖11 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向作用力矩時(shí)間歷程曲線Fig.11 Curves of vehicle steering moment-time

2.4 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)(方向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)試驗(yàn)的重要參數(shù)是試驗(yàn)車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)起躍時(shí)間、側(cè)向加速度。參照文獻(xiàn)[12],規(guī)定汽車按最高車速70%的試驗(yàn)車速直線行駛,以不大于0.2 s起躍時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至預(yù)選位置并固定,使車輛的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度達(dá)到1～3 m/s2.根據(jù)車輛性能參數(shù),確定試驗(yàn)車速為110 km/h,根據(jù)預(yù)仿真計(jì)算,轉(zhuǎn)向盤在0.2 s內(nèi)轉(zhuǎn)至57°時(shí),車輛的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度達(dá)到2 m/s2.

以此方法完成的轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階越輸入)試驗(yàn)仿真軌跡見圖12,仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖13.

圖12 車輛轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 Moving trace of vehicle in steering transient response simulation

圖13 車輛橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線Fig.13 Curve of vehicle yaw velocity-response time

2.5 蛇形試驗(yàn)仿真和試驗(yàn)

蛇形試驗(yàn)的重要參數(shù)是標(biāo)樁間距和基準(zhǔn)車速。參照文獻(xiàn)[13],規(guī)定汽車以基準(zhǔn)車速(50 km/h或60 km/h)進(jìn)入標(biāo)樁區(qū)(標(biāo)樁間距50 m),然后蛇行通過(guò)6個(gè)標(biāo)樁,記錄各測(cè)量變量的時(shí)間歷程曲線及通過(guò)有效標(biāo)樁區(qū)的時(shí)間。根據(jù)車輛的性能參數(shù),確定基準(zhǔn)車速為60 km/h.

以此方法完成的蛇形試驗(yàn)仿真軌跡見圖14,仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線見圖15和圖16.

3 車輛操縱穩(wěn)定性計(jì)分評(píng)價(jià)

圖14 車輛蛇形試驗(yàn)仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Moving trace of vehicle in pylon course slalom simulation

圖15 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角時(shí)間歷程曲線Fig.15 Curves of steering wheel angle-time

圖16 車輛橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線Fig.16 Curves of vehicle yaw velocity-response time

作為新研的特種車型,在沒有借鑒經(jīng)驗(yàn)的情況下,其操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性,因此,按照第2節(jié)確定的基本試驗(yàn)方法,首先進(jìn)行操縱穩(wěn)定性仿真,驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可行性和獲得初步的車輛性能數(shù)據(jù),然后指導(dǎo)完成車輛操縱穩(wěn)定性的實(shí)車測(cè)試。按照文獻(xiàn)[14],對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)分評(píng)價(jià),見表2.通過(guò)表2可以看出,仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)車測(cè)試計(jì)分結(jié)果基本一致,表明此方法的置信度滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié)論

1)本文建立了基于拉格朗日方程的動(dòng)力學(xué)分析整車模型,針對(duì)操縱穩(wěn)定性每項(xiàng)試驗(yàn)的特點(diǎn)和關(guān)鍵參數(shù),通過(guò)模型參數(shù)設(shè)置、多種工況仿真、每項(xiàng)試驗(yàn)計(jì)分評(píng)價(jià)等全流程工作,分析和確立了多軸特種車輛操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法。

2)經(jīng)過(guò)實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn),多軸特種車輛的操縱穩(wěn)定性仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)車測(cè)試計(jì)分結(jié)果基本一致,表明此方法的置信度滿足實(shí)際使用要求,可用于指導(dǎo)實(shí)車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)和計(jì)分評(píng)定。

表2 操縱穩(wěn)定性指標(biāo)評(píng)價(jià)(仿真結(jié)果和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果)Tab.2 Evaluation of vehicle handling and stability (simulation and test results)

3)多軸特種車輛的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)流程在參照文獻(xiàn)[8-10,12-13]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,需要調(diào)整試驗(yàn)設(shè)置參數(shù),以滿足試驗(yàn)和計(jì)分評(píng)定要求,本文從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了提出的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置方法的可行性。

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Research on Test Methods for Special Vehicle Handling and Stability Based on Dynamics Simulation

LI Jun1,2,YUAN Shi-hua1,JU Dong-mei1,2,LI Rui-ying2
(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China; 2.China Research and Development Academy of Machinery Equipment,Beijing 100089,China)

In order to study and lay down the test methods of special vehicle handling performance and stability,the test method of special vehicle handling and stability is set up by considering the characteristics of special vehicle on the basis of the test methods in GB and ISO.The key parameters of vehicle handling and stability test are determined and analyzed through special vehicle dynamics modeling,handling and stability simulation,data processing and score evaluation.Based on this method,the test of sample vehicle is completed.The test results show that the test method is feasible,and meets the test and scoring evaluation requirements of special vehicle handling and stability.

ordnance science and technology;special vehicle;handling and stability;dynamics simulation;test method

U462.3;U467.1

:A

1000-1093(2014)02-0262-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.02.019

2013-09-25

李軍(1969—),男,研究員。E-mail:lijun_cn@sina.com