汽车操纵稳定性和平顺性的仿真研究
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科研训练文献阅读综述
题目：汽车操纵稳定性和平顺性的仿真研究
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基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
- 1 - 第一章 整车操纵稳定性试验仿真分析
本章节，在前悬架优化的基础上建立整车模型。整车进行转向回正试验、转向轻便性试验、稳态回转试验，并根据国标计分评价。
1.1转向回正试验仿真分析
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。国标 GB/T6323.4-94对试验做出了相关规定。低速回正试验在半径为15m圆周上侧向加速度达到4m/s^2，，然后然放松转向盘，记录汽车的状态。由于该重货车最高车速为90km/h，按照国标规定不需要进行高速转向回正试验。对于侧向加速度达不到4士0.2m/s^2的汽车，按试验汽车所能达到的最高侧向加速度进行试验。试验按向左与向右两个方向进行，每个方向三次[1].
1.1.1仿真曲线:
仿真中设定圆弧半径为15m，要达到4士0.2m/s的侧向加速度车速必须大于7.746m/s^2。左转低速转向回正试验具体仿真结果如下(右转仿真结果略):
基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
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1.1.2仿真结论:
对于虚拟样车系统，回正特性的主要参数根据国标GB/T6323.4-94规定的
转向回正试验要求计算，结果见表6-1。
1.2转向瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输入)仿真分析
瞬态转向特性是指汽车在受到外界扰动下，达到稳态状态前表现出来的特性，瞬态转向特性是汽车最重要的性能之一，是评价汽车高速行驶安全性的一个重要指标。
1.2.1试验方法:
具体做法参照国标GB/T6323.2-1994。试验车速按被测汽车最高车速的70%并四舍五入为10的整数倍确定。该重型货车最高车速为90KM/h，所以试验车速取6Okm/h。试验中转向盘转角的预选位置(输入角)，按稳态侧向加速度值基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
- 3 - 1-3m/s^2确定，从侧向加速度为lm/s^2做起，每间隔0.5m/m^2进行一次试验。汽车以试验车速直线行驶，经过一段时间，以尽快的速度(起跃时间不大于0.2s或起跃速度不低于200 /s)转动转向盘，使其达到预先选好的位置并固定数秒钟(待所测变量过渡到新稳态值)，停止记录。记录过程中保持车速不变[2]。
1.2.2试验曲线:
以下为向左转侧向加速度为2m/s^2时的转向盘转角时间历程(如图6-28)、横摆角速度响应(如图6-29)、侧向加速度响应(图6-30)、车身侧倾角响应(图6-31)、汽车质心侧偏角响应(图6-32)等曲线。
1.3转向瞬态响应试验(转向盘转角脉冲输入)仿真分析
研究汽车的瞬态转向特性除了上述的转向盘转角阶跃输入试验外还有转向盘转角脉冲输入试验。考察转向盘转角脉冲输入的幅频及相频特性可以很好的了解该车的瞬态特性。 基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
- 4 - 1.3.1具体试验方法如下:
试验车速按试验汽车最高车速70%并四舍五入为10的整数倍。该车取60km/h。汽车以试验车速直线行驶，使其横摆角速度为0士0.5( )/s。作一标一记，记下转向盘中间位置(直线行驶位置)。然后给转向盘一个三角脉冲转角输入，并迅速转回原处，直至汽车恢复到直线行驶位置。转向盘转角输入脉宽为0.3-0.5s，其最大转角应使本试验过渡过程中最大侧向加速度为4m/m^2[3]。
1.3.2试验曲线:
记录转向盘转角随时间变化曲线(见图6-43)、汽车侧向加速度响应曲线见（图6-44)及汽车横摆角速度响应曲线(见图6-45)。
1.4稳态回转试验仿真分析
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重要试验[4]。 基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
- 5 - 1.4.1试验方法:
试验是在满载工况下进行的，按照国标GB/T6323.6-94采用固定转向盘转角连续加速的方法进行稳态回转试验。试验中首先让汽车以最低稳定车速沿着半径为20米的圆周行驶，并固定方向盘不动，停车并开始记录，记下各变量的零线，然后汽车起步，缓缓而均匀地加速(纵向加速度不超过0.25m/s^2)，直至汽车达到最大侧向加速度6.5m/s^2。分别进行左转、右转两组试验[5]。
第二章 整车平顺性试验仿真分析
根据汽车行驶平顺性试验的评价分析标准，引起汽车振动的路面可以分为两种，一种是接近平稳随机的不同等级路面，其不平整主要是由于在施工和使用过程中的一些随机因素形成的，不平整状态比较均匀，例如一般的沥青路面、沙石路面。这些路面的特性可以用统计特性来描述，它的频率成分一般是很丰富的，是一种宽带随机过程。汽车平顺性随机输入行驶试验就是在这种路面上进行的。另一种路面是冲击型不平整路面或称为典型路面。在这种路面上往往出现一个或几个比较大的凸块或凹坑，这种路面不能用统计特性来描述，只能用路面的几何尺寸来描述。汽车平顺性脉冲输入行驶试验就是模拟这种工况的。
根据国标GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》，建立B级路面，分别进行50km/h、6Okm/h、70km/h三种速度下的平顺性仿真。同时,根据国标GB59OZ-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》建立典型路面并进行仿真。
2.1脉冲输入典型路面平顺性仿真试验
典型路面平顺性仿真以三角形凸块作为脉冲输入，三角形凸块的大小按GB59OZ-86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》定义，其底边长 400mm，高12Omm。汽车载荷均匀分布，在满载条件下以10-60km/h(速度曲线见图7-l)的速度通过三角形凸块。在驾驶员座椅上、车厢底板中心处以及距车厢边板、车厢后板各 300mm处的货厢底板上布置三个加速度传感器，得到相应位置的最大垂直加速度。图7-2为该车10-60km/h通过凸块的驾驶员座椅上加速度曲线图，图7-3为车速40km/h下驾驶员座椅上、车厢底板中心处以及距车厢边板、车厢后板各 300mm处的货厢底板上三个加速度传感器的垂直加速度曲线[6]。 基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
- 6 - 2.2随机输入路面平顺性仿真试验
根据国标GB/T4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》中有关路面等级的规定，建立B级路面。分别进行50km/h、60km/h、7Okm/h三种速度下的平顺性仿真。最后根据GB/T4970-1996对该车的平顺性进行了评价。加速度测量点分布在驾驶员座椅上，车厢底板中心及距车厢边板、车厢后板各300mm的车厢底板上。根据汽车设计参数调整模型，使达到设计满载状态，包括前后轴负荷分配、车身质心位置[7]。
第三章 发动机转矩管理对车辆操纵稳定性的影响
3.1 ESP系统的工作原理
车辆转向行驶时,由于轮胎横向力产生的横摆力矩使车身横摆角速度发生改变,同时也影响车身的侧偏角[8]。横摆力矩的大小依赖于车身的侧偏角,随着侧偏角的增加,横摆力矩的增益会减小,当车身侧偏角较大时,车轮转向角的改变难以影响横摆力矩的大小。这样,在轮胎与路面的极限附着下,车辆就容易失去行驶稳定性。ESP的主要功能是控制车身的侧偏角和横摆角速度在允许的限值内,最大限度地利用轮胎与路面间的附着潜能[9-10]。
ESP总体控制如图1.1所示。其上层控制是根据方向盘转角传感器以及轮速传感器等测量信号计算出汽车的名义行驶路径,即:名义质心侧偏角和横摆角速度。同时,根据方向盘转角传感器、加速度传感器、横摆角速度传感器和轮速传感器的测量信号,计算得到车辆的实际质心侧偏角和横摆角速度。ESP控制器不断地比较质心侧偏角和横摆角速度实际值与名义值的偏差,根据偏差计算出所需要的车身控制力矩并向ESP控制器发出控制指令，并通过ESP执行器作用于车辆基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
- 7 - 系统[11-14]。如下图所示：
3.1.1 ESP的应用
ESP主要在极限工况即高速、转弯、低附着情况下发挥作用。防止转向过度的后轮侧滑和转向不足的前轮侧滑，汽车左转弯，汽车所受横摆力矩方向为逆时针方向，设定逆时针方向为正[15]。假设汽车以0.2g的侧向加速度转弯，由图1.2知，汽车外前轮和内后轮是影响汽车横摆力矩效率最高的两个车轮。对外前轮②进行制动使汽车产生负的横摆力矩；而对内后轮④进行制动时汽车产生正的横摆力矩；而对于外后轮③、内前轮①制动虽然也能够产生相应的横摆力矩，但是所得到横摆力矩的值比较基于ANSYS的矿用自卸车车架结构分析及优化设计 文献综述
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因此，当汽车转弯时表现出不足转向的趋势，通过对内后轮④进行相应的制动以使汽车得到正的补充横摆力矩，减小汽车的不足转向趋势；当汽车转弯时表现出多转向的趋势，通过对外前轮②进行相应的制动可以使汽车得到负的补充横摆力矩减小汽车的过多转向的趋势。而内前轮①、外后轮③作为辅助制动车轮[16-17]。
3.1.2.ESP在突发制动时的作用
车辆直行,侧向突然出现障碍,一般在突发情况下驾驶员会紧急制动,车辆将有发生不足转向的趋势,此时,ESP将对内后轮制动,车辆沿着转向轮的输入方向行驶；随之,车辆将有可能发生过度转向的趋势,此时ESP对外前轮制动,车辆重新回到稳定状态。控制车轮的选取规则可由表1.1来表示：假定汽车左转时方向盘转角为正；右转时方向盘转角为负，而γ>0时汽车为过多转向，γ<0时汽车为不足转向，γ=0时汽车为中性转向[18]。
