虚拟样车操纵稳定性分析

1、5虚拟样车操纵稳定性分析5.1引言汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车按驾驶者通过汽车转向系及转向盘所确定的方向行驶，且当遭到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，是汽车动力学的一个重要分支。如何研究和评价汽车的操纵稳定性能，以获得良好的汽车动力学性能一直是关于汽车的最重要的课题。汽车的操纵稳定性包括相互联系的两个部分，一是操纵性；一是稳定性。操纵性是指汽车能够确切的响应驾驶员转向指令的能力。稳定性是指汽车受外界扰动（路面扰动或忽然阵风扰动）后恢复原来运动状态的能力。两者很难断然分开，稳定性的好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常通称为操纵稳定性。操纵稳定性的评价

2、也因此分为开环评价和闭环评价。所谓开环评价即是把汽车本身看作一个控制系统，分析和研究汽车的运动特性，通过表征汽车运动特性的响应参数对汽车的操纵稳定性进行评价。开环评价中，一般是给转向盘一个规则输入，测量汽车的响应参数，并以此作为评价系统好坏的指标。然后，根据系统具有良好性能的标准进行比较评价，如ESV的评价方法和ISO的试验评价方法等。闭环评价考虑到驾驶员特性与汽车特性的配合问题。对于闭环评价模型来说，就要包含汽车动力学模型、驾驶员模型和道路模型。建立驾驶员车辆闭环系统。虽然试验得到的人车闭环系统的性能能更真实地反映了汽车的操纵稳定性能，由于驾驶员模型的建立对试验结果有着较大的影响，汽车操纵稳

3、定性分析仍然离不开开环评价。在产品开发阶段，广泛应用的理论分析对象仍然只能是开环系统汽车操纵稳定性分析。在评价操纵稳定性的指标有多个方面，例如稳态转向特性、瞬态响应特性、回.正性、转向轻便性、典型行驶工况性能和极限行驶能力等。仿真时测量变量包括：汽车横摆角速度、车身侧倾角、汽车侧向加速度等。我们选择了稳态回转试验、转向盘角脉冲输入下的瞬态响应、转向轻便性三种工况下样车的反应来考察车辆模型的操纵稳定性。对于试验结果的评价。近年来许多学者提出了很多有效的评价指标，提高了评价的可靠性，本文根据郭孔辉院士在参考文献【2】提出的评分标准对样车进行评价5.2稳态回转试验稳态回转试验方法是研究汽车响应特性的

4、一种重要试验方法，稳态回转特性是车辆系统是否稳定的充分条件。汽车稳态转向特性(不足转向特性)对汽车的方向控制有非常重要的影响。过度转向性和过大的不足转向性，都会使汽车难于控制。有些汽车由于设计参数选择不当，尽管在侧向加速度很小时具有一定的不足转向，但在稍大的向心加速度下却表现出激烈的过度转向而使汽车出现意外的甩尾或激转现象，造成严重的事故。因此，对稳态转向特性的研究是汽车操纵稳定性研究的一个重要方面。国标GB/T6323.6-94对稳态回转试验进行相关规定。国标中常用的主要有两种试验方法进行稳态回转试验：固定转向盘转角的连续加速法和固定转弯半径的连续加速法。两种方法都是通过改变车速来改变侧向加

5、速度。仿真中记录汽车的横摆角速度、车速、车身侧倾角、侧向加速度、转向盘转角等值。本文采取固定转向盘转角的连续加速法来进行稳态回转分析。固定转向盘转角的连续加速法是：汽车以最低稳定速度沿所画圆周行驶，然后汽车起步，缓缓而均匀地加速（纵向加速度不超过0.25m/s），保持转向盘转角不变，侧向加速度达到6.5m/s²（或受发动机功率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）。数据处理1）转弯半径比与侧向加速度关系根据记录地横摆角速度及汽车的前进车速，用下列公式计算各点的转弯半径 （5-1）式中第i点前进车速，m/s； 第i点横摆角速度，rad/s； 第i点转弯半径，m； （

6、5-2） 第i点侧向加速度，m/s²；进而算出各点的转弯半径比（为初始半径，m），根据计算结果，绘出曲线。2）汽车前后偏差角差值（）与侧向加速度的关系汽车稳态回转时，（）用下式确定： （5-3）式中：前后轴侧偏角，（º） L汽车轴距，m根据计算结果，绘出()曲线。3）车身侧倾角与侧向加速度的关系曲线根据纪录的车身侧倾角整理出关系曲线4）根据GB/T 13047的要求，找出中性转向点的侧向加速度，不足转向度U，和车身侧倾度三个参数根据郭孔辉所著汽车操纵动力学中提出的评分标准，各指标计分如下： 1）中性转向点的侧向加速度值的评价计分值计算 （5-4）式中： 中性转向点侧向加速度

7、值的试验值， 中性转向点侧向加速度值的上限值，9.80 中性转向点侧向加速度值的下限值，5.00 当大于100时，按100分计2）不足转向度U，按前、后桥侧偏角差值与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2处的平均斜率计算，其评价计分值 （5-5）式中：U 不足转向度的试验值，（） 不足转向度的下限值，0.60（） 不足转向度的上限值，0.24（） 3）车厢侧倾度，按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2处的平均斜率计算，其评价计分值 （5-6）式中： 车厢侧倾度的试验值，（）车厢侧倾度的上限值，0.70（）车厢侧倾度的下限值，1.20（）稳态回转仿真试验 国标GB/T6323.6-94

8、规定的固定转弯半径的连续加速法与国际标准ISO4138-82稳态回转试验所规定的要求一致，本文中按6323.6-94固定转向盘转角稳态回转试验规定，仿真中汽车以最低车速开始沿初始半径为15m的圆周行驶，转向盘转角为167.8度。然后加速（加速度为250mm/）并固定转向盘转角。本试验为右转转向盘组，仿真分析结果如下：图5-1 侧向加速度响应 图5-2 车辆轨迹图5-3横摆角速度响应 图5-4侧倾角响应仿真结果分析根据GB/T6323.6-94规定，分别做出各测量值与侧向加速度曲线以考察其稳态特性。图5-5 横摆角速度响应侧向加速度曲线 图5-6 车身侧倾角侧向加速度曲线 图5-7侧偏角差侧向加

9、速度曲线 图5-8转弯半径比（）侧向加速度曲线1）车身侧倾角车身在侧向力的作用下绕侧倾轴线的转角称为车身侧倾角。车身侧倾角是和汽车操纵稳定性和平顺性有关的一个重要参数。侧倾角的数值影响到汽车的横摆角速度稳态响应和横摆角速度瞬态响应。侧倾角本身也是评定汽车操纵稳定性的一个重要指标。过大的侧倾角使驾驶员感到不稳定、不安全。同时车身侧倾引起前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面的轴线转动，引起侧倾转向。随着前、后侧倾转向的方向与数值的不同，汽车的不足转向量可能增加或减小，从而对稳态转向特性产生影响。侧倾过大的汽车，操纵稳定性较差。如果考虑到平顺性，侧倾角过小，悬架的侧倾角刚度过大，汽车一侧车轮遇到凸

10、起或凹坑时，车厢内会感受到冲击，平顺性差车身侧倾角曲线可以看出在较大的侧向加速度下，车身质心处的侧倾角较小，不容易引起侧倾转向，但可能平顺性较差。由图5-6可见，车身侧倾角随侧向加速度的变化基本呈线性变化，既不过大、也不过小，取值较为理想2）前后轴侧偏角差值前后轴侧偏角差值与侧向加速度关系曲线。从图中曲线可以看出，当侧向加速度绝对值小于3.5m/s2时，侧偏角差相对于侧向加速度为近似线性关系；当侧向加速度绝对大于3.5m/s2时，这是因为轮胎侧偏特性已进入明显的非线性区域的缘故。很多汽车在大侧向加速度下，稳态响应特性发生显著变化，不能维持圆周行驶，出现转向半径迅速增大或减小的情况。由图5-7可

11、见，图中侧偏角差与侧向加速度曲线斜率大于零，随着侧向加速度的增加，转向半径增加，汽车始终具有不足转向。3）在前轮转角一定的条件下，若令车速极低、侧向加速度接近于零时的转向半径为，而一定车速下有一定侧向加速度时的转向半径为R，则这两个半径之比可用于表征汽车的稳态响应。=1为中性转向; >1为不足转向; <1为过度转向.由图5-8中曲线可以看出，此车为不足转向，转向半径始终大于根据式（5-4）（5-5）（5-6）评价可得：1）中性转向点侧向加速度值的评价计分值=1002）不足转向度U=0.43855（），其评价计分值=89.7663）车厢侧倾度0.3492（），其评价计分值=100通过

12、以上特性曲线可以看出：该车稳态回转为不足转向，且稳态转向特性较为理想。5.3角脉冲输入仿真试验转向盘角脉冲输入试验方法是研究汽车瞬态响应特性的一种重要试验方法，尤其是研究汽车频率响应特性的一种简便试验方法。国标GB/T6323.3-94对试验做出相关规定。转向盘的角输入波形为“脉冲”型的这种试验通常用来做频率特性分析。在时间域内的评价可以用自然频率、衰减率（阻尼）或过渡过程时间和“脉冲反应时间”（输入最大点与输出最大点的时间间隔）来说明。让汽车以最高车速的70%直线行驶，然后给转向盘一个三角脉冲转角输入，并迅速转回原处保持不动。汽车以试验车速行驶。然后给转向盘一个三角脉冲，试验时向左（或向右）

13、转动转向盘，并迅速转回原处（允许及时修正）保持不动，记录全过程，直至汽车回复到直线行驶位置。转向盘转角输入脉宽为0.30.5s，其最大转角应使本试验过渡过程中最大侧向加速度为4m/s²。转动转向盘应尽量使其转角的超调量达到最小。试验过程中，保持油门开度不变。同时记录汽车的横摆角速度、车身侧倾角、侧向加速度等值。根据试验数据处理结果的平均值，按向左与向右转动转向盘分别绘制幅频特性和相频特性图，横坐标为对数坐标，亦可采用线性坐标。在汽车操纵稳定性中，常以转向盘转角为输入，汽车横摆角速度为输出的汽车横摆角速度频率响应特性来表征汽车的动特性。转向盘角脉冲输入是从频域上来对汽车进行评价的试验。

14、研究频率特性的目的在于：1）可以对瞬态特性作简单的描述；2）在不能采用转向盘角斜坡输入时，可通过频率特性进行研究，比如不均匀路面、试验场地较小时等；3）用以考察驾驶员车辆的控制回路； 对于操稳性良好的车辆，进一步的要求是：1）在很低的频率范围内，不允许出现侧向加速度振幅下降的现象，另一方面，横摆角速度振幅的峰值也不允许太大。2）幅频特性和相频特性曲线随着频率增加不允许出现急剧下降现象。3）希望幅频特性曲线能平些，共振频率高一点，通频带宽些，以保证不同工况下失真度较小，都有满意的操纵性能：同时希望相位差小些，以保证汽车有快速灵活的反应。角脉冲数据处理谐振频率的平均值，谐振峰水平D及相位滞后角按G

15、B/T 13047中确定。根据郭孔辉所著汽车操纵动力学中提出的评分标准，各指标计分如下：1） 谐振频率的评价计分值，大于100时按100分计 （5-7）式中：谐振频率的上限值，1.30Hz 谐振频率的下限值，0.70Hz转向盘转角脉冲试验中，幅频特性谐振峰时对应频率,Hz2） 谐振峰水平 （5-8）式中：处的横摆角速度增益，处的横摆角速度增益，谐振峰水平D评价计分值，大于100时按100计 （5-9）式中：谐振峰水平的下限值，5.00dB 谐振峰水平的上限值，2.00dB D 谐振峰水平的试验值，dB3）相位滞后角的评价计分值，大于100时按100分计。 （5-10）式中：相位滞后角的下限值，

16、60.0相位滞后角的上限值，20.0在输入频率为1Hz处的相位滞后角的试验值，（）4）转向盘转角脉冲输入试验的综合评价计分值 （5-11）角脉冲试验仿真根据国标GB/T6323.2-94规定的转向盘角阶跃输入试验要求，仿真中汽车以最高车速195km/H的70%140km/H为初始车速进行转向盘角阶跃输入试验仿真。脉冲宽度为0.4s，转向盘左转，转向盘最大转角为46d，转向盘转角用脉冲函数控制，仿真结果如下图。图5-9左转转向盘转角 图5-10 侧向加速度响应 图5-11 横摆角速度响应仿真结果分析在数据分析过程中，以转向盘转角为输入，汽车的横摆角速度为输出的汽车横摆角速度频率响应特性来表征汽车

17、的动特性，见图5-12。图5-12 横摆角速度频率响应特性1）稳态横摆角速度增益稳态横摆角速度增益不要太大，以免由于驾驶员无意识的轻微转动转向盘而引起车辆很大的响应。另一方面又不能太小，才不致于为了操纵车辆而要费力地，过大地转动转向盘。 联邦德国几所大学的汽车研究所通过大量转向盘阶跃试验得到如下统计数值【35】：近代轿车的横摆角速度增益为0.2-0.3（1/s）。由上图可见车辆稳态横摆角速度增益为0.23（1/s）满足要求，但共振时增益较大，达到0.5457（1/s）。2）共振峰值频率共振频率值愈高，操纵稳定性愈好。日本汽车研究所的轿车研究结果【36】：共振频率均值为1.16Hz 。该样车共振

18、频率为1.3672Hz，略高于平均值。3）共振时的增幅比，增幅比应小些。日本汽车研究所的轿车研究结果【36】：共振频率处的增幅比均值为2. 412. 51dB。该样车幅值较大，达到7.6 dB，样车瞬间稳定性较差。4) f =0.1Hz时的相位滞后角评价 f =0.1Hz时的相位滞后角，它代表缓慢转动转向盘时响应的快慢，这个数值应接近于零。由上图可以得出，该样车在f =0.1Hz时的相位滞后角满足条件。5）f =1Hz时的相位滞后角评价f =1.0Hz时的相位滞后角，它代表较快速度转动转向盘时汽车响应的快慢，其数值应小些。日本汽车研究所的轿车研究结果【36】根据式（5-7）（5-9）（5-10

19、）（5-11）要求我们可以得出结果如表。1）振频率的评价计分值100（谐振频率1.3672Hz）2）峰水平D的评价计分值25（谐振峰水平D7.6）3）相位滞后角的评价计分值97.6（相位滞后角22.4）4）综合评分74.2仿真结果表明：140km/H（GB/T6323.2-94）试验横摆角速度频响谐振频率为1.3672Hz，谐振峰水平D为7.6，相位滞后角为24.4度。该样车相位滞后角较小，由图5-11中，横摆角速度峰值响应时间为0.07s，样车具有快速灵活的反应。但该车谐振峰水平过高，稳定性较差。5.4 转向轻便性试验转向轻便性试验方法是研究汽车瞬态闭环响应特性的一种重要试验方法，综合评价汽

20、车行驶稳定性及乘坐舒适性。国标GB/T6323.5-94对试验做出相关规定。转向轻便性实验是使汽车沿双扭线做等向行驶，同时记录转向盘力矩等值。该试验通常用来评价转向盘力输入特性，特别是用来评价转向轻便性。转向轻便性实验是使汽车沿双扭线做等向行驶，同时记录转向盘力矩等值。该试验通常用来评价转向盘力输入特性，特别是用来评价转向轻便性国标GB/T6323.5-94规定的双扭线实验，双扭线的极坐标方程为： （5-12）轨迹上任意点的曲率半径R按下式确定： （5-13）当0时，双扭线顶点的曲率半径为最小值，即，双扭线的最小曲率半径按汽车的前外轮的最小转弯半径10m确定。仿真数据处理1）转向盘最大作用力

21、（5-14）式中：转向盘最大作用力矩， D 转向盘直径，0.4m2）转向盘所作的功 （5-15）式中：M(t)转向盘在t时刻的作用力矩，(t)转向盘在t时刻的转角，（） 、试验起始、终止时间3）转向盘平均摩擦力矩值 （5-16）式中：W转向盘所作的功，J 转向盘向左、向右的最大转角，（）4）转向盘平均摩擦力 （5-17）式中：转向盘平均摩擦力矩值， D 转向盘直径，0.4m根据郭孔辉所著汽车操纵动力学中提出的评分标准，各指标计分如下：1）根据转向盘平均操作力的评价计分值为： （5-18）式中：转向盘最大作用力的评价计分值 转向盘最大作用力的下限值，50N 转向盘最大作用力的上限值，15N 转向盘最大作用力的仿真值，N 2）转向盘最大操作力的评价计分值为： （5-19）式中：转向盘最大作用力的评价计分值 转向盘最大作用力的下限值，80N 转向盘最大作用力的上限值，30N 转向盘最大作用力的仿真值，N3）转向轻便性试验的综合评价计分值为： （5-20）式中： 0.6+0.08，为汽车最大总质量。转向轻便性试验仿真采用了国标GB/T6323.5-94中规定双扭线轨迹，基准车速10km/h，保