某特种车辆整车动力学性能分析与评价

赵 权， 李韶华， 刘 欢， 冯桂珍

(石家庄铁道大学机械工程学院，石家庄 050043)

特种车辆一般采用 6 × 6，8 × 8甚至 10 × 10 驱动形式，整车结构复杂、满载质量大、重心位置高，同时要求具备在复杂路面上的高速机动能力和主动安全能力，因此对其整车性能、特别是决定车辆高速行驶安全性的操纵稳定性提出了更高的要求[1].汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张、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].特种车辆的工作环境非常复杂，尤其针对一些大功率、大承载能力的特种车辆来说，其操作稳定性、平顺性、安全性等的要求更是严格，因此，车辆的转弯半径小，通过性强、转向灵敏等特性也尤为重要[3].有很多国内学者对这方面进行了试验和研究，其中，彭文中[4]基于ADAMS进行了汽车操纵稳定性仿真分析与优化.李杰等[5]建立了三轴重型汽车13自由度空间刚体模型，借鉴有限元思想研究多刚体模型的建立，应用虚拟激励法进行了行驶平顺性仿真.朱延蕾[6]建立了八轴重型特种汽车15自由度平面刚体模型，分别在频域和时域内进行了路面随机激励下行驶平顺性仿真与对比，也在时域内进行了路面脉冲激励下行驶平顺性仿真等.

文中究利用车辆动力学仿真的优势，在TruckSim中建立8 × 8特种车辆整车模型，并通过典型工况的多次仿真，得到车辆动力学响应，对该车的操纵稳定性及平顺性进行评价.

1 车辆模型

文中以某型 8×8特种车辆为研究对象，采用TruckSim动力学仿真软件，搭建整车车辆模型，参数见表1.

表1 某特种车辆主要参数

TruckSim采用面向特性的参数化建模方法，定义各总成系统结构并确定相关特性参数和结构参数是建模的主要内容.基于TruckSim建立该车型的仿真模型，包括: 8 × 8特种车辆的整体外形、转向系统、制动系统、动力传动系统等.TruckSim整车模型如图1所示,整车的功率流示意图如图2所示.

图1 8 × 8特种车辆TruckSim整车模型

图2 整车的功率流示意图

2 蛇形工况仿真试验

蛇形试验能够考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，综合评价汽车行驶稳定性及乘坐舒适性.蛇形试验的重要参数是标桩间距和基准车速.参照文献[7]规定汽车以基准车速(50 km/h或60 km/h) 进入标桩区(标桩间距 50 m)，然后蛇行通过 6个标桩，记录各测量变量的时间历程曲线及通过有效标桩区的时间.

首先在普通沥青路面进行仿真试验，车速依次取50 km /h、55 km /h、60 km /h，仿真得到方向盘转角、横摆角速度、侧向加速度、质心侧偏角及车辆的运动轨迹，如图3～7示.结果表明：

1)车辆纵向速度几乎不会影响方向盘转角变化趋势，但是方向盘转动速度提高，车辆通过标杆时间缩短.当车辆纵向位移数值与标杆点坐标相等时，方向盘转角达到峰值，由于试验车轴距较长，所以方向盘在最大转角处需要保持一段微小时间.

2)横摆角速度变化趋势与方向盘转角变化趋势保持一致，随着车速的增加，横摆角速度峰值有所增加.

3)侧向加速度变化趋势与方向盘转角变化趋势相反，随着车速的增加，侧向加速度峰值有所增加.

4)车身侧倾角变化趋势与方向盘转角变化趋势相反，随着车速的增加，车身侧倾角峰值有所增加.

5)汽车能很好的按照设计标杆行驶，说明该车追随性良好.

图3 方向盘转角

图4 不同车速下的横摆角速度

图5 不同车速下的侧向加速度

图6 不同车速下的车身侧倾角

图7 不同车速下的汽车运行轨迹

根据QC/T480-1999汽车操纵稳定性指标限值与评论方法[8]对该车操纵稳定性进行评价，需要计算的指标有：平均转向盘转角、平均横摆角速度、平均车身侧倾角、平均侧向加速度.

1)平均转向盘转角

(1)

式中:θ为平均转向盘转角；θj为有效标桩区内转向盘时间历程曲线峰值.

2)平均横摆角速度

(2)

式中:r为平均横摆角速度；rj为有效标桩区内横摆角速度时间历程曲线峰值.

3)平均车身侧倾角

(3)

式中:φ为平均车身侧倾角；φj为有效标桩区内车身侧倾角时间历程曲线峰值.

4)平均侧向加速度

(4)

式中:ay为平均侧向加速度，m/s2；ayj为有效标桩区内侧向加速度时间历程曲线峰值，m/s2.

根据仿真结果计算得到各评价指标，如表2所示.

表2 不同速度下试验结果统计

以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.

1)平均横摆角速度峰值r的评价计分值按下式计算.

(5)

式中:r60为平均横摆角速度峰值的下限值，(°)/s，在此取10 (°)/s；r100为平均横摆角速度峰值的下限值，(°)/s，在此取4 (°)/s.

2)平均转向盘转角峰值θ的评价计分值按下式计算.

(6)

式中:θ60为平均转向盘转角的下限值，(°)/s，在此取180 (°)/s；θ100为平均转向盘转角峰值的下限值，(°)/s，在此取60 (°)/s.

蛇形试验的综合评价计分值按下式计算.

(7)

根据式(5)～(7)计算各评分值如表3所示.从表3可以看出，试验车蛇形试验的最终评价分值为87.77，成绩优秀.说明该试验车在闭路系统下急剧转向能力突出，同时也说明在此种急剧转向情况下乘员的舒适性和安全性良好.

表3 蛇形试验的试验评分值

3 正弦及大坡度凸起路面仿真试验

汽车行驶平顺性是指汽车在行驶过程中能保证乘员不致因车身振动而引起不舒适和疲乏的感觉，以及保持运载货物完整无损的性能[9].大量试验表明，人体在不同方向承受加速度的能力也是不同的[10].我国军用汽车平顺性没有专门的军用标准，平顺性试验方法主要参照国家标准GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》，评价指标涉及脉冲路面情况[11].考核时，车辆满载，轮胎中央充放气系统处于越野模式下.

选取不同速度下小坡度的正弦波凸起路面、大坡度的凸起路面两种工况.两种工况可用于分析脉冲路面下车辆平顺性.第1种工况是路长为40 m,波峰为150 mm的小坡度正弦波凸起路面，试验车速分别为40 km/h、 45 km/h、 50 km/h；第2种工况是坡度为35°，坡高为1.8 m的大坡度凸起路面，试验车速分别为10 km/h、 15 km/h、 18 km/h.两种工况路面如图8、图9所示.

图8 工况1：小坡度的正弦波凸起路面

图9 工况2：大坡度的凸起路面

在不同工况下测得汽车的垂向加速度、横摆角速度如图10、图11所示.

图10 第1种工况下的垂向加速度、横摆角速度

图11 第2种工况下的垂向加速度、横摆角速度

由图10-11两种工况下的仿真曲线得出，

1)工况1中,横摆角速度峰值随着速度的增加而增加，而垂向加速度其峰值变化不大，并且峰值也比较小，这说明在此工况下驾驶员不会感到不舒适和疲乏，汽车的平顺性较好.

2)工况2中,横摆角速度峰值也随着速度的增加而增加，并且速度对其影响更大，当速度为18 km/h汽车要通过坡顶时,横摆角速度急剧增大，可以预测,此时汽车可能失稳.垂向加速度峰值在不同速度下变化明显，且峰值较大，说明坡度和坡高对垂向加速度的影响显著.

3)相对来说，工况2下的垂向加速度变化更快，且峰值增大许多，说明坡度对车辆的垂向加速度和驾驶员的乘坐舒适性影响较大.

4)两种工况下的垂向加速度峰值都小于2.5g[12]，说明汽车的平顺性较好，可满足使用要求.

5 结 论

相比较于普通乘用车，特种车辆对其操作稳定性、平顺性、安全性等的要求更加严格.文中通过在不同速度下的蛇形仿真试验，测得侧向加速度、车身侧倾角、车身横摆角速度等数据，并按照国家标准对数据进行处理，得到该车的评分为优秀，说明该车的操纵稳定性较好；其次，分别在正弦波凸起路面、大坡度凸起路面两种工况下测试车辆的平顺性，通过在不同速度下的仿真得到该车的垂向加速度、车身横摆角速度仿真曲线，分析得到车速、坡度及坡高对车辆的平顺性的影响，即车速越高、坡度越陡、陡坡越高对平顺性的影响越大；通过计算试验数据，发现该车辆的平顺性较好.研究结果可为同类车型的特种车辆动力学性能评价提供参考.