基于虛擬樣機(jī)的某摩托車操縱穩(wěn)定性分析

引言

摩托車作為高速機(jī)動(dòng)車輛 ,一直是以操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、振動(dòng)舒適性等作為研究重點(diǎn)。使用多體動(dòng)力學(xué)軟件VI-Motorcycle研究大排量摩托車的操縱穩(wěn)定性 ,可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期 , 降低研發(fā)費(fèi)用 ,對我國摩托車的生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者已對摩托車行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究 ,并取得了不少成果。

whipple開創(chuàng)性地對自行車的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行了研究 , 為兩輪車輛的運(yùn)動(dòng)研究奠定了基礎(chǔ)。

Renzo等人采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMs建立車輛機(jī)械模型 ,完成車輛的"8"字形行駛試驗(yàn)和"J"形轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)。

新的本田CBR1000RR車型采用大活塞懸架技術(shù) ,這使整個(gè)減振過程更加順暢 ,在緊急制動(dòng)下 ,車手在前端感覺更穩(wěn)定。

黃澤好利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了精確的摩托車剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模型 , 并且通過優(yōu)化前后懸架剛度從而提高摩托車的行駛平順特性 。

徐中明等人利用Bikesim建立摩托車參數(shù)化模型 ,聯(lián)合Isight和Matlab對前后懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼進(jìn)行優(yōu)化 ,獲得了Pareto最優(yōu)解集。

本文通過三維數(shù)模測得某摩托車的重要結(jié)構(gòu)參數(shù),利用VI-Motorcycle建立了摩托車多體動(dòng)力學(xué)模型 ,并對摩托車高速行駛過程中受到脈沖干擾和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析 ,通過仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對其高速直線行駛時(shí)的安全性能和低速轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向性能做出合理評價(jià) , 對摩托車行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)特性研究具有一定的工程意義。

1 整車模型建立

摩托車整車模型是建模最重要的部分之一 ,模型數(shù)據(jù)來源于某國產(chǎn)大排量摩托車 ,整車主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與三維模型分別如表1和圖1所示。

1. 1 前懸架系統(tǒng)模型

摩托車的前懸架系統(tǒng)模型是整車模型最重要的系統(tǒng)模型之一 ,其結(jié)構(gòu)形式的不同會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)性能的不同。本文前懸架由上下前叉組成 ,其部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示 ,輸入相應(yīng)的模型參數(shù) ,完成如圖2所示的前懸架系統(tǒng)模型。

1.2 后懸架系統(tǒng)模型

摩托車的后懸架系統(tǒng)模型對整車模型而言也相當(dāng)重要 ,摩托車在行駛過程中 ,后懸架系統(tǒng)直接影響車輛的乘坐舒適性。本文采用搖臂式雙減震器后懸架系統(tǒng) ,其部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示 ,針對現(xiàn)有的模型參數(shù) ,建立的后懸架系統(tǒng)模型如圖3所示。

2 仿真試驗(yàn)

2. 1 脈沖仿真分析

本文通過建立的模型對車輛進(jìn)行脈沖仿真試驗(yàn) ,即車輛以120 km/h的初速度在道路上直線行駛 ,8 s時(shí)在車輛手柄施加一個(gè)最大為10 N·m的轉(zhuǎn)向力矩 ,其輸入信號如圖4所示 ,持續(xù)時(shí)間為0. 1 s ,20 s后仿真結(jié)束。

完成仿真后 ,可從圖5仿真過程中看出該摩托車在高速直線行駛時(shí)的受力情況。

圖6為該摩托車操縱穩(wěn)定性相關(guān)性能指標(biāo)參數(shù)的關(guān)系曲線。圖6(a) 、圖6(b)分別為橫向加速度和橫擺角速度與時(shí)間關(guān)系曲線 ,可看出在施加脈沖信號后 ,車輛橫向加速度和橫擺角速度上下急劇波動(dòng) ,4 s后車輛行駛趨于平穩(wěn)狀態(tài): 圖6(c) 、圖6(d)為駕駛員所需的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向力矩與時(shí)間的關(guān)系曲線 ,可看出在施加脈沖信號后 ,為了控制車輛平穩(wěn) ,駕駛員所需轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向力矩也呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài) ,4 s后車輛行駛趨于平穩(wěn)行駛狀態(tài)。

由圖6可知 ,雖然車輛需要經(jīng)過4 s才能趨于平穩(wěn)行駛狀態(tài) ,但由于車輛在受到l0 N·m的瞬態(tài)力矩時(shí) ,橫向加速度、橫擺角速度、駕駛員所需轉(zhuǎn)向角以及駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩幅值較小 , 由此判定該車型在高速直線行駛中受到脈沖干擾時(shí)穩(wěn)定性較好。

2.2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向分析

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)已被證明是評估摩托車和其他兩輪車低頻和非瞬態(tài)操縱性能的有效和定量方法。描述駕駛員控制動(dòng)作的量是轉(zhuǎn)向扭矩和駕駛員側(cè)傾角 ,在大多數(shù)情況下 ,駕駛員控制主要由轉(zhuǎn)向扭矩組成 ,而傾斜角度和車身橫向位移可被視為輔助控制輸入。

本文通過建立的整車模型與半徑為20 m的圓形道路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn) ,在該試驗(yàn)中 ,摩托車沿圓形道路等速行駛 ,如圖7所示。

扭矩傳感器記錄下駕駛員作用在摩托車方向把上的轉(zhuǎn)向扭矩、摩托車側(cè)傾角和橫向加速度。摩托車的轉(zhuǎn)向性能用側(cè)傾指數(shù)人和加速度指數(shù)人a來衡量。

側(cè)傾指數(shù)人表示車輛轉(zhuǎn)向扭矩與側(cè)傾角之間的比率, 即 :

式中:T為轉(zhuǎn)向扭矩:φ為車輛側(cè)傾角。

加速度指數(shù)人a表示車輛轉(zhuǎn)向扭矩與橫向加速度之比 , 即 :

式中:w為摩托車車速:R為圓形跑道半徑:g為重力加速度。

側(cè)傾指數(shù)或側(cè)向加速度指數(shù)越小 ,表明車輛完成等速圓周行駛所需轉(zhuǎn)向扭矩越小 , 該車型轉(zhuǎn)向比較靈活 ,轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異。

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,車速w=30km/h,轉(zhuǎn)向扭矩T=-0.4 N·m,側(cè)傾角。=223≈0.384 rad。

側(cè)傾指數(shù)大小:

加速度指數(shù)大小:

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明 , 該車型側(cè)傾指數(shù)和加速度指數(shù)較小 ,在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向性能較好。

8 結(jié)論

(1)本文基于摩托車的結(jié)構(gòu)參數(shù) ,利用多體動(dòng)力學(xué)軟件VI-motorcycle建立整車模型 ,根據(jù)駕駛員和道路對摩托車操縱穩(wěn)定性的影響 ,建立駕駛員與道路模型。

(2)對摩托車高速直線行駛受到脈沖激勵(lì)的情況進(jìn)行分析 , 該車輛的橫向加速度、橫擺角速度 、駕駛員所需轉(zhuǎn)向角以及駕駛員所需轉(zhuǎn)向力矩幅值較小 , 由此判定該車型在高速直線行駛中受到脈沖干擾時(shí)的穩(wěn)定性較好。

(3)對摩托車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析,該車輛側(cè)傾指數(shù)A=l.042N·m/rad,側(cè)向加速度指數(shù)Aa=0.llN/s2,表明在低速行駛時(shí)該車轉(zhuǎn)向靈活 ,轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異。