汽车横风下的动力学仿真分析及横摆稳定性研究

吴帅　贾宝光　位球球　辛庆锋

摘 要：目前随着汽车行业的发展，对于汽车的稳定性能要求也越来越高。本论文以某款车型为研究对象，探讨在高速的行驶的情况下，汽车结构参数、底盘参数等20个参数对于汽车横风稳定性的影响。首先利用CFD软件计算车辆气动力系数，并通过Carsim软件建立整车动力学仿真模型，将气动力系数导入Carsim气动力学模型中。在专家工程师所设定可接受程度的参数进行动力学仿真分析，并将汽车的横摆角速度作为车辆的稳定性能指标评估。仿真结果表明，汽车前、后载荷对于横摆稳定性能影响最大，针对此款后驱车辆，前/后载荷增大，横摆稳定性能越好；风压中心位于质心或质心稍微靠后的位置，横摆角速度较小，具有较好横摆性能。

关键词：横风稳定性 动力学仿真 汽车底盘 CFD Carsim

1 前言

近些年来，新能源汽车行业快速发展，汽车稳定性能成为了研究的热点之一。同时电动汽车或混合动力汽车等创新汽车概念进一步挑战了乘用车的基本布局[1]。汽车在行驶过程中常会受到横风气流的干扰，尤其是车辆经过桥梁、涵洞、高楼等位置，车辆常常会产生较大的横摆角速度，这种情况下会较大影响车辆的舒适性和安全性，所以对于车辆横风稳定性的研究是必要的。

目前针对车辆的横风稳定性方法主要有三种：有限元分析、风洞试验、动力学分析方法。

针对有限元法和风洞试验，这两种方法主要运用于车辆气动外形的分析。M. Gohle[2]通过风洞试验分析了a柱圆角、引擎盖-挡风玻璃夹角、后盖角度参数对于车辆侧向力的影响，a柱半径较大时，横摆力矩减小；引擎盖-挡风玻璃夹角对于前轮和后轮的效果相反，夹角减小，前轮侧向力减小，但后轮侧向力增加；后盖角度会极大影响横摆力矩。王夫亮[3]针对某轿车模型，通过数值模拟和风洞试验对比气动六分力的对比，验证了利用CFD计算气动力系数的可行性，并研究横风风速对于汽车气动特性的影响。

从动力学方法来看，目前学者主要运用多自由度动力学模型。H. Noguchi[4]建立了考虑横向气动力的二自由度的车辆动力学，并与风洞试验相对比，具有较好的吻合度。这也说明了利用动力学方法分析车辆横风性能的可行性。冯永华[5]通过ADAMS动力学仿真软件建立了侧风环境下整车动力学模型，并开展了阶跃阵风条件下汽车直线的动态性能仿真，最后对某些汽车结构参数进行了灵敏度分析。吕佳琪[6]在侧风仿真分析中得出风压中心的相对于质心位置之后时，汽车会获得更好的稳定性。Jakob Huemer[7]通过车辆动力学仿真，研究了车辆基本布置参数变化和非定常气动效应力对汽车动力学横风性能影响，其中后轴载荷对于车辆横向响应灵敏度最高。Yang Wang[8]通过TruckSim仿真软件研究了横风对于箱式卡车的影响。梁宝钰[9]采用了双向耦合方法，将CFD中的气动模型与MBD多体动力学模型通过MATLAB耦合，研究了基于DYC控制下的汽车瞬态横风性能。但这种耦合方法，仿真难度较大，对计算机性能要求高，仿真效率低，难以实现对大量参数灵敏度分析。

本文首先利用CFD计算出六分力的空气动力学系数，再通过多体动力学CarSim仿真软件搭建汽车模型，对车辆参数进行进行灵敏度分析。

2 车辆横风模型

车辆模型采用了CarSim软件进行搭建整车模型，其中参数均来源于为后驱车型的结构。

其中车辆的CarSim中的空气动力学模型为

（1）

其中、、分别表示，气动阻力、气动侧向力、气动升力。、、表示气动力的相对应的气动系数，这些系数与气动流入的侧偏角相关联。其中与横风性能相关的为，它主要影响到汽车的侧偏性能。

（2）

其中、、分别表示，侧倾力矩、俯仰力矩、横摆力矩。、、表示气动力矩的相对应的气动系数，这些系数与气动流入的侧偏角相关联。其中与横风性能相关的为，它主要影响到汽车的横摆性能。

根据实际车辆结构，利用CFD软件分析得到上述的空气动力学六分力系数。如图1所示。

3 分析过程

梁宝玉等的研究[9]指出，目前对于横风性能主要从三个角度进行分析：车辆侧滑、横摆角、侧倾角，故本论文将采用从横摆角速度这个性能参数作为评估车辆结构对于横摆稳定指标。本论文的工况为：阶跃变化的横风，风速为16 m/s。车速为100kph，方向盘标定为0°开环控制。图2为Carsim仿真软件界面。图3车辆侧风模型。

主要涉及的结构参数以及设计变量的变化见表1。

针对上述结构参数的变化，通过仿真，求出各参数变化中的最大横摆角速度幅值，导入到Matlab中对同一参数，不同设计变量变化进行线性拟合，从而得到此变量对车辆性能的影响程度，下一步通过将各值与数据中影响程度最大的进行比较得到结构参数灵敏度，性能评估公式如下式3。为拟合后的横摆角速度的最大幅值，Vst。Lfit为线性拟合，LVfmax为横摆角速度线性拟合中的最大值，Syaw为横摆角速度灵敏度。

（3）

处理后的结果见图4。图中正百分比表示性能变差，负百分比表示性能变好，针对于横摆角速度，前轴载荷增大对于车辆的影响最大，其次为轮胎侧向刚度和簧下质量，AC和GC的x向变化。图5为AC和GC相对位置变化对于车辆的横摆角速度变化的影响。从仿真结果可以看出，风压中心越靠近质心时，横摆角速度越小，风压中心在质心之后，逆着风向产生横摆，相比位于质心前具有较好的横摆角性能，但如果靠后过大，横摆性能会变差。

4 结论

本文主要针对某款后驱车辆，研究了结构参数对于车俩横风性能的影响。由上述仿真结果，可以得出以下几点结论：

在横风条件下，车辆的前后轴载荷分配对于后驱车辆横风性能是关键性因素。故在结构设计初期，应该分配好前后载荷比。在轴荷比无法改变时，可以通过改进轮胎和增加簧下质量来提升横摆性能。

前轴载荷比中，实际上涉及了AC中心和GC的相对位置，当AC和质心向重合时，横摆角速度最小，故此设计车辆外型参数时，应该考虑的整车的质量分布和风压中心的位置，把AC设计在GC附近，或者靠AC之后的位置，但不宜过大。

参考文献：

[1]Haiying M， Chaopeng L， Fu W Z. Direct Yaw-Moment Control Based on Fuzzy Logic of Four Wheel Drive Vehicle under the Cross Wind[C]. International Conference on Applied Energy. 2017.

[2]Gohlke M ， Beaudoin J F ， Amielh M ，et al.Shape influence on mean forces applied on a ground vehicle under steady cross-wind[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2010，98（8-9）：386-391.

[3]王夫亮. 侧风作用下的汽车气动特性研究[D].长春：吉林大学，2009.

[4]Noguchi H. An analysis of vehicle behaviour in a cross wind[J]. International Journal of Vehicle Design，1985.

[5]冯永华. 高速汽车侧风稳定性研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[6]吕佳琪. 侧风环境下的乘用车操纵稳定性研究[D].长春：吉林大学，2015.

[7]李云宝，李森，常桂秀，等.轮胎选型的主客观评价试验方法[J].北京汽车，2023（03）：5-9.

[8]Wang Y， Hu X.Simulation of roll stability of a van in cross-wind[C]. International Conference On Advanced Design and Manufacuring Engineering . 2013.

[9]梁宝钰，汪怡平，刘珣，等.基于直接横摆力矩控制的高速车辆侧风稳定性研究[J].武汉理工大学学报，2021，43（11）：43-49+96.