一种小型纯电动越野赛车操纵稳定性仿真分析

王 竞 雷 雄 邓均成

（四川工程职业技术学院，四川 德阳618000）

小型越野赛车要在岩石、沙丘、原木、陡坡、泥泞等崎岖地形和越野条件下安全行驶，因此对其操纵稳定性有很高的要求。良好的操纵稳定性充分体现了赛车的运动表现，保障赛车在动态项目中取得好成绩。在设计阶段运用多体动力学软件ADAMS 对赛车整车操纵稳定性进行仿真分析，从而获得赛车操纵稳定性能的相关影响因素，有效指导赛车设计的进一步优化与改进。

1 赛车整车模型建立

赛车是一个非常复杂的系统，建模时要忽略和简化对测量目标值影响不大的零部件，通过确定各关键零部件的连接点位置、施加各部件之间的约束副、建立各系统之间的连接端口、编辑弹性衬套、减震器、悬架弹簧等部件的特性曲线来搭建各个子系统模型。赛车整车可简化为前后悬架系统、动力系统、车身系统、轮胎系统、转向系统、制动系统7 个子系统。因形体对仿真结果没有影响，所以将车身系统简化成一个包含车身所有质量特性参数的球体，将动力系统系统简化成一个包含其所有质量特性参数的质点。

图1 赛车整车虚拟样机

将各子系统在ADAMS/Car 软件模块中联结形成整车虚拟样机，如图1 所示。整车模型组装过程中需要反复调试与修改，首先应对悬架系统进行调试，再对整车装配模型进行直线行驶、转弯行驶、加速行驶、制动行驶仿真的调试完善后，即可进行仿真分析。

2 赛车操纵稳定性仿真分析

本文以国家标准GB/T6323.6-1994 和汽车行业标准QC/T 480-1999 为参照，对赛车整车模型进行稳态回转试验和转向盘转角阶跃输入试验仿真，并对操纵稳定性进行分析。

2.1 稳态回转试验仿真分析。按照国标要求，运用已建立的整车虚拟样机仿真模型，先给方向盘一个转角，使它在转弯半径为15米的圆周行驶状态中缓慢加速，待侧向加速度值达到6.5m/s2停止仿真。输出转弯半径比R/R0、前后轴侧偏角差值α1-α2、车身侧倾角Φ 及稳定性因数K 随侧向加速度ay的变化曲线如图2-5 所示。

图2 R/R0随ay 的变化曲线

图3 α1-α2随ay 的变化曲线

图4 Φ 随ay 的变化曲线

图5 稳定性因数K 随ay 的变化曲线

从图2 和图3 可以看出，当侧向加速度大于0.4g 以后，因轮胎侧偏特性已进入非线性区域，R/R0、α1-α2与侧向加速度不再是线性关系；稳定性因素K 偏小，导致不足转向量偏小。根据稳定性因数的计算公式：

其中，a、b 为质心到前后轴的距离，K1、K2为前后轮胎的侧倾高度。因此，增大前轴荷分配比例，可以增大赛车的不足转向度；增大后轴荷的分配比例，将会减小赛车的不足转向度。要减小轴荷转移的影响，可以采用断面较宽的轮胎，提高轮胎的侧偏刚度，从而提高赛车的操纵稳定性。

2.2 转向盘角阶跃输入试验仿真分析。参照国标要求，给赛车输入转角阶跃，稳态侧向加速度从1m/s2开始，每隔0.5m/s2进行一次试验，直至达到3m/s2；让赛车以试验车速直线行驶，消除转向盘自由行程并记录各测量变量的零线，0.2-0.5s 后快速转动转向盘，达到预选位置时固定数秒，待所测变量过渡到新稳态值后停止记录。仿真结果如图6、图7 所示。

图6 左转侧向加速度（纵坐标单位g）

图7 左转横摆角速度

由以上图线可以看出，车速不变时，随着转向盘转角的增大，侧向加速度稳态值及横摆角速度稳态值增大。但是根据评分标准计算出赛车的瞬态转向特性评分值较低，赛车响应时间偏长，会使驾驶员感觉转向迟钝。因此，可通过采用具有更大侧偏刚度的后轮轮胎、适当减小赛车的整车转动惯量来减小响应时间值。

3 结论

3.1 稳态回转试验仿真结果显示，赛车的不足转向量偏小，可通过采用断面较宽的轮胎、提高轮胎的侧偏刚度来改进。

3.2 转向盘角阶跃输入试验仿真结果显示，赛车的瞬态转向特性评分值较低，可通过提高后轮的侧偏刚度、减小整车转动惯量来改进。