新型全地形车操纵稳定性评价分析

黄泽好，徐文强，孙章栋，陈卫东

(重庆理工大学 a.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室;b.重庆汽车学院，重庆 400054)

全地形车(ATV)适合所有地形，机动性强，被广泛应用于农林业、畜牧业等领域［1］。特别在军事应用中ATV不仅要运载战斗人员，而且要搭载武器装备，这就对其行驶稳定性提出了较高要求。国内ATV行业近几年才发展起步，这方面的研究尚不多，相关操纵稳定性评价标准有待制定和完善［2］。

原型ATV实车已进行相关操纵稳定性试验验证。在原型ATV实车的基础上进行设计改进，在CATIA中建立前2轮后1轮的新型ATV三维模型，进而在Adams中建立多体动力学模型，并对新型ATV进行相关操纵稳定性虚拟试验，分析稳态回转响应特性、角阶跃响应特性以及蛇行试验响应特性［3］。参考汽车操纵稳定性评价方法，对其操纵稳定性进行评价。

1 ATV动力学模型

在Adams中建立由车架、发动机、转向机构、悬架、轮胎模型和路面谱等组成的整车模型。原ATV整车多体动力学模型如图1所示，新型ATV整车多体动力学模型如图2所示。使用由Adams软件提供的适合整车操纵稳定性分析的平整路面(Flate)和柔性环轮胎模型(F-Tire)［4－7］。

2 ATV操纵稳定性分析

新型ATV主要进行转向盘角阶跃输入下的稳态响应、瞬态响应以及蛇行试验仿真，并进行比较［8－9］。

2.1 角阶跃输入下的稳态响应

新型ATV的转向特性主要由角阶跃输入下的稳态响应来进行评价。由于新型ATV后轮为链传动驱动，载荷远小于轴传动，要保证新型ATV总的驱动力与原ATV相等，在前后驱动力分配时，前驱动力为后驱动力的4倍。

根据汽车操纵稳定性指标限值与标定方法，按中性转向点的侧向加速值an、不足转向度U、车箱侧倾度Kф等3项指标进行评价计分。

虚拟试验中，在新型ATV方向把上施加30°的转向角(保证ATV转弯时轮胎侧偏角处在线性范围内)并不断加速［3］。方向盘角阶跃输入下的稳态响应运动轨迹如图3所示。

图3 方向盘角阶跃输入下的稳态响应运动轨迹

中性转向点的侧向加速度值an是指前、后桥侧偏角差值与侧向加速度关系曲线上斜率为零处的侧向加速度。如果中性转向点未出现在所测试的侧向加速度范围内，应用最小二乘法按无常数项的三次多项式拟合曲线对an进行推算。中性转向点的侧向速度an可以很容易地由转向半径比R/R0与侧向加速度的关系曲线得到，如图5、7中R/R0为1时对应的侧向加速度即为中性转向点的侧向加速度。中性转向点的侧向加速度评分值由式(1)计算，结果如表1所示。

表1 侧向加速度计分

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 m/s2处的平均斜率(纵坐标值除以横坐标值)计算，如图4、6。评价计分值按式(2)计算，结果如表2所示。

表2 不足转向度计分

车箱侧倾度K0按车箱侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2 m/s2处的平均斜率计算。如图8、9，新型摩托车为1.54，原型摩托车为1.56，均大于评分限值，因此按限值计算。评价计分值按式(3)计算，结果如表3所示。

表3 车箱侧倾度计分

ATV稳态回转试验的综合评价计分值按式(4)计算。

ATV稳态回转试验的综合评价分值Nw:新型ATV 为75.7;原型 ATV 为77.0。

2.2 方向盘角阶跃下的瞬态响应

新型ATV的操纵稳定性用转向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征。仿真试验中ATV先匀速直线行驶，在t=10 s时，将方向把急速转动至15°保证ATV轮胎侧偏角处在线性范围内，并保证方向把转角不变，测量ATV质心横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应［10－11］，如图 10所示。原型 ATV在相同条件下仿真并与新型ATV进行比较。瞬态响应下的横摆角速度如图11所示。

图10 角阶跃输入下的瞬态响应

图11 瞬态响应下的横摆角速度

根据汽车操纵稳定性指标限值与评价法得到响应评价指标数据，将侧向加速度值为2 m/s2时的汽车横摆角速度响应时间T作为角阶跃评价指标。评价计分值按式(5)计算，结果如表4所示。

表4 横摆角速度响应时间计分

角阶跃输入下的瞬态响应的综合评价分值NJ:新型ATV为76;原型ATV为64。

2.3 蛇行试验

简单模拟实车的蛇行试验如图12所示。通过测试新型ATV质心的横摆角速度并与原型ATV进行比较，评价新型ATV的转向运动性能。

图12 蛇行轨迹

按基准车速下的平均横摆角速度峰值r与平均转向盘转角峰值θ进行评价计分。由于仿真条件限制，只对横摆角速度峰值r进行评分。r由图13可得，即为图13中曲线4个峰值的绝对值的平均值［6－7］。

图13 横摆角速度响应

平均横摆角速度峰值r的计分值由式(6)计算，结果如表5所示。

表5 平均横摆角速度峰值计分

蛇行试验综合评价分值:新型ATV为81.9，原型ATV为85.1。

2.4 综合评分

根据汽车操纵稳定性指标限值和评价法，通过3个试验对新型ATV的操纵稳定性与原型车比较，总评分值

新型ATV的总评分值为77.9，原型ATV的总评分值为75.4。

3 结束语

由以上分析可以发现，圆周运动时新型ATV随着车速的提高，转向半径不断增大，不足转向度偏大，但中性转向点加速度偏小，导致稳态回转评价分值小于原型ATV。方向把角阶跃下新型ATV的瞬态响应快，瞬态响应分值大于原型ATV，对操纵稳定性有利。但蛇行试验的平均横摆角速度偏大，导致分值小于原型ATV。综合评价新型ATV的稳态回转、角阶跃输入和蛇行试验，操纵稳定性优于原型ATV。

［1］张志飞，徐中明，彭旭阳，等.全地形车操纵稳定性建模与仿真［J］.重庆大学学报:自然科学版，2009(6):620－624.

［2］施演兵，李宏波.浅谈全地形车的制动性能［J］.农业装备与车辆工程，2009(3):22－24.

［3］黄泽好，孙章栋，刘吉明，等.新型全地形车操纵稳定性仿真分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2010(6):1－4.

［4］郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高［M］.北京:械工业出版社，2002.

［5］李军，刑俊文.ADAMS实例教程［M］.北京:北京理工大学出版社，2002.

［6］王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践［M］.西安:西北工业大学出版社，2002.

［7］郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程［M］.2版.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［8］余志生.汽车理论［M］.4版.北京:机械工业出版社，2006.

［9］QC/T 480—1999，汽车操纵稳定性指标限值与评价方法［S］.

［10］汽车工程手册:摩托车篇［K］.北京:人民交通出版社，2001.

［11］喻凡，林逸.汽车系统动力学［M］.北京:机械工业出版社，2005.