第五章 汽车操纵稳定性仿真分析(5)

出。仿真后汽车的运 动轨迹如图5.42所示。

（3）车身侧倾角Ф与侧向加速度ay之间的关系曲线。根据ADAMS后处理模块中得到的车身侧倾角Ф时间历程曲线（图5.44）与侧向加速度ay时间历程曲线（图5.38）绘制出二者之间的关系曲线，如图5.45所示。

综上所述，汽车在仿真过程中表现出明显的不足转向特性，能够确保汽车在转弯行驶时具有一定的安全性，符合汽车设计的基本要求。

四、转向回正性能试验

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。

? 1.低速回正性能试验

对于汽车的低速回正性能，GB/T 6323.4-94中的相关规定如下：试验汽车先作直线行驶，并记录各测量变量的零线，然后调整转向盘转角，使汽车沿半径为15±1m的圆周行驶，调整车速，使侧向加速度达到4±0.2m/s2，此时，固定转向盘转角，稳定车速并开始记录，待3s后，驾驶员突然松开转向盘并做一标记，至少记录松手后4s内的汽车运动过程。记录时间内油门开度保持不变。

为了在ADAMS/Car模块中实现上述运动过程，需要在Steer

Release…界面中合理的设置仿真参数。在该界面中达到稳态目标的方式有两种：一种是Radius and Velocity，另一种是Acceleration and Velocity。前者可确保汽车在特定运动半径的圆形轨道上达到特定的纵向速度；后者可使汽车在运动过程中自动改变运动的轨道半径，同时达到指定的侧向加速度和纵向速度。我们选择第一种达到稳态目标的方式，即设定圆形车道的半径（Radius）为15m，纵向速度（Longitudinal Velocity）为7.75m/s。此外，还需设定直线引道（Entry Distance）的长度为10m，稳定时间（Settle Time）为2.5s。 为了检验汽车在圆形车道上是否沿着半径为15±1m的圆周以4±0.2m／s2的侧向加速度行驶，需要对仿真得到的曲线进行适当处理。汽车的转弯半径按照式（5-23）进行计算，其中，汽车的前进车速时间历程曲线和 横摆角速度时 间历程曲线分

别如图 5.49和 5.50所示。

图5.50则表明，在直线行驶、圆周行驶、撒转向盘行驶三种状态下，汽车的横摆角速度时间历程曲线表现为三种明显不同的变化趋势。根据式（5-23）求得的汽车转弯半径曲线如图 5.52所示。

图5.52表明，在2.88s~5.38s这段稳定行驶时间内，汽车转弯半径的变化范围为14.6347m~14.9684m，其变动量为0.3337m。由此可见，在仿真过程中汽车的实际转弯半径满足GB/T 6323.4-94中关于圆周半径的相关规定 。

由图5.53可知，在三种不同的行驶状态下，侧向加速度时间历程曲线也表现为三种明显不同的变化趋势，而且在2.88s~5.38s这段稳定行驶时间内，侧向加速度的变化范围为 -4.07582m/s2~ -3.91902m/s2其变动量为0.1568 m/s2，由此可见，侧向加速度满足 GB/T 6323.4-94中的相关要求 。 由图5.50可知，汽车的横摆角速度时间历程曲线是收敛型的，故可对仿真后得到的相关曲线按以下指标进行相应的处理。

? （1）时间坐标原点。所谓时间坐标原点是指松开转向盘的时刻，由图5.48可知，时间坐标原点为5.38s

? （2）稳定时间。稳定时间是指从时间坐标原点开始至横摆角速度达到新稳态值（包括零值）为止的一段时间间隔。由图5.50可知，稳定时间约为9.62s。

? （3）残留横摆角速度。残留横摆角速度是指在横摆角速度时间历程曲线上，松开转向盘3s时刻的横摆角速度值（包括零值）。由图5.50可知，残留横摆角速度为9.9503°/s。

? （4）横摆角速度超调量。横摆角速度超调量是指在横摆角速度时间历程曲线上，横摆角速度响应第一个峰值超过新稳态值的部分与初始值之比（图5.54）。由图5.50可知，横摆角速度超调量为51.7040% ? （5）横摆角速度自然频率。横摆角速度自然频率按下式确定

由图5.50得到横摆角速度响应时间历程曲线的峰峰值和两相邻波峰的时间间隔 ，将其代入式（5-7）得横摆角速度自然频率为 0.63129HZ。 ? （6）相对阻尼系数。可先由公式（5-25）求得衰减率，再由公式（5-26）求得相对阻尼系数，或求得衰减率后直接由图5.56查得相对阻尼系数。

根据前面得到的数据

可以直接计算出衰减 率为0.28707，相对 阻尼系数为 0.10709。 根据求得的衰减率的 值也可直接从图5.56 中查的相对阻尼系数 的值。由图5.56可知， 计算结果与查得的结 果相差不大。

? （7）横摆角速度总方差。横摆角速度总方差按下式确定：

求横摆角速度总方差的具体方法如下：先将横摆角速度时间历程曲线以“.tab”的格式导出，得到离散化的横摆角速度瞬时值，然后在Excel中将各瞬时值除以横摆角速度响应初始值，并对得到的计算结果进行平方。选取采样时间间隔为 则由公式 求得采样点数为 。对

内的计算结果进行求和处理，在上述结果的基础上再减去0.5，最后乘以采样时间间隔0.01s，最终得到横摆角速度总方差为0.45088s。

? 2.高速回正性能试验

GB/T 6323.4-94规定，对于最高车速超过100km/h的汽车，要进行高速回正性能试验，试验车速为被试汽车最高车速的70%并四舍五入为10的整数倍，试验方法如下：试验汽车先沿试验路段以试验车速直线行驶，记录各测量变量的零线。随后驾驶员转动转向盘使侧向加速度达到2±0.2m／s2，待稳定并开始记录后，驾驶员突然松开转向盘并做一标记，至少记录松手后4s内的汽车运动过程。记录时间内油门开度保持不变。

为了在ADAMS/Car模块中实现上述运动过程，在 Steer Release…界面中选择Acceleration and Velocity作为达到稳态目标的方式，即使汽车在运动过程中自动改变运动的轨道半径，同时达到指定的侧向加速度2±0.2m／s2和纵向速度130km/h。与低速回正性能类似，设定直线引道（Entry Distance）的长度为10m，稳定时间（Settle Time）为2.5s。

与低速回正性能类似，汽车先在直线引道上以试验车速（130km/h）作直线运动，然后转动转向盘使汽车沿某一半径的圆周行驶，并使侧

向加速度达到2±0.2m/s2，汽车开始在某一转向盘转角下以稳定的车速行驶，最后，松开转向盘，撤销转向盘上的输入信号，使汽车在没有转向盘输入的情况下自由行驶，这时，汽车偏离了原来的圆形车道，经历一段不稳定的过渡时期后，汽车最终将逐渐趋于直线行驶状态，即实现了汽车运动状态的自动回正。

从图5.59中可以看出，在汽车开始运动的极短的一段时间内转向盘的转角基本维持在0°，即汽车处于直线行驶状态，之后逐渐增大转向盘转角，使汽车由直线行驶状态逐渐过渡到匀速圆周行驶状态，待车速稳定并到达2±0.2m/s2的侧向加速度后后，去除作用在转向盘上的输入信号。最终，汽车将在0°的转向盘转角下趋于直线行驶。 虽然图5.60所示的汽车前进速度在整个仿真过程中有所波动，但其变动范围为129.0026km/h~130.1769km/h，其变动量仅为1.1743km/h，如此微小的变动量是可以接受的。

汽车的横摆角速度时间历程曲线如图5.62所示，由图5.62可以看出该曲线是收敛型的，故可对仿真后得到的相关曲线按以下指标进行相应的处理：

? （1）时间坐标原点。（7.19s ） ? （2）稳定时间。（2.32s ）

? （3）残留横摆角速度。（2.6194°/s ） ? （4）横摆角速度超调量。（62.6481%） ? （5）横摆角速度自然频率。（0.52712HZ） ? （6）相对阻尼系数。（0.65929）

以上各项指标的定义与确定方法与低速回正试验相同。 ? （7）横摆角速度总方差。

横摆角速度总方差既可以采用与低速回正性能试验相同的方法进行求解，也可以采用如下方法进行求解：先将横摆角速度时间历程曲线在ADAMS的后处理模块中进行简单的处理，例如，将该曲线整体除以横摆角速度响应初始值，再对新得到的曲线进行平方处理，然后以“.tab”的格式导出，得到相应曲线的离散化瞬时值，然后在Excel中对 内的各瞬时值进行求和处理，在上述结果的基础上再减去0.5，最后乘以采样时间间隔 （0.01s）最终得到横摆角速度总方差为2.08028s。

五、转向轻便性试验

转向轻便性试验方法是研究汽车瞬态闭环响应特性的一种重要试验

方法。驾驶员通过转向盘控制汽车的行驶方向，如果驾驶员操纵转向盘时有沉重感，便不能敏捷地转动方向盘，并且会因为劳动强度过大而容易产生疲劳；如果驾驶员操纵转向盘时有过轻的感觉，会使驾驶员产生“发飘”的感觉，从而失去“路感”，难于控制车辆的行驶方向。因此操纵转向盘时应当有一个适宜的轻重感觉，这是一辆操纵稳定性良好的汽车所必须具备的一个条件。

GB/T 6323.5-94中规定的试验方法如下：试验前驾驶员可操纵汽车沿双纽线路径行驶若干周，熟悉路径和相应操作。随后，使汽车沿双纽线中点“0”处的切线方向作直线滑行，并停车于“0”点处，停车后注意观察车轮是否处于直行位置，否则应转动转向盘进行调整。然后双手松开转向盘，记录转向盘中间位置和作用力矩的零线；试验时，驾驶员操纵转向盘，使汽车以10±2km/h的车速沿双纽线路径行驶，待车速稳定后，开始记录转向盘转角和作用力矩，并记录行驶车速作为监督参数。汽车沿双纽线绕行一周至记录起始位置，即完成一次试验，全部试验应进行三次。在测量记录过程中，驾驶员应保持车速稳定和平稳地转动转向盘，不应同时松开双手，并且在行驶中不准撞倒标桩。 进行转向轻便性试验时，汽车沿双纽线行驶，GB/T6323.5-94中规定的双纽线的极坐标方程为

轨迹上任意点的曲率半径R按下式确定：

当 时，双纽线顶点的曲率半径为最小值，即 仿真中相应参数的具体设置见表5-8。

仿真时应充分考虑整车模型的初始状态，由于ADAMS/Car中建立的整车模型在仿真开始时处于沿车辆坐标系的X轴负方向直线行驶状态，所以为了确保整车模型在仿真开始时的状态位于双纽线中点“0”处的切线方向上，应该将GB/T 6323.5-94中规定的双纽线曲线逆时针旋转45°，使旋转后的双纽线中点“0”处的切线与初始状态下车辆坐标系的X轴重合，旋转后的双纽线极坐标方程为 直角坐标方程为

双纽线方程的变换对汽车转向轻便性试验的分析没有任何影响，进行变换的目的只是为了试验分析的方便。根据直角坐标方程（5-28），在Excel中得到相应的离散化坐标值，将其以.dcd格式的文件导入到“driver_data”文件夹中，作为仿真轨迹的驱动参数文件。

为了确保车速的稳定性，仿真时设置仿真时间为70s，使汽车以

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