基于流入角实时变化的气动性对操纵稳定性的影响

高璐 高磊 孙礼

摘要：  为研究汽车受侧风影响时风压中心线位置对整车操纵稳定性的影响，在CCM+软件中计算不同风速和不同流入角下的气动力，获得气动力与风速和车速的合速度以及流入角的初始关系曲线。利用MATLAB和Adams/Car联合仿真，搭建空气动力学和车辆动力学的双向耦合模型，以风压中心线与质心的距离为变量进行仿真分析。结果显示，随着风压中心线由质心前方移动到质心后方：在开环仿真工况中，车辆的侧向位移会减小，但是如果风压中心线位于车辆后方超过一定的距离，车辆会在气动力产生的横摆力矩作用下向另外一侧偏移;闭环仿真工况中，当风压中心线穿过车辆质心时，由于侧向力的存在，方向盘依然需要一个很小的转角以维持直线行驶，风压中心线需要继续后移以保证方向盘稳态时的回正。

关键词：  气动性; 操纵稳定性; 双向耦合; 风压中心线; 流入角; 质心; 侧风; 联合仿真

中图分类号：  U461.1;TB115.1文献标志码：  B

收稿日期： 2020-08-04修回日期： 2021-08-31

作者简介： 高璐（1986—），女，安徽庐江人，研究方向为车辆动力学，（E-mail） 416431884@qq.comInfluence of aerodynamics on handling stability based on

real time change of inflow angle

GAO Lu， GAO Lei， SUN Li

（CAE Department， Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： To study the influence of the position of the wind pressure center line on the handling and stability of the vehicle under the influence of crosswind， the aerodynamic forces under different wind speeds and inflow angles are calculated in CCM+ software， and then the initial relationship curves of aerodynamic force with wind speed， vehicle speed and inflow angle are obtained. Using the co-simulation of MATLAB and Adams/Car， a bidirectional coupling model of air aerodynamics and vehicle dynamics is established， and the distance between the wind pressure center line and center of mass is taken as the variable for simulation analysis. The results show that， as the wind pressure center line moves from the front of the mass center to the back of the center， the lateral displacement of the vehicle will be reduced in open loop simulation， however， while the wind pressure center line is located behind the vehicle for more than a certain distance， the vehicle will offset to the other side under the yaw moment generated by aerodynamic force. In closed-loop simulation， while the wind pressure center line passes through the vehicle centroid， due to the existence of lateral force， the steering wheel still need a small angle to maintain straight driving， and the wind pressure center line needs to continue to move backward to ensure the alignment of the steering wheel in steady state.

Key words： aerodynamics; handling stability; bidirectional coupling; wind pressure center line; inflow angle; centroid; crosswind; co-simulation

0引言汽車技术的发展、新材料和新工艺的应用，以及轻量化水平的提升，导致整车轮荷降低。为满足顾客的个性化追求，汽车造型不得不在气动性方面作一些牺牲。这些改变均对整车操控产生不利影响。为研究气动性对整车操控的影响，实现在不影响整体造型风格的前提下，提出有利于车辆稳定性的建议，部分学者尝试结合空气动力学和车辆动力学研究汽车的侧风稳定性，结果表明：侧风的大小、方向和波形等变化，均会对车辆的操纵稳定性产生较大影响[1-14]。但是，这些研究只考虑风载荷变化对汽车姿态的影响，实际上，汽车行驶姿态的变化也会反过来影响汽车侧风气动特性，且风载荷距离车辆质心的位置对车辆的操纵稳定性有重要影响。本文着重于在空气动力学和车辆动力学双向耦合、相互影响下研究侧风对车辆稳定性的影响。同时，通过提取风压中心线，分析风压中心线与车辆质心的位置关系，改变气动力在Adams/Car模型中的加载位置，模拟风压中心线的移动，对风压中心线与车辆质心的距离进行变量分析，为汽车造型开发提供更加准确的量化建议。

1双向耦合联合仿真模型首先，在CCM+软件中获得气动力和力矩与车速、流入角之间的关系曲线，再将这些曲线作为二维查表，导入MATLAB与Adams/Car联合仿真模型中，通过Adamc/Car输出车速和车辆在风场中的姿态，计算出风速与车速的合速度和流入角，再通过查表读取气动力和力矩，并施加到Adams/Car模型中，形成闭环仿真。

1.1风场的定义风场主要模拟城市隔离带中间缝隙带来的侧风井喷效应，其定义示意见图1。车辆沿右侧车道向前行驶，同时车身右侧受侧风影响，具体风速设置见表1[15]。

1.2气动力和气动力矩原始数据获取通常，车辆在侧风中直线行驶时，流入角小于30°，当风速为10 m/s、车速为27.7 m/s（100 km/h）时，两者的合速度小于145 km/h。在CCM+软件中，流入角τ取0°～30°，车速取100～145 km/h进行计算，获得气动力和气动力矩与流入角以及合速度的原始关系曲线，见图2～7。将该曲线作为MATLAB和Adams/Car联合仿真模型中气动力和力矩二维查表的原始曲线。

1.3实时流入角的计算

1.3.1坐标系定义取车辆局部坐标系与Adams/Car坐标系相同，x轴指向车尾，y轴指向车身右侧，z轴垂直向上。风场绝对坐标系为：x轴由北指向南，y轴由西指向东，z轴垂直于地面向上。以上2个坐标系的绕坐标轴旋转运动均符合右手定则。

1.3.2风速和车速的夹角车辆在风场中受到的风速与车速的关系示意见图8。根据车辆在风场绝对坐标系中绕z轴的旋转角度θ和汽车的质心侧偏角β计算风速与车速的夹角α，具体计算公式[15-16]见表2。α用于计算风速和车速的合速度。

1.3.3风速和车速合速度计算根据风速和车速的夹角α以及车速和风速的大小，通过余弦定理计算风速和车速的合速度，作为联合仿真模型中气动力和力矩二维查表的输入参数之一。V2合=V2风+V2车-2V风V车cos（π-α）      （1）式中：V车为车速;V风为风速;V合为风速和车速的合速度;α为风速与车速的夹角。

1.3.4实时流入角的计算当车辆位于第一、四象限时，风速与车速合速度的流入角τ等于合速度与车速的夹角减去车辆的质心侧偏角β;当车辆位于第二、三象限时，τ等于合速度与车速的夹角加上质心侧偏角β。通过余弦定理计算合速度与车速的夹角δ，即V2风= V2合+V2车-2V合V车cos δ         （2）将流入角τ作为联合仿真模型中气动力和力矩二维查表的另外一个输入参数，其计算公式见表3。

2单向模型说明在分析侧风影响时，单向模型假设侧风始终垂直于汽车纵向，忽略行驶中汽车质心侧偏角的存在，且车速方向为沿汽车纵向，同时忽略汽车受侧风影响后发生横摆而造成流入角的变化。

3仿真工况的设计

3.1角阶跃工况单向模型和双向耦合模型的差异在角阶跃工况下，分析单向模型和双向耦合模型的差异，见图9～11。随着时间推移，单向模型和双向耦合模型中的横摆角、质心侧偏角和侧向加速度结果差异越来越大，并且有随时间增加而持续增大的趋势。具体模型结果对比见表4。

3.2基于双向耦合模型分析风压中心线和车辆质心相对位置对操纵稳定性的影响3.2.1开环仿真时直线行驶当行驶中的车辆受侧风影响时，评价无驾驶员干预情况下车辆的偏航程度，设定车速为100 km/h。为分析风压中心线位置对操纵稳定性的影响，在CCM+软件中提取风压中心线，发现车辆质心位于风压线后方553 mm、上方95 mm处。想要得到具有准确风压中心线位置的新造型非常困难，因此通过调整气动力在Adams/Car模型中的加载点模拟风压中线位置的变化。基于开环仿真和闭环仿真2个工况，评估风压中心线位置对操纵稳定性的影响。在开环仿真中，车辆行驶时风压中心线到车辆质心距离对操纵稳定性影响的分析结果见图12。

随着风压中心线后移，车辆的侧向位移在一定范围内逐渐减小，但是当风压中心线位于车辆质心后方很远处时，车辆会在气动力矩的作用下向另一侧偏移。

3.2.2闭环仿真时直线行驶当行驶中的车辆受侧风影响时，评价驾驶员通过修正方向盘维持直线行驶的难易程度。闭环仿真中车辆行驶时风压中心线位置对操纵稳定性的影响结果见图13。当风压中心线穿过车辆质心，即气动力加载点后移553 mm、上移95 mm时，虽然气动力产生的横摆力矩几乎为0，但此时侧向力仍然存在，故稳态时方向盘仍需要较小的转角以维持直线行驶，不能回正。随着风压中心线继续后移，当气动力产生的横摆力矩可以平衡侧向力时，方向盘稳态角度几乎为0，即方向盘可以回正。此时，若风压中心线继续后移，气动力产生的横摆力矩会继续增大，导致方向盘需向另一个方向给定一个角度，才能维持直线行驶，

4结论提出基于流入角实时变化的空气动力学和车辆动力学双向耦合分析方法，该方法可以更准确地反应气动力对操纵稳定性的影响程度。以风压中心线与车辆质心的相对位置为变量，分析开环仿真和闭环仿真时气动力对操纵稳定性的影响，得到以下结论。（1）随着风压中心线由质心前方移到质心后方，开环仿真时，车辆行驶的侧向位移会减小，但是如果风压中心线位于车辆后方超过一定的距离，车辆会在气动力产生的横摆力矩作用下向另外一侧偏移。（2）闭环仿真时，若风压中心线穿过车辆质心，由于侧向力的存在，方向盘依然需要一个很小的转角维持直线行驶，风压中心线需要继续后移以保证方向盘稳态时的回正，本文模型中风压中心线约位于质心后方100 mm处可实现方向盘的稳态回正。文中未考虑車辆发生小角度俯仰、侧倾时气动力的变化，而事实上车辆的俯仰和侧倾也会导致气动力和力矩变化，可以借用相似的手段进行综合分析。参考文献：

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