重型牽引車操縱穩定性優化設計

胡 宇,李海龍,葛 浩,崔慕春

(1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司,江蘇 徐州,221004;2.徐州徐工礦業機械有限公司,江蘇 徐州,221004)

因交通事故導致的死亡人數約是全球意外死亡人數的50%,而重型商用車因其自身質心高、慣性大、半掛牽引等特點容易出現側翻、甩尾等現象,導致由重型商用車引起的道路交通事故居高不下,因此如何提升重型商用車的行駛操縱穩定性具有重要的意義[1]。

同時,在“中國制造2025”、《汽車產業中長期發展規劃》,包括“一帶一路”建設等政策的推動引導下,重型商用車逐漸向綠色化、智能化、高安全舒適性等方向發展。操縱穩定性是重型牽引車行駛性能的重要評價指標之一,是重型牽引車產品的核心競爭力。

近年來,隨著電腦硬件以及數字樣機技術的發展,逐漸形成仿真正向設計開發手段。操縱穩定性相關問題的分析可以通過計算機仿真來實現。李洪雪等[2]提出一種在半掛車單軸懸架上應用的抗側傾液壓互聯系統,有效提升車輛側傾穩定性。高晉等[3]建立剛柔耦合模型分析不同彈性車架對整車操縱穩定性和平順性的影響。宗長富等[4]研究了操縱穩定性的評價指標和方法。劉振聲等[5]對操縱穩定性進行目標設定,結合優化軟件,完成了操縱穩定性指標到懸架K&C特性的分解。詹軍等[6]給出了車輛性能指標逐層分解的基本方法并通過整車動力學模型驗證了性能指標分解的可行性和正確性。

這些文獻較多地從理論上分析研究車輛的操縱穩定性,本文基于Adams建立整車數字樣機模型,結合多目標優化設計技術對牽引車的操縱穩定性進行開發設計,通過對操縱穩定性目標分解,制定部件優化方案并進行實車調校,最終樣車操縱穩定性得到大幅提升。

1 重型牽引車數字樣車模型創建

收集整車和系統質量參數,以及硬點信息、彈性元件剛度阻尼信息和動力總成信息等在Adams中建立整車模型,根據牽引車各系統之間拓撲關系,將其分為駕駛室、鋼板彈簧、懸架、輪胎、車架、動力總成、轉向機等系統。其中鋼板彈簧采用Beam梁單元法進行創建,其模型剛度特性曲線校核結果如圖1所示;車架進行柔性化處理,形成模態中性文件[3];輪胎力學測試及輪胎模型參數辨識,獲取Pac2002輪胎模型,如圖2所示;基于上述拓撲結構的整車模型如圖3所示。

圖1 鐵木辛柯梁單元鋼板彈簧及剛度曲線

圖2 輪胎力學特性測試及Pac2002輪胎模型參數辨識

圖3 整車動力學模型

1.1 建模關鍵點

創建板簧模型時,使用離散Beam梁單元方法,每片板簧使用的是空載狀態下的板簧安裝形狀,此時板簧是受載狀態,因此需要對板簧中心施加對應的預載荷,合理的預載可以有效地減少靜平衡時板簧結構壓縮導致的車輪初始轉角誤差。通過對板簧系統進行剛度仿真,將仿真結果和試驗結果對比,對板簧進行剛度補償,保證板簧精度。

牽引車使用12R22.5輪胎,對輪胎進行力學特性的測試,包括側偏側傾工況、側傾工況、縱滑工況、復合工況、徑向剛度工況、有效滾動半徑工況、側向剛度工況、縱向剛度工況以及扭轉剛度工況,將輪胎試驗數據輸入Adams輪胎擬合工具進行輪胎模型參數辨識。

在進行動力總成建模時,重型牽引車一般具有十幾個檔位,在進行穩態回轉逐漸加速時,檔位切換會對車速產生明顯的遲滯影響,進而對試驗數據存在影響,因此建模時建議使用實際動力總成參數進行設置。

2 數字樣車模型準確度驗證

為保證后續操縱穩定性優化設計模型準確性,本文開展垂向軸載荷試驗,轉向盤轉角階躍輸入試驗,轉向輕便性試驗,穩態回轉試驗,轉向盤中心區操縱穩定性試驗,樣車試驗。試驗模型如圖4所示。

圖4 操縱穩定性試驗工程樣車

2.1 垂向軸載荷校核

由于動力學模型中部分部件的質量直接從CAD模型中獲取,會造成整車的質量分布不準確。對動力學模型中整車的配重進行調節,進而保證牽引車的質心位置、各橋的載荷與實車一致?？蛰d整備質量下模型中各輪胎的載荷與試驗結果對比如圖5所示。

圖5 仿真與試驗中各輪胎載荷對比

2.2 操縱穩定性仿真與試驗結果對比

2.2.1 轉向輕便性仿真與試驗對比

轉向盤輕便性試驗中測得轉向盤力矩曲線,和仿真結果對比如圖6所示,平均方向盤力矩和最大方向盤力矩如表1所示。

圖6 轉向輕便性方向盤力矩仿真與試驗對比

表1 轉向輕便性仿真與試驗結果對比

2.2.2 穩態回轉仿真與試驗對比

以定方向盤轉角進行穩態回轉測試,車身側傾角和車身側向加速度仿真與試驗對比曲線如圖7和8所示。對試驗和仿真數據進行處理,得到牽引車的不足轉向度和車身側傾度,如表2所示。

圖7 穩態回轉車身側傾角仿真與試驗對比

圖8 穩態回轉車身側向加速度仿真與試驗對比

表2 穩態回轉仿真與試驗結果對比

牽引車不足轉向度理論計算需將三軸車等效成兩軸車,由于不足轉向度不能直接測得,參照《汽車理論》[7]可知,前后輪的側偏角為

(1)

(2)

由式(1)、(2)可知

(3)

(4)

式中：δ為前輪轉角;u為汽車前進車速;ωr為汽車橫擺角速度;β為質心側偏角;α1為前軸側偏角;α2為后軸側偏角;L為汽車軸距。

根據式(4)進行前后軸側偏角之差計算,按前、后軸側偏角差值與側向加速度關系曲線上側向加速度值為2 m/s2處的平均斜率(縱坐標值除以橫坐標值)計算不足轉向度。

2.2.4 轉向盤中心區仿真與試驗對比

按照國標進行轉向盤中心區操縱穩定性仿真,提取方向盤轉角、側向加速度、橫擺角速度、方向盤力矩數據,分析得到方向盤力矩為0時的側向加速度、側向加速度為0時的方向盤力矩梯度以及橫擺角速度增益的結果與試驗結果對比,如圖9、10和表3所示。

圖9 中心區操穩方向盤扭矩仿真與試驗對比

圖10 中心區操穩橫擺角速度仿真與試驗對比

表3 中心區操穩仿真與試驗結果對比

由以上對比分析可以看出,樣車動力學模型操縱穩定性仿真結果中的主要評價指標的仿真相對誤差大部分都在10%以內,該動力學模型可用于操縱穩定性影響因素的敏感性分析和多目標優化。

3 數字樣車操縱穩定性敏感因素分析與多目標協同優化

3.1 操縱穩定性優化工況及評價指標

參考標準GB/T 6323-2014《汽車操縱穩定性試驗方法》、QC/T 480-1999《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》,選擇操縱穩定性的分析工況及評價指標[4],如表5所示。

表5 優化分析工況及評價指標

3.2 數字樣車操縱穩定性敏感因素分析

選取車輛主要系統的彈性元件、關鍵硬點位置、輪胎特性等共計223個設計變量,10項操縱穩定性評價指標,采用優化拉丁方試驗設計方法,研究設計變量對各項指標的敏感性,篩選對指標影響貢獻度大于1%的設計變量,編制DOE矩陣表,為優化設計方向確定依據[5,6]。

3.3 數字樣車近似模型搭建及驗證

構建近似模型的方法有響應曲面、神經網絡、正交多項式、克里格模型等,以模型準確度評估確定選用近似模型構建方法,如基于上述方法無法構建精度大于90%的近似模型,則采用MATLAB工具中的遺傳算法創建回歸近似模型,以保證近似模型計算結果的準確度,兩種近似模型創建方法的準確度驗證分別如圖11所示。

圖11 基于Matlab搭建近似模型準確度檢驗

3.4 操縱穩定性多目標協同優化結果

操縱穩定性涉及多個工況和指標,是典型的多目標協同優化問題,需要解決各個目標間的沖突,進行權衡和折中,常用的多目標優化算法涉及第二代非劣排序遺傳算法、領域培植多目標遺傳算、存檔微遺傳算法等,針對本問題優化試算過程發現第二代非劣排序遺傳算法優點在于探索性能良好,可以快速找到優化解,最終確定采用第二代非劣排序遺傳算法進行整車操縱穩定性優化?；谡囀袌龆ㄎ患皩塑囁?合理設置各指標權重,基于優化方案開展實車調校,最終實現操縱穩定性各項指標協同提升,結果如表6所示[8,9]。

表6 操縱穩定性優化結果

4 結束語

本文探討了車輛動力學模型創建及板簧、輪胎、動力總成關鍵點,仿真結果與穩態回轉、轉向輕便性和中心區操穩試驗進行對標,驗證模型準確度;依據GB/T 6323和企業標準,選取5種仿真工況,10個評價指標以及223個性能參數,開展敏感因素分析以及多目標協同優化,為整車數字樣機正向開發積累共性技術及工程經驗。

通過對牽引車的操縱穩定性進行敏感因素分析,為物理樣機調教提供重要指導。通過對牽引車關鍵部件參數優化設計及實車調校,操縱穩定性指標約能提升20%以上,優于對標車水平,對車輛市場競爭力提升具有重大意義。