基于ADAMS的某重型牵引车操纵稳定性仿真分析

王俊伟，李海波

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



基于ADAMS的某重型牵引车操纵稳定性仿真分析

王俊伟，李海波

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：以某6×4重型牵引车为分析对象，采用ADAMS建立了整车的仿真模型，根据国标《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》，进行整车操纵稳定性仿真试验，从不同角度反映在运动过程中的稳态响应和瞬态响应，综合评价牵引车的操纵稳定性。同时，通过对牵引车的前悬架钢板弹簧刚度和整车载荷等参数参数的变化，研究了不同状态下参数的变化对操纵稳定性所造成的影响。

关键词：重型牵引车；ADAMS；操纵稳定性；仿真分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.043

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-128-04

前言

随着国内高速公路的发展，远距离大批量的物流运输给重型牵引车提供了巨大的舞台，随着客户对车辆的安全性、舒适性越来越关注，重型牵引车逐步向高端化发展。通常，所谓的高端重型牵引车，其主要特征是载荷大、速度快、功率大、经济性好、舒适性好为衡量标准。而重型牵引车的操纵稳定性是衡量整车舒适性的重要指标之一[1]。

本文将利用ADAMS软件建立某重型牵引车的整车模型，根据GB/T13047《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》在ADAMS软件中进行仿真试验，从不同角度反映汽车在运动过程中的稳态响应和瞬态响应，综合评价某重型牵引车的操纵稳定性[4]。

1、仿真模型的建立

利用多体系统动力学软件ADAMS分别建立前悬架、后悬架、动力总成、转向系统、车架、驾驶室、驾驶室悬置、轮胎等子系统，并通过“通讯器（communicators）”对各个子系统进行连接，最终建立整车的仿真模型[3]。

参数准备齐全后即可进行建模。重型牵引车的主要结构：动力总成系统、驾驶室、驾驶室悬置系统、前悬架系统、转向系统、后悬架系统、车架、鞍座等，按照车辆各部分作用不同和建模的方便将整车分成前悬架、驱动桥、轮胎、钢板弹簧、转向、驱动、车架、鞍座、驾驶室、驾驶室悬置等模块，然后建立模板，再由模板生成子系统，最后总装成整车样机（见图1）。

图1　搭建整车模型流程

2、操纵稳定性仿真分析

汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力[2]。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，所以人们称之为“高速车辆的生命线”。

本文基于GB/T13047《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》，进行某重型牵引车仿真试验，主要包括：转向盘转角阶跃输入转向瞬态响应试验、转向回正性能试验以及稳态回转试验等[6]。

2.1 转向盘转角阶跃输入仿真试验

角阶跃输入试验是为了测定汽车对转向盘转角输入时的瞬态响应，是汽车瞬态闭环响应特性的一种重要试验方法，可以综合评价汽车行驶稳定性及乘坐舒适性。该试验在一定程度上表现出汽车转向运动的综合性能。

图2　角阶跃转向下的方向盘转角

根据国标GB/T6323.2规定的方法：汽车处于满载状态，以70km/h的速度直线行驶，行驶到2秒时迅速将方向盘在0.2秒时间内从0°转到50°，然后固定方向盘不动，直至汽车再次达到稳态，稳态侧向加速度达到2m/s2，研究方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角等随时间变化曲线。仿真只按向左转方向进行一次。

仿真结果曲线如图2～图5所示，包括方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角。

图3　角阶跃转向下的横摆角速度

图4　角阶跃转向下的侧向加速度

图5　角阶跃转向下的质心侧偏角

表1　转向盘角阶跃评价结果

结论：由表1和以上几图可得，车速在70km/h时，横摆角速度响应时间、横摆角速度峰值响应时间、侧向角速度响应时间均较小，横摆角速度总方差、侧向加速度总方差较小，瞬态响应时间较好，并且质心侧偏角也比较小，说明某重型牵引车的瞬态响应性能良好。

2.2 转向回正仿真试验

转向回正试验是研究汽车瞬态响应特性的一种重要试验方法，尤其是研究汽车能否恢复直线行驶能力的一种重要试验方法，汽车的转向回正表达了汽车的自由控制运动特性，其实质是一种力阶跃输入试验。

按照国标GB/T6323.4规定，需要做低速回正和高速回正两个仿真试验。本试验在满载状态下进行，仿真只按向左转方向进行一次[6]。

（1）低速回正试验：汽车沿半径为15±1m的圆周行驶，调整车速，使侧向加速度达到4±0.2m/s2，固定转向盘转角，稳定车速并开始记录，待3s后，驾驶员突然松开转向盘并做一标记，至少记录松手后4s的汽车运动过程。

（2）高速回正试验：汽车沿试验路段以最高车速的70%直线行驶，记录各测量变量的零线。随后驾驶员转动转向盘使侧向加速度达到2±0.2 m/s2，待稳定并开始记录后，驾驶员突然松开转向盘并做一标记，至少记录松手后4s内的汽车运动过程。

仿真结果曲线如图6、图7所示，包括方向盘转角、横摆角速度（以下图中实线代表低速回正，虚线代表高速回正）。

图6　转向回正下的方向盘转角

图7　转向回正下的横摆角速度

表2　回正试验基本评价参数值

结论：从图6、图7和表2可以看出，汽车在40km/h时，残留横摆角速度低于下限值0.5°/s，回正时间较小；在高速70km／h时回正时间较小且残留横摆角速度为0.1024°/s，结果较好，高速和低速均符合国标汽车操纵稳定性指标限值与评价QC/T 480-1999的要求。

2.3 稳态回转仿真试验

稳态回转特性是表征汽车操纵稳定性的一个重要的时域响应。汽车的稳态转向特性分为三种类型：不足转向、中性转向和过多转向。操纵稳定性良好的汽车应该具有适度的不足转向特性。过多转向汽车在达到临界车速时会失去稳定性，有时很小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度，这意味着汽车的转向半径极小，汽车会发生激转而侧滑或者翻车。汽车也不应具有中性转向特性，因为中性转向汽车在使用条件变动时，有可能会变成过多转向特性。稳态回转试验就是测试汽车稳态转向特性的一种重要试验方法。

根据国标GB/T6323.6规定：汽车满载，以最低稳定车速沿所画圆周行使，达到稳定后固定转向盘不动，缓缓连续而均匀地加速（纵向加速度不超过0.25 m/s2），直至汽车的侧向加速度达到6.5 m/s2（或受发动机功率限制而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。仿真只按向左转方向进行一次。

仿真结果曲线如图8～图11所示。

图8　稳态回转下的汽车运动轨迹

图9　转向半径的比R/R0与侧向加速度关系曲线

图10　前后轮侧偏角之差与侧向加速度关系

图11　车厢侧倾角与侧向加速度关系

表3　稳态回转评价结果

结论：从图8、图9可以看出，随着侧向加速度的增加，汽车的转弯半径也随之增大，呈现明显的不足转向特性；由图10、图11和表3可知，该重型牵引车不足转向度U和车厢侧倾度Kφ均符合国标QC/T 480-1999要求，稳态回转性能较好[2]。

综上可知，通过对某重型牵引车转向角阶跃试验、稳态回转试验和转向回正试验的仿真分析，表明该重型牵引车操纵稳定性能较好。

3、操纵稳定性若干影响因素分析

影响汽车操纵稳定性的因素有很多，此次主要选取整车前悬架钢板弹簧刚度和整车载荷等参数，以操稳中比较典型的角阶跃仿真为例，通过研究仿真曲线的变化规律，来分析这些参数的变化对汽车操纵稳定性所造成的影响程度。

3.1 前悬架钢板弹簧刚度对操纵稳定性的影响

改变前板簧刚度进行三次仿真对比：

Original：原前板簧刚度；

increase：前板簧刚度增加20%；

decrease：前板簧刚度减少20%。

以下为仿真后对比曲线图12～14。

图12　前板簧不同刚度下的横摆角速度

图13　前板簧不同刚度下的侧向加速度

图14　前板簧不同刚度下的质心侧偏角

从以上几图可以看出，钢板弹簧刚度的改变对操纵稳定性有较大影响。刚度增大，横摆角速度和侧向加速度峰值和稳态值降低，同时质心侧偏角减少，从而使得响应时间缩短，整车的瞬态响应性能得到提高。刚度减少，横摆角速度和侧向加速度峰值和稳态值增加，同时质心侧偏角增大，从而导致响应时间延长，不利于整车的瞬态响应性能。

3.2 整车载荷对操纵稳定性的影响

Full：满载；

Empty：空载；

以下为仿真后对比曲线图15～16。

图15　不同载荷下的横摆角速度

图16　不同载荷下的侧向加速度

图17　不同载荷下的质心侧偏角

从图15、图16可以看出，满载时汽车横摆角速度和侧向加速度的峰值和稳态值都比空载时大，响应时间延长，从而使车辆转向时灵敏度降低，反应速度变慢。从图17可以看出，满载时质心侧偏角增大，不利于汽车行驶的稳定性[5]。

综上所述，通过分析该牵引车的前悬架钢板弹簧刚度和整车载荷等参数对操纵稳定性所造成的影响，表明：较高的前悬架板簧刚度能够提高整车的瞬态响应性能；汽车空载时的瞬态响应性能优于满载。

4、结论

本文通过ADAMS软件，搭建了某重型牵引车的整车模型，根据GB/T13047《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》进行仿真试验，通过转向盘转角阶跃输入仿真试验，转向回正仿真试验，稳态回转仿真试验，从不同角度考察了整车在运动过程中的稳态响应和瞬态响应，对某重型牵引车的操纵稳定性进行了综合评价，为重型牵引车操纵稳定性的研究与提高提供了理论依据及技术支持。

参考文献

[1] 余志生,汽车理论:第五版[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] 王望予.汽车设计:第五版[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3] 程军.车辆动力学控制的模拟[J].汽车工程,1999.21(4):199-256.

[4] 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.

[5] 林逸等.多刚体系统动力学在汽车独立悬架运动分析中的应用.汽车工程.1990年第1期.

[6] GB/T13047汽车操纵稳定性指标限值与评价方法.

The Simulation Analysis Of Controllability And Stability for a Heavy-duty Vehicle Based On ADAMS

Wang Junwei, Li Haibo
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract：According to a 6×4 heavy-duty vehicle, the simulation model was established by using the software ADAMS.The handling stability simulation test was carried out based on the national standard: Criterion thresholds and evaluation of controllability and stability for automobiles, the controllability and stability of the heavy-duty vehicle was evaluated by the stationary response and transient response of the vehicle in the movement.in the end, the influence of controllability and stability was studied by the change of the parameters of the spring stiffness of the front suspension and the load of the vehicle.

Keywords:Heavy-duty Vehicle; ADAMS; Handling Stability; Controllability and Stability; Simulation

作者简介：王俊伟，工程师，就职于江淮汽车股份有限公司。

中图分类号：U461.6

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-128-04