基于Trucksim的汽车操纵稳定性仿真分析

吕鲲鹏，祝午豪

基于Trucksim的汽车操纵稳定性仿真分析

吕鲲鹏1，祝午豪2

（1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2.一汽解放青岛汽车有限公司，山东 青岛 266217）

汽车操纵稳定性研究对于保障车辆的行驶安全意义重大。文章基于Trucksim仿真平台，依据车辆具体设计参数构建合理的客车模型，在整车参数化建模后，从中选择四项与车辆侧翻密切相关的试验进行仿真验证，仿真结果符合预期、精度较高，各项参数指标符合相关规定和行车安全要求。深入研究分析仿真结果后得到各个参数对车辆操纵稳定性的影响。正确使用Trucksim仿真软件对前期的开发和后期的试验验证有着积极正向的指导意义。

Trucksim；操纵稳定性试验；整车模型；仿真平台

车辆的操稳性是客车尤其高速行驶的客车产生侧翻的最直接的影响因素，可靠的车辆操稳性能在车辆高速行驶或转弯时降低车辆的不稳定性和乘客及司机的不适感，因此，客车对操作稳定性的要求非常高。

我国在汽车动力学虚拟仿真方面的研究时间较晚，但研究成果却不少。由长安大学建立的道路交通运输工程虚拟仿真实验室，利用虚拟仿真平台，结合汽车试验场的优势资源，对“人-车-路”系统、汽车整车试验进行仿真研究[1]。刘喜东为了分析转向速度对汽车的操稳性的影响，推导出转向系统输入的前轮转角信号与相应输出之间的传递函数矩阵[2]。基于长安大学虚拟试验平台，魏朗、陈涛等人发明了汽车四轮主动转向操纵控制系统，可以有效地改善四轮汽车转向时的操纵性问题[3]。申福林开发出了大客车侧倾稳定性试验仿真评价软件。王建锋等人开发出了汽车操纵稳定性数据处理系统。

操纵稳定性的虚拟仿真试验能够在不同环境下实现整车模拟的全过程[4]，根据各项参数调整演算车辆操纵稳定性，可以节约资源，在不方便进行实际测试的极限情况下进行模拟试验，有较大的试验价值和经济意义。

1 汽车操作稳定性试验方法

汽车操纵稳定性从两个方面来研究。一是用车辆收到驾驶员指令后转向系统响应的准确程度来表征的稳定性。二是用当汽车受到路面平整度、横风等外部因素干扰时，自身的稳定性及恢复原始行驶姿态的能力来表征的稳定性。

选择转向转角阶跃试验、转向转角脉冲试验、蛇形试验及稳态回转试验这四项试验可较为全面地评价汽车操纵稳定性能，适用于多种可在公路、城市道路上行驶的车辆。本文进行操稳性试验的车辆属于二轴的M类车，适合本文选择的研究试验方法。

2 操纵稳定性仿真试验

2.1 转向盘转角阶跃试验

模型客车按照最高车速的70%四舍五入整十的倍数的车速即70 km/h为基准行驶速度，同时增设65 km/h、75 km/h的行驶速度用于分析对比，以基准速度行驶5 s后转动转向盘使得客车侧向加速度为2 m/s2，随后转向盘保持转角位置，车辆保持转向行驶，全过程共30 s。

在忽略转向盘自由行程的情况下，计算出侧向加速度为2 m/s2时，前轮转向角度为2.73°，根据名义转向比25:1，应该设置的转向盘转角为68°。同时计算出该转向盘转角下以65 km/h、 75 km/h行驶，车辆均不超过试验安全性所要求的最大侧向加速度（一般为0.4）[5]。

2.2 转向盘转角脉冲试验

本试验需要按向左转向、向右转向两个转向盘转角方向进行脉冲信号输入。将相应的工况设定在Trucksim中，车辆先以70 km/h的速度行驶5 s。在不超过4 m/s2的侧向加速度的情况下，转向盘最大转角应不超过136°，因此，选择将一个0—120—0deg的三角脉冲信号输向转向盘，其中采用0.4 s的脉宽宽度，整个试验时间为15 s。

2.3 蛇形试验

在位移和侧偏位置坐标系中输入车辆位置坐标。根据试验要求设定道路以及标桩参数，试验平坦道路附着系数为0.85。将信息输入坐标系生成10个位置图。

M3类车辆基准速度为60 km/h，标桩间距为50 m，首次试验采用基准车速的50%，然后多次试验，逐渐提高车速重复试验，最高不超过80 km/h[6]。选择50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h以及75 km/h六个车速作为试验车速[7]。

2.4 稳态回转试验

根据定转向盘转角方法，给予转向盘一固定转向角度180°，车辆从圆周轨迹某一点开始运行，初始速度为5 km/h的低稳定车速。给予车辆一大小为2.09 m/s2的向前加速度，100 s内从5 km/h匀加速至稳定车速，使侧向加速度不超过6.5 m/s2。车辆应行驶超过一个圆周以方便试验结果的观测分析。

在Trucksim中设定路径跟随沿圆周轨迹行驶。车辆行驶的过程中，参考圆周轨迹，根据实时车辆速度不断改变方向盘转角，保持车辆始终沿预定路线行驶。当转向盘转角稳定在556°时，车辆处于稳态圆周状态，此时稳定车速为32.5 km/h。

3 结构参数对操纵稳定性的作用

3.1 质心高度对操纵稳定性的影响

为探究质心高度对车辆操稳性的影响，此次试验以原车辆整车参数为基准，设定质心高度为1 200 mm，分别将质心高度降低和提高200 mm，使车辆质心高度分别为1 000 mm和1 400 mm，其他参数保持不变，然后进行转向盘转角阶跃试验，根据车辆质心侧偏角、横摆角速度以及侧倾角度这三项车辆运动参数进行客车操纵稳定性分析。

图1为三种车辆质心高度下的车辆侧倾角的仿真试验结果。其中Baseline为原整车质心高度曲线，#1和#2线分别为1 000 mm和1 400 mm质心高度曲线。

图1 三种质心高度下车辆侧倾角的仿真试验结果

随着质心高度的改变，在一定范围内车辆质心侧偏角、横摆角速度未发生明显改变，而车辆侧倾角度变化明显。对车辆侧倾角的输出结果进行数据采集，为保证数据尽量准确，选择试验中16 s～25 s等间隔的十个时间点数据，并保留3位小数见表1。

表1 不同质心高度的侧倾角度

用均值法计算稳态值以及方差。侧倾角度的平均值随质心高度升高而增大，可以推断质心高度越高，车辆侧翻可能性越大；方差较小，说明数据可以在一定程度上表示车辆的稳态响应值；方差随质心高度升高而增大，可以推断车辆质心高度越高，车身越不稳定。计算得到在质心高度为1 000 mm、1 200 mm以及1 400 mm时对应的超调量分别为0.51%、0.87%以及1.17%。

在原车辆质心高度的基础上，在不影响车辆性能和安全的前提下降低车辆质心高度可以提高车辆的操纵稳定性。

3.2 前后轴距对操纵稳定性的影响

此次试验将改变车辆的轴距，设置固定前轴位置不变，通过改变后轴至前轴距离实现轴距的变化。以原车整车参数为基准，设定前后轴距为 4 600 mm，分别缩短和增长轴距至4 400 mm和 4 800 mm，其他参数保持不变，然后进行转向盘转角阶跃试验，根据车辆质心侧偏角、横摆角速度以及侧倾角度这三项车辆运动参数进行客车操纵稳定性分析。

图2为三种车辆前后轴距下的转向盘转角阶跃试验的仿真试验结果。其中Baseline为原整车前后轴距曲线，#1和#2线分别为4 400 mm和 4 800 mm前后轴距曲线。

图2 三种前后轴距下车辆侧倾角的仿真试验结果

随着前后轴距的增加，车辆的车身质心侧偏角度、横摆角速度、侧倾角度均不同程度降低。其中对车辆侧倾角变化进行研究，采集其输出的数据，为保证数据尽量准确，选择试验中16 s～25 s等间隔的十个时间点数据，并保留3位小数见表2。

用均值法计算稳态值及方差，侧倾角度平均值随轴距增长而降低，增长轴距有利于防止车辆侧翻；方差较小，说明数据可以在一定程度上表示车辆的稳态响应值；方差随前后轴距增长而降低，故车辆前后轴距越长，车身越稳定。

计算得在前后轴距为4 400 mm、4 600 mm以及4 800 mm时，对应的超调量分别为0.98%、0.86%以及0.89%。

综上所述，在不改变前轴位置的情况下，适当增加前后轴距可以降低车辆的质心侧偏角、横摆角速度和侧倾角度，提升车辆的操纵稳定性能。

4 结论

本文阐述了汽车操纵稳定性的研究背景以及研究意义，运用整车动力学模拟仿真平台Trucksim、某型号客车的整车动力学以及各子系统的机构特性，构建客车整车参数化模型。根据相关标准，利用客车整车模型进行试验仿真研究，分析各因素对汽车操纵稳定性能的影响，并通过调整车辆的结构参数对汽车操纵稳定性能进行改进，以实现车辆结构优化、改善汽车操纵稳定性能。

[1] 苏光磊.汽车模拟器车辆动力学仿真软件的设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[2] 刘喜东,刘应东.考虑转向速度的汽车操纵稳定性分析[J].机械工程学报,2011,47(10):95-100.

[3] 魏朗,赵建有,陈涛,等.汽车四轮主动转向操纵控制系统CN201362301Y[P].2009-12-16.

[4] 龙佳庆.浅析半挂汽车列车操纵稳定性的研究[J].民营科技,2017(5):59.

[5] 袁月,张传伟,李鹏伟,等.轮毂电机驱动电动汽车协调控制系统研究[J].内燃机与配件,2019(13):21-23.

[6] 王锐,苏小平,王卫.汽车操纵稳定性中悬架特性分析与优化[J].机械设计与制造,2015(5):96-99.

[7] 刘战芳.4ws车辆的建模和控制方法的研究分析[D].合肥:合肥工业大学,2008.

Simulation Analysis of Vehicle Handling Stability Based on Trucksim

LV Kunpeng1, ZHU Wuhao2

( 1.School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China;2.Faw Jiefang Qingdao Automobile Company Limited, Qingdao 266217, China )

The research on vehicle handling stability is of great significance to ensure the driving safety of the vehicle. In this paper, based on the Trucksim simulation platform, a reasonable passenger vehicle model is constructed according to the specific design parameters of the vehicle. After the parametric modeling of the whole vehicle, four tests closely related to the vehicle rollover are selected for simulation verification. The simulation results are in line with expectations and have high precision, each parameter index conforms to relevant regulations and driving safety requirements. After in-depth research and analysis of the simulation results, the influence of each parameter on the vehicle handling stability is obtained. The appropriate use of Trucksim has positive guiding significance for the early development and later experimental verification.

Trucksim; Maneuvering stability test; Vehicle model; Simulation platform

U467.1+3

A

1671-7988(2023)03-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.024

吕鲲鹏（1998—），男，硕士研究生，研究方向为载运工具运用工程，E-mail:crankypiano@outlook.com。