全承载公交客车操稳性及平顺性仿真分析

朱爱荣

摘 要：文章针对全承载公交客车，基于Adams软件，建立客车模型，对稳态回转、蛇形分析、转正回正三个工况进行操作稳定性仿真分析;建立随机不平路面模型，通过计算驾驶员处三向加速度均方根值，进行客车平顺性仿真分析。

关键词：全承载公交客车;操作稳定性;平顺性;仿真分析

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-158-03

Abstract： In this paper， a bus model is established based on Adams software for the simulation analysis of the handling stability under three conditions， namely steady-state turning， S-shaped turning analysis， and straightening and returnability. Meanwhile， a model of random uneven road surface is established for the simulation analysis of ride comfort by calculating the root mean square value of three-direction acceleration at the driver's position.

Keywords： Monocoque-based City Bus; Handling Stability; Ride comfort; Simulation analysis

CLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-158-03

前言

車辆操作稳定性和平顺性是评价整车性能指标中的两个重要指标，其中，操作稳定性是影响车辆主动安全的重要因素[1]，平顺性则直接表现为车辆行驶过程中乘客的乘坐舒适性[2]。公交客车作为主要载运乘客的汽车，乘员人数相对较多，对整车的操作稳定性和平顺性要求则更加突出。因此，在新产品的整车设计研发阶段，为缩短研发周期、提高设计水平、减少研发精力和财力投入，有需要也非常有必要利用CAE仿真分析技术，对设计方案进行理论验证。

1 客车多体模型的建立

Adams＼car软件建立模型的基本步骤为：建立硬点，建立各部件总成，建立部件总成间的约束，建立通讯器。客车结构复杂，整车建模时需进行适当的简化[3]。各子系统模型建立完成后，根据实车的装配关系进行整合，即为整车的多体模型[4]。

1.1 悬架模型的建立

硬点是建立仿真模型的基础，悬架上所有的部件及其相关约束等均以硬点为基础建立。根据硬点建立各悬架模型，转向轴悬架为非独立刚性轴结构，模型如图1所示，驱动轴悬架为整体式刚性轴结构，模型如图2所示。

1.2 横向稳定杆模型的建立

横向稳定杆，是安装在转向轴悬架中的辅助弹性元件[5]，U型金属钢管结构，通过弹性橡胶轴承分别与车身和悬架进行连接，模型如图3所示。

1.3 客车整车多体模型的建立

转向轴悬架、驱动轴悬架及横向稳定杆等零部件模型建立后，将各零部件模型与全承载车身模型进行装配，建立客车整车多体模型，如图4所示。

2 客车操纵稳定性仿真分析

整车仿真分析基本流程为：打开整车总成，设定仿真参数，执行仿真分析和图像及数据处理。

2.1 客车稳态回转仿真分析

稳态回转仿真分析是通过 “定转向变车速”的模拟试验，对客车的操作稳定性进行仿真分析的一种方法。在整个分析过程中，方向盘转角始终保持不变，车速逐步增加，直至达到客车的侧向加速度或车速的设计目标值[6]。评价指标有中性转向点的侧向加速度值、不足转向度以及车身侧倾角梯度。

以固定方向盘转角/线性变车速输入的稳态回转仿真试验，采用文件驱动（file-driven analysis）的形式完成。

仿真测试结束后，系统读取客车如下参数：行驶速度、车身侧倾角度、侧向加速度、横摆角速度以及车辆行驶轨迹，并按照GB/T 6323-2014中规定的数据处理方法，计算得到客车的转弯半径、转向/驱动轴偏角差、不足转向度以及车身侧倾角梯度等数值[7]。

根据QC/480-1999标准的评价方法，对客车中性转向点的侧向加速度值、不足转向度以及车身侧倾角梯度三项指标进行评价计分[8]，稳态回转仿真测试评分结果如表1所示。

2.2 客车蛇行仿真分析

蛇行仿真分析是通过客车沿着特定的轨迹运行，获取瞬态响应的模拟试验，不仅可以测试车辆急剧转向能力，而且还可以测试急剧转向时的安全性和舒适性[9]，评分指标有平均横摆角速度峰值和平均方向盘转角峰值。

蛇行仿真分析采用了文件驱动（file-driven analysis）的形式完成。

仿真测试结束后，系统读取客车如下参数：方向盘转角、车身侧倾角、横摆角速度以及侧向加速度，并按照GB/T 6323- 2014中规定的数据处理方法，计算得到平均方向盘转角峰值和平均横摆角速度峰值。

根据QC/480-1999标准的评价方法，对客车平均方向盘转角峰值和平均横摆角速度峰值指标进行评价计分，蛇形仿真测试评分结果如表2所示。

2.3 转向回正仿真分析

转向回正仿真分析是考察车辆由弯道进入直道的响应，为常见的工况之一，分为两个操作步骤：第一步，使车辆保持预设的侧向加速度运行;第二步，开始时放开方向盘转角，并记录车辆的响应。评分指标有残留横摆角速度和横摆角速度总方差。

转向回正仿真分析采用文件驱动（file-driven analysis）的形式完成。

仿真测试结束后，系统读取客车如下参数：行驶速度、车身侧倾角度、方向盘转角、侧向加速度以及横摆角速度等数值。并按照GB/T 6323-2014中规定的数据处理方法，计算得到残留横摆角速度和横摆角速度总方差数值。

根据QC/480-1999标准的评价方法，对客车平残留横摆角速度和横摆角速度总方差指标进行评价计分，转向回正仿真测试评分结果如表3所示。

2.4 客车操纵稳定性分析仿真小结

通过以上标准工况仿真分析，客车操作稳定性各个指标评分均满足要求。

3 整车平顺性仿真分析

3.1 随机不平路面生成

客车的平顺性仿真分析所用随机不平路面模型采用谐波叠加法构建，该方法理论基础严密，使用范围普遍，是路面不平度精度较高的一种频域模型转换方法[10]。

Adams软件构建的随机不平的路面是一个三维表面，三维表面由一系列呈三角形平面单元组成，三角形平面由各节点（Node）组成，随机不平路面原理如图5所示，图中各节点由数字1、2、3、4等表示，每个节点均x、y、z三向坐标，其中x和y两向坐标要满足特定的规律，z向坐标则单纯表示路面宽度;每个节点按特定规律组成路面单元（Element）;然后对路面单元进行静、动摩擦系数设置，即可得到真实路面模型。

3.2 随机路面输入仿真分析

考虑到公交客车一般行驶为城市道路，因此应该进行B级路面的平順性能测试。

分析采用Adams/Car自带的分析工况进行。

分析结束后，提取驾驶员处三向加速度，计算均方根值[11]，如表4所示。

3.3 整车平顺性分析仿真小结

经过计算，获得驾驶员处在不同车速下的三向加速度均方根值，通过与企标中基准车型数据进行对比分析，此款全承载公交客车的平顺性指标符合设计标准的要求，可以达到预期的性能水平。

4 结束语

本文针对某款全承载公交客车，利用Adams软件，建立各部件及整车模型，通过整车操作稳定性各工况以及平顺性的仿真分析评价，对此款公交客车的产品设计进行了理论验证，为整车的材料选择及结构设计提供了有效的理论技术支持。

参考文献

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[2] 王想亭，张瑞乾，赵峻.基于ADAMS的汽车平顺性的仿真分析[J]. 汽车实用技术，2013，（12）：8-14.

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[5] 孟杰，张凯.横向稳定杆对汽车稳态响应性能影响的仿真分析[J].常熟理工学院学报（自然科学），2012， 26（8）：70-71.

[6] 侯炜，杨亚娟，刘红领，张德超.车辆定半径稳态回转仿真实验方法研究：第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C].北京：中国力学学会，2007.

[7] 全国汽车标准化技术委员会.汽车操纵稳定性试验方法：GB/ T6323-2014[S].北京：中国标准出版社，2014：28-31.

[8] 全国汽车标准化技术委员会.汽车操纵稳定性指标限值与评价方法：QC/T480-1999[S].北京：中国标准出版社，1999：1-2.

[9] 乔邦，张才权，李静红.汽车操纵稳定性道路试验研究[J].新余学院学报，2013， 18（6）：79-81.

[10] 聂彦鑫，李孟良，过学迅，杨波.基于谐波叠加法的路面不平度重构[J].汽车科技，2009，（4）：55-58.

[11] 穆国宝，何凯欣，李家柱.汽车行驶平顺性评价方法研究及仿真分析[J].汽车科技，2012，（1）：8-11.