純電動高空作業車操縱穩定性優化設計

郭家田 ，金永興

（1.天津職業技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.山東科技職業學院汽車工程系，山東濰坊261053；3.沃爾沃汽車技術中心主動安全與底盤試驗室，上海201807）

影響汽車操縱穩定性的因素主要有轉向、制動、懸架性能等因素[1-3]。對汽車操縱穩定性的建模仿真分析常運用 ADAMS/Car軟件[4]，常用的仿真試驗主要有穩態回轉試驗[5]、轉向盤角階躍試驗和轉向盤角脈沖輸入試驗[6]。純電動高空作業車是在純電動貨車底盤上加裝液壓升降平臺制成，若不對純電動貨車底盤加以優化設計，純電動高空作業車的操縱穩定性將會發生變化。本文采集純電動高空作業車加裝液壓升降平臺前后的相關數據，建立整車仿真模型。

1 純電動高空作業車仿真建模

純電動高空作業車的建模以整車前懸架總成的參考系為坐標，前輪輪心連線的中點為坐標原點，汽車行駛的正前方為X軸，汽車的左側為Y軸，垂直向上的方向為Z軸。獲取各個子系統的結構參數、幾何參數、物理參數和力學特性參數，運用ADAMS/Car軟件，根據懸架和轉向系統拓撲結構建立模板文件并轉化成子系統文件，將各子系統文件通過子系統間的通訊接口建立起整車模型文件。建立的懸架和轉向系統拓撲結構如圖1～圖3所示。

圖1 麥弗遜式前懸架拓撲結構Fig.1 McPherson front suspension topology

圖2 鋼板彈簧式后懸架拓撲結構Fig.2 Leaf spring rear suspension topology

圖3 轉向器拓撲結構Fig.3 Steering topology

運用ADAMS/Car軟件完成子系統和測試平臺的裝配，調試通信器，得到整車仿真模型（見圖4），液壓升降平臺質量反映在整車質量屬性上的改變。在仿真模型中，通過改變整車質量、質心位置和轉動慣量等參數體現。

圖4 整車仿真模型Fig.4 Vehicle simulation model

2 仿真試驗

（1）穩態回轉試驗的評價采用計分的方式[7]。中性轉向點側向加速度an的評價計分值為

式中：an為中性轉向點側向加速度值的試驗值，m/s2；an60為中性轉向點側向加速度的下限值，m/s2；an100為中性轉向點側向加速度的上限值，m/s2。an60取 5.00 m/s2，an100取 9.8 m/s2。

不足轉向度U的評價計分值為

式中：U為不足轉向度的試驗值，（°）（/m·s-2）；λ為根據U60與U100的比值計算的系數；U60為不足轉向度的下限值，（°）（/m·s-2）；U100為不足轉向度的上限值，（°）（/m·s-2）。

車身側傾度Kφ的評價計分值為

式中：Kφ60為車身側傾度的下限值，（°）（/m/s2）；Kφ100為車身側傾度的上限值，（°）（/m·s-2）；Kφ為車身側傾度的試驗值，（°）（/m·s-2）。此處，Kφ60取1.20（°）（/m·s-2），Kφ100取0.70（°）（/m·s-2）。

穩態回轉仿真試驗的綜合評價計分值為

（2）轉向盤角階躍試驗的評價包括橫擺角速度、側向加速度、橫擺角速度峰值的響應時間及橫擺角速度超調量和質心側傾角。

（3）轉向盤角脈沖輸入試驗的評價包括諧振頻率fp，諧振峰水平D，f=0.1Hz時的相位滯后角∠Φf=0.1，f=1.0Hz時的相位滯后角∠Φf=1.0。

由表1～表3的仿真結果可知，加裝液壓升降平臺后該車的中性轉向點的側向加速度an降低了25%，不足轉向度U增加了110%，車身側傾度Kφ增加了74.2%，橫擺角速度峰值響應時間延長了41.2%，橫擺角速度超調量增大了91.86%，質心側偏角峰值增大了143%，側向加速度響應時間延長了22%，諧振頻率降低了10%，諧振峰水平升高了177%，相位滯后角明顯增大。從仿真結果可以看出，加裝液壓升降平臺后汽車的操縱穩定性明顯變差。

表1 穩態回轉試驗仿真結果Tab.1 Simulation results of steady static circular test

表2 角階躍試驗仿真結果Tab.2 Simulation results of angular step test

表3 角脈沖試驗仿真結果Tab.3 Simulation results of angular pulse test

3 高空作業車優化設計

3.1 質心位置對操縱穩定性影響

將質心位置向水平方向和在豎直方向移動進行仿真試驗，仿真結果如圖5～圖7所示。圖中，Original為原質心位置，Front為質心前移，Below為質心下沉。為使試驗結果表征明顯，質心移動距離選擇150 mm。

圖5 側向加速度響應曲線Fig.5 Lateral acceleration response curve

由仿真結果可知，高空作業車質心位置前移或質心位置下移能夠改善純電動高空作業車的操縱穩定性。向前移動質心位置能夠提高作業車的瞬態響應性能；向下移動質心位置能夠降低車身轉向側傾，提高整車瞬態響應性能。將液壓舉升平臺的安裝位置向車前方移動或將蓄電池安裝位置前移，都能起到使質心前移的效果，縮短升降平臺桅桿的長度能夠使平臺落座高度降低，達到降低質心的效果。

2.2 懸架剛度對操縱穩定性的影響

圖6 橫擺角速度響應曲線Fig.6 Yaw rate response curve

圖7 側傾角響應曲線Fig.7 Roll Angle response curve

修改仿真模型參數，為使仿真結果表征明顯，設定懸架剛度增加或減小20%，分別進行前后懸架的角階躍仿真試驗。圖8～圖10為前懸架剛度不變、增加和減小三個狀態的仿真結果對比曲線圖。為了更加清晰地反映出曲線變化趨勢，圖8～圖10均采用了局部放大處理，圖中，Original為前懸架剛度不變，Increase為前懸架剛度增加，Decrease為前懸架剛度減小。

圖8 側向加速度響應曲線Fig.8 Lateral acceleration response curve

圖9 橫擺角速度響應曲線Fig.9 Yaw rate response curve

由仿真結果可看出：增加前懸架剛度，各參數的超調量、反應時間、穩定時間、穩態值均有所增大，這些都說明操縱穩定性變差；反之適度減小前懸架剛度，各參數的超調量、反應時間、穩定時間、穩態值均有所降低，操縱穩定性提高。適度減小前懸架剛度，可以提升整車操縱穩定性能。

圖11～圖13為后懸架剛度不變、增加和減小三個狀態的仿真結果對比曲線圖。為了更加清晰地反映出曲線變化趨勢，以下各圖均采用了局部放大處理，圖中，Original為后懸架剛度不變，Increase為后懸架剛度增加，Decrease為后懸架剛度減小。

圖11 側向加速度響應曲線Fig.11 Lateral acceleration response curve

圖12 橫擺角速度響應曲線Fig.12 Yaw rate response curve

圖13 側傾角響應曲線Fig.13 Roll Angle response curve

由仿真結果可以知：增加后懸架剛度，側向加速度、橫擺角速度、側傾角的超調量、反應時間、穩定時間、穩態值均顯著降低，汽車操縱穩定性得到了提升；反之，減小后懸架剛度，側向加速度、橫擺角速度、側傾角的超調量、反應時間、穩定時間、穩態值均明顯增加，操縱穩定性變差。選用片數更多的鋼板彈簧以增加后懸架剛度，適當增加后懸架剛度能夠提升整車操縱穩定性，減小轉向時的車身側偏角。

2.3 輪胎對操縱穩定性的影響

輪胎的側偏剛度對整車操縱穩定性具有一定的影響[8]。單獨增加前輪輪胎或者后輪輪胎的側偏剛度，分別進行角階躍仿真試驗，試驗結果如圖14～圖16所示。圖中，Original為輪胎側偏剛度不變，Enhance_front_tire為增加前輪胎側偏剛度，Enhance_rear_tire為增加后輪胎側偏剛度。

圖14 側向加速度響應曲線Fig.14 Lateral acceleration response curve

圖15 橫擺角速度響應曲線Fig.15 Yaw rate response curve

圖16 側傾角響應曲線Fig.16 Roll Angle response curve

由仿真結果可以看出：單獨增加前輪輪胎或者后輪輪胎的側偏剛度，表征操縱穩定性的各個參數的變化趨勢比較一致。增加前輪胎側偏剛度，側向加速度、橫擺角速度、側傾角的超調量、反應時間、穩定時間、穩態值均顯著增加，瞬態響應性能變差；反之，增加后輪胎側偏剛度，側向加速度、橫擺角速度、側傾角的超調量、反應時間、穩定時間、穩態值均明顯降低，瞬態響應性能提高。適度增加后輪輪胎側偏剛度，有利于提升整車操縱穩定性。

3 結語

運用穩態回轉試驗、轉向盤角階躍試驗和轉向盤角脈沖輸入試驗，對整車操縱穩定性改進方案進行分析驗證。通過向車前方移動液壓舉升平臺或蓄電池的安裝位置，縮短升降平臺桅桿的長度，適度減小前懸架剛度，增加后懸架剛度，增加后輪胎側偏剛度等措施，提升了純電動高空作業車的操縱穩定性，為車輛改進提供理論依據。