2.5 车辆的行驶稳定性

2.5.1 操纵稳定性

汽车的操纵稳定性是汽车最重要的使用性能之一，它包括操纵性和稳定性，是指在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系统及转向车轮给定的方向（直线或转弯）行驶；且当受到外界干扰（路不平、侧风、货物或乘客偏载）时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。本节通过两种典型的试验工况：转向盘转角阶跃输入试验和稳态回转试验，对汽车进行操纵稳定性试验、仿真分析与验证。

2.5.1.1 转向盘角阶跃输入

评价汽车操纵稳定性有客观评价和主观评价两种方法：客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量，主观评价法就是让试验评价者根据试验时自己的感觉来进行评价，操纵稳定性常用转向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征。试验时，车辆先沿直线行驶，保持转向盘为直线位置，然后迅速将转向盘转到预想位置，保持不动数秒，使汽车响应达到新的稳定状态，试验场地都没有足够的空间保证汽车在转向盘阶跃输入改变行驶方向后从容地达到稳定状态。依照汽车操纵稳定性试验的相关规定，测量评价参数。利用ADAMS软件仿真汽车的转向盘角阶跃试验，设定75km/h的车速，转向开始时间为2s，转向角阶跃完成过程为0.2s，稳态侧向加速度为0.1g。其过程中测量的基本参数为：前轮转向角、车身侧向加速度、汽车的横摆角速度。结束后，输出仿真结果，对比试验测量结果如图2.43和图2.44所示。

通过仿真结果与试验结果对比分析看，二者吻合较好，即说明建立的车辆虚拟样机仿真模型的瞬态响应特性正确且满足精度要求。

2.5.1.2 稳态回转

依照汽车操纵稳定性试验的相关规定测量评价参数。利用ADAMS软件仿真汽车的稳态回转试验，其过程中测量的基本参数为：汽车车速、侧向加速度、横摆角速度与车身侧倾角等。结束后，输出并处理仿真结果，对比试验测量结果如图2.45和图2.46所示。

由图2.45和图2.46可以看出，稳态回转仿真结果与试验结果一致性较好，说明利用ADAMS软件建立的汽车模型是正确的。

2.5.2 行驶平顺性

汽车行驶平顺性是指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，能保证乘员不会因车身振动而引起不舒服和疲劳的感觉，以及保持所运货物完整无损的性能。汽车行驶平顺性的评价方法，通常是根据人体对振动的生理反应及对保持货物完整性的影响来制订的，并用振动的物理量，如频率、振幅、加速度、加速度变化率等作为行驶平顺性的评价指标，是一个极为复杂的过程。研究汽车平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定界限，以保持乘员的舒适性。本章利用脉冲激励与随机路面试验，通过ADAMS进行汽车悬架系统的仿真分析，并比较仿真结果与道路试验结果，用以验证并调整仿真模型。

2.5.2.1 脉冲激励

依照汽车行驶平顺性脉冲输入行驶的试验方法，采用长为40cm、高为12cm的单凸块作为输入脉冲，试验的汽车需要进行过3000km的磨合行驶，在试验场的强化路面上以20km/h的车速匀速通过固定好的凸块，采集各个选定测量点的加速度测量信号，与通过仿真分析得到加速度响应的时域信号和频域信号进行对比，如图2.47～图2.52所示。

将加速信号的试验结果与仿真结果进行对比，从图中可以看出基本一致，相符性较好。存在的高频小峰值是由于仿真时忽略了发动机激励而引起的，这是由于发动机激励远远小于凸块的脉冲激励，因此在仿真时可将其忽略不计。

2.5.2.2 随机路面

本节的路面激励信号是采用白噪声法产生的时域随机激励序。虽然路面激励相同，车轮的时域激励信号的功率谱密度相同，但本书建立的是三维系统仿真模型，需要对左侧和右侧车轮分别产生激励信号。

1）左前轮时域随机激励信号。

随机路面输入x_g可用一阶滤波白噪声来描述：

式中，G₀为系数（路面不平度），v为车速，w为高斯分布白噪声（零强度为1），f₀为下限截止频率，路面输入时间频率是车速与空间频率的乘积：f₀=0传函为一个积分器形式，f₀≠0传函是滤波器的形式。

利用Simulink产生有限带宽白噪声的时域信号x（t），功率谱密度为：

设另有平稳随机过程Y的样本函数为y（t），假定y（t）与x（t）之间关系如下：

如x（t）、y（t）的功率谱密度分别为Sx（f）和Sy（f），则必满足：

由Sx（f）=1，只考虑数学上的意义时：

由图2.53输入的时域随机激励信号，可以生成左侧时域随机激励信号，结果如图2.54所示。

图2.55中，虚线为计算曲线，实线为理论曲线，由图可知两者基本一致。

2）左后轮时域随机激励信号。

针对车辆的前后轮激励信号，由于路面激励相同，即功率谱密度相同，相差的只有一个时间差。描述激励时需要考虑与时间差相关的问题，即车辆的轴距及车速。在ADAMS中激励信号可采用以下函数表示：

前轮激励信号函数：

后轮激励信号函数：

式中，CUBSPL是激励数据样条曲线；L为轴距；v为车速；t为仿真时间。

3）右侧时域随机激励信号。

已生成的左侧时域随机激励信号通过传递函数方法，可以生成右侧时域随机激励信号。令y₁（t）、y₂（t）、s_y1y2（f）分别为左、右侧车轮的随机序列和左右车轮的互谱函数，s_y1（f）、s_y2（f）为左、右激励的自谱。设左右激励之间存在一个传递函数G（f），则有：

考虑G（f）的幅频特性及相频特性。y₁（t）与y₂（t）之间存在如下的关系：

依照汽车平顺性随机输入行驶试验方法中的规定，试验车辆以60km/h的车速在试验场性能路上匀速行驶，加速度传感器布置在发动机前后悬置上、下端位置及车架前后点。对比试验与仿真结果，如图2.56～图2.61所示，高频峰值由发动机激励产生，低频峰值由路面激励产生。

由图2.56～图2.61可以看出，试验结果与仿真结果变化趋势一致，可见实际车辆的试验结果与其仿真结果基本一致，表明本书建立的仿真模型是正确的，可以用于汽车的性能评价与可靠性试验方法优化研究。