1 引言
隨著道路的改善,特別是高速公路的發(fā)展,汽車以120km/h或更高車速行駛的情況是常見的,F(xiàn)代轎車設(shè)計(jì)的最高車速一般都超過200km/h,特別的轎車甚至超過300km/h。因此,汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視,成為現(xiàn)代汽車的重要使用性能之一。
汽車操縱穩(wěn)定性涉及到的問題較為廣泛,它需要采用較多的物理參量從多方面進(jìn)行評(píng)價(jià),其中轉(zhuǎn)向靈敏性是汽車對(duì)轉(zhuǎn)向輸入時(shí)響應(yīng)的靈敏程度、跟隨性,是衡量汽車操縱穩(wěn)定性好壞的重要指標(biāo),轉(zhuǎn)向靈敏性好的汽車,用戶一般評(píng)價(jià)高。目前,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和汽車企業(yè)都將轉(zhuǎn)向靈敏性作為不可缺少的主客觀評(píng)價(jià)內(nèi)容。
在進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向靈敏性分析時(shí),由于涉及到的因素很多,因此關(guān)于各因素對(duì)車輛轉(zhuǎn)向靈敏性研究具有重要的意義。比如,若某因素對(duì)橫擺角速度影響較大,則在設(shè)計(jì)過程中就要嚴(yán)格加以控制,使其具有較小的波動(dòng)性,所以各因素的魯棒性設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。在工程設(shè)計(jì)階段沒有物理樣車,無法用試驗(yàn)驗(yàn)證的手段檢驗(yàn)其性能。在車輛開發(fā)過程中,運(yùn)用MSC.ADAMS軟件對(duì)車輛性能進(jìn)行仿真分析,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段充分預(yù)測(cè)車輛的性能,通過分析優(yōu)化使車輛性能得到改善,并能提升產(chǎn)品開發(fā)周期。
2 轉(zhuǎn)向靈敏性的試驗(yàn)評(píng)價(jià)
評(píng)價(jià)汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的試驗(yàn)方法有多種,一般包括:轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤脈沖輸入試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)(On Center Handling Test)、蛇行試驗(yàn)等。不同的試驗(yàn)方法其側(cè)重點(diǎn)略有不同,可根據(jù)具體實(shí)際情況選擇合適的試驗(yàn)方法。下面主要介紹轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)。
2.1轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)評(píng)價(jià)
當(dāng)車輛的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、作用在車輛上的外力或者操縱位置隨時(shí)間變化時(shí),便稱這一車輛的運(yùn)動(dòng)處于瞬態(tài),在瞬態(tài)中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。目前,常用轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗(yàn)來測(cè)定汽車對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng),是評(píng)價(jià)汽車響應(yīng)靈敏性的典型方法之一,主要用以下參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1)到達(dá)第一峰值的時(shí)間ε,圖1所示,時(shí)間越短,則駕駛者感到轉(zhuǎn)向響應(yīng)迅速、及時(shí),反之轉(zhuǎn)向遲鈍。
圖1 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)
2)橫擺角速度超調(diào)量
超調(diào)量與車輛特性、車速、阻尼有關(guān),不能太大也不能太小,太大駕駛員有種難以控制車輛的感覺,太小則靈敏性差,轎車一般推薦值為15%~20%。
3)橫擺角速度增益k
公式一 橫擺角速度增益
δs一轉(zhuǎn)向盤階躍輸入角度
ψ0一穩(wěn)態(tài)橫擺角速度
橫擺角速度增益K越大,轉(zhuǎn)向靈敏性越好,但是不能太大,避免出現(xiàn)駕駛員無意識(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤而引起車輛狀態(tài)的變化。
4)橫擺角速度的響應(yīng)時(shí)間
5)側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間
2.2轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)
轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┴S富的轉(zhuǎn)向特性信息,從中我們可以對(duì)車輛高速行駛的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),這也是一般用戶常用的評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性的方法。靈敏性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:轉(zhuǎn)向靈敏度和轉(zhuǎn)向遲滯等,圖2所示。
1)轉(zhuǎn)向靈敏度:在數(shù)值上等于側(cè)向加速度為0.1g處曲線斜率的倒數(shù),單位是g/deg,縱坐標(biāo)為方向盤轉(zhuǎn)角;
2)轉(zhuǎn)向遲滯:側(cè)向加速度在±0.1g所包圍的面積除以0.2g,縱坐標(biāo)為側(cè)向加速度,橫坐標(biāo)為方向盤轉(zhuǎn)角;
3)最小轉(zhuǎn)向靈敏度:指?jìng)?cè)向加速度±0.1g之間曲線斜率最大值的倒數(shù),通常比轉(zhuǎn)向靈敏度要小,這是由于轉(zhuǎn)向剛度具有非線性。
圖2 轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)
2.3影響汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)靈敏性的主要因素
影響汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的因素很多,主要有:
1)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比
2)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度
3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦
4)懸架K&C特性
5)整車質(zhì)量分配
6)輪距和軸距
7)輪胎側(cè)偏特性
整車質(zhì)量分配、輪距和軸距在車輛概念設(shè)計(jì)確定,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、懸架K&C特性、輪胎特性等在系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配階段確定。從以上分析可知,在概念設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮如何開展汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的設(shè)計(jì)工作。
3 轉(zhuǎn)向靈敏性的仿真分析
3.1車輛動(dòng)力學(xué)模型建立
運(yùn)用ADAMS軟件建立某款車的車輛動(dòng)力學(xué)模型,包括前懸架模型、后懸架模型、車身系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、動(dòng)力系統(tǒng)模型、輪胎模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型、穩(wěn)定桿模型等,圖3所示。
圖3 整車仿真模型
3.2轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向階躍輸入仿真分析與評(píng)價(jià)
仿真分析輸入:進(jìn)行仿真時(shí),車輛以仿真車速勻速行駛穩(wěn)定后,以最快速度轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至一定角度,并保持轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不變,使其側(cè)向加速度達(dá)到某一設(shè)定值,車速130km/h,汽車狀態(tài)為滿載。
分別改變車輛定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比、整車質(zhì)心位置、輪胎側(cè)偏剛度,進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入仿真分析,分析結(jié)果如下:
圖4 前束的改變對(duì)橫擺角速度響應(yīng)的影響
圖5 前束的改變對(duì)側(cè)向加速度響應(yīng)的影響
圖6 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的改變對(duì)橫擺角速度響應(yīng)的影響
圖7 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的改變對(duì)側(cè)向加速度響應(yīng)的影響
從仿真分析結(jié)果可知:
1)增大前束,最大橫擺角速度和最大側(cè)向加速度均有增加,但對(duì)橫擺角速度和側(cè)向加速度達(dá)到峰值時(shí)間幾乎沒有影響;
2)增大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比,橫擺角速度超調(diào)量、質(zhì)心側(cè)偏角等均增大,因而增大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比能夠改善轉(zhuǎn)向響應(yīng)的靈敏性;
3)質(zhì)心后移可提高汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性,但車輛的穩(wěn)定性有變壞的趨勢(shì);
4)增大車輪側(cè)偏剛度可改善轉(zhuǎn)向靈敏性,效果明顯。
3.3轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性仿真分析與評(píng)價(jià)
仿真分析輸入:水平路面,汽車以100km/h的速度作(近似于)正弦曲線的蛇行行駛,正弦運(yùn)動(dòng)的周期為5s,最大側(cè)向加速度為0.2g。
分別改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比、車輛定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦,進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性仿真分析,分析結(jié)果如下:
圖8 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的改變對(duì)車輛靈敏性的影響
圖9 主銷后傾角的改變對(duì)車輛靈敏性的影響
從仿真分析結(jié)果可知:
1)提高轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可以改善車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度,減少車輛反應(yīng)的遲滯時(shí)間;
2)主銷后傾角的改變,對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度、車輛反應(yīng)的遲滯時(shí)間基本沒有影響;
3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦對(duì)中心區(qū)性能影響較大,減小干摩擦可提高車輛的轉(zhuǎn)向盤路感,但同時(shí)也減小了轉(zhuǎn)向延遲時(shí)間,提高了轉(zhuǎn)向靈敏性;
4)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度的變化對(duì)中心區(qū)性能產(chǎn)生影響一方面是因?yàn)楦淖兞宿D(zhuǎn)向系統(tǒng)整體的剛度,另一方面是改變了助力效果,因此它的減小會(huì)導(dǎo)致路感的下降和反應(yīng)遲滯的增加。
4 總結(jié)
1)影響汽車轉(zhuǎn)向靈敏性的因素很多,關(guān)系復(fù)雜,應(yīng)結(jié)合整車開發(fā)目標(biāo),系統(tǒng)考慮各項(xiàng)因素,使車輛的性能達(dá)到最優(yōu)。
2)在車輛設(shè)計(jì)階段,通過分析優(yōu)化了車輛性能,提升產(chǎn)品開發(fā)周期;同樣,在車輛ET階段,仿真分析也為底盤調(diào)校匹配指明了方向,制定各種優(yōu)化方案。
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