2.5 車輛的行駛穩定性

2.5.1 操縱穩定性

汽車的操縱穩定性是汽車最重要的使用性能之一，它包括操縱性和穩定性，是指在駕駛員不感覺過分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛員通過轉向系統及轉向車輪給定的方向（直線或轉彎）行駛；且當受到外界干擾（路不平、側風、貨物或乘客偏載）時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的性能。本節通過兩種典型的試驗工況：轉向盤轉角階躍輸入試驗和穩態回轉試驗，對汽車進行操縱穩定性試驗、仿真分析與驗證。

2.5.1.1 轉向盤角階躍輸入

評價汽車操縱穩定性有客觀評價和主觀評價兩種方法：客觀評價法是通過測試儀器測出表征性能的物理量，主觀評價法就是讓試驗評價者根據試驗時自己的感覺來進行評價，操縱穩定性常用轉向盤角階躍輸入下的瞬態響應來表征。試驗時，車輛先沿直線行駛，保持轉向盤為直線位置，然后迅速將轉向盤轉到預想位置，保持不動數秒，使汽車響應達到新的穩定狀態，試驗場地都沒有足夠的空間保證汽車在轉向盤階躍輸入改變行駛方向后從容地達到穩定狀態。依照汽車操縱穩定性試驗的相關規定，測量評價參數。利用ADAMS軟件仿真汽車的轉向盤角階躍試驗，設定75km/h的車速，轉向開始時間為2s，轉向角階躍完成過程為0.2s，穩態側向加速度為0.1g。其過程中測量的基本參數為：前輪轉向角、車身側向加速度、汽車的橫擺角速度。結束后，輸出仿真結果，對比試驗測量結果如圖2.43和圖2.44所示。

通過仿真結果與試驗結果對比分析看，二者吻合較好，即說明建立的車輛虛擬樣機仿真模型的瞬態響應特性正確且滿足精度要求。

2.5.1.2 穩態回轉

依照汽車操縱穩定性試驗的相關規定測量評價參數。利用ADAMS軟件仿真汽車的穩態回轉試驗，其過程中測量的基本參數為：汽車車速、側向加速度、橫擺角速度與車身側傾角等。結束后，輸出并處理仿真結果，對比試驗測量結果如圖2.45和圖2.46所示。

由圖2.45和圖2.46可以看出，穩態回轉仿真結果與試驗結果一致性較好，說明利用ADAMS軟件建立的汽車模型是正確的。

2.5.2 行駛平順性

汽車行駛平順性是指汽車在一般行駛速度范圍內行駛時，能保證乘員不會因車身振動而引起不舒服和疲勞的感覺，以及保持所運貨物完整無損的性能。汽車行駛平順性的評價方法，通常是根據人體對振動的生理反應及對保持貨物完整性的影響來制訂的，并用振動的物理量，如頻率、振幅、加速度、加速度變化率等作為行駛平順性的評價指標，是一個極為復雜的過程。研究汽車平順性的主要目的就是控制汽車振動系統的動態特性，使振動的“輸出”在給定工況的“輸入”下不超過一定界限，以保持乘員的舒適性。本章利用脈沖激勵與隨機路面試驗，通過ADAMS進行汽車懸架系統的仿真分析，并比較仿真結果與道路試驗結果，用以驗證并調整仿真模型。

2.5.2.1 脈沖激勵

依照汽車行駛平順性脈沖輸入行駛的試驗方法，采用長為40cm、高為12cm的單凸塊作為輸入脈沖，試驗的汽車需要進行過3000km的磨合行駛，在試驗場的強化路面上以20km/h的車速勻速通過固定好的凸塊，采集各個選定測量點的加速度測量信號，與通過仿真分析得到加速度響應的時域信號和頻域信號進行對比，如圖2.47～圖2.52所示。

將加速信號的試驗結果與仿真結果進行對比，從圖中可以看出基本一致，相符性較好。存在的高頻小峰值是由于仿真時忽略了發動機激勵而引起的，這是由于發動機激勵遠遠小于凸塊的脈沖激勵，因此在仿真時可將其忽略不計。

2.5.2.2 隨機路面

本節的路面激勵信號是采用白噪聲法產生的時域隨機激勵序。雖然路面激勵相同，車輪的時域激勵信號的功率譜密度相同，但本書建立的是三維系統仿真模型，需要對左側和右側車輪分別產生激勵信號。

1）左前輪時域隨機激勵信號。

隨機路面輸入x_g可用一階濾波白噪聲來描述：

式中，G₀為系數（路面不平度），v為車速，w為高斯分布白噪聲（零強度為1），f₀為下限截止頻率，路面輸入時間頻率是車速與空間頻率的乘積：f₀=0傳函為一個積分器形式，f₀≠0傳函是濾波器的形式。

利用Simulink產生有限帶寬白噪聲的時域信號x（t），功率譜密度為：

設另有平穩隨機過程Y的樣本函數為y（t），假定y（t）與x（t）之間關系如下：

如x（t）、y（t）的功率譜密度分別為Sx（f）和Sy（f），則必滿足：

由Sx（f）=1，只考慮數學上的意義時：

由圖2.53輸入的時域隨機激勵信號，可以生成左側時域隨機激勵信號，結果如圖2.54所示。

圖2.55中，虛線為計算曲線，實線為理論曲線，由圖可知兩者基本一致。

2）左后輪時域隨機激勵信號。

針對車輛的前后輪激勵信號，由于路面激勵相同，即功率譜密度相同，相差的只有一個時間差。描述激勵時需要考慮與時間差相關的問題，即車輛的軸距及車速。在ADAMS中激勵信號可采用以下函數表示：

前輪激勵信號函數：

后輪激勵信號函數：

式中，CUBSPL是激勵數據樣條曲線；L為軸距；v為車速；t為仿真時間。

3）右側時域隨機激勵信號。

已生成的左側時域隨機激勵信號通過傳遞函數方法，可以生成右側時域隨機激勵信號。令y₁（t）、y₂（t）、s_y1y2（f）分別為左、右側車輪的隨機序列和左右車輪的互譜函數，s_y1（f）、s_y2（f）為左、右激勵的自譜。設左右激勵之間存在一個傳遞函數G（f），則有：

考慮G（f）的幅頻特性及相頻特性。y₁（t）與y₂（t）之間存在如下的關系：

依照汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法中的規定，試驗車輛以60km/h的車速在試驗場性能路上勻速行駛，加速度傳感器布置在發動機前后懸置上、下端位置及車架前后點。對比試驗與仿真結果，如圖2.56～圖2.61所示，高頻峰值由發動機激勵產生，低頻峰值由路面激勵產生。

由圖2.56～圖2.61可以看出，試驗結果與仿真結果變化趨勢一致，可見實際車輛的試驗結果與其仿真結果基本一致，表明本書建立的仿真模型是正確的，可以用于汽車的性能評價與可靠性試驗方法優化研究。