侧风作用下重型载货汽车气动特性与稳定性的联合研究

随着我国高等级公路网络的快速发展，汽车产业规模不断扩大。在公路交通运输中，重型载货汽车等商用汽车发挥着越来越重要的作用。为了提高运输效率，重型载货汽车的速度也在不断提高。汽车在高速公路上行驶，经常会受到环境侧风的作用，这对汽车的操纵稳定性和安全性产生很大影响，甚至会引发交通事故。因此研究重型载货汽车在侧风影响下的操纵稳定性，对于保证其行驶安全性具有十分重要的现实意义。自然环境的风是影响汽车等交通工具侧风稳定性的一个重要外界因素。在我国，由于地域辽阔，气候多变，并且高速公路、铁路的防侧风监测系统和防灾手段并不完善，自然风的普遍存在使汽车在路面上行驶时面临侧风危险，汽车的气动特性和操纵稳定性都会因侧风的作用受到影响。重型载货汽车的外形更接近于长方体，长宽比较大，这使其在高速行驶时，侧风的作用会更加敏感。侧风作用等特殊工况下重型载货汽车性能的研究，有助于增强重型载货汽车整车综合性能，使其产品性能更加趋于完美。因此，本文结合“十一五”国家863高技术研究计划重点项目“汽车开发先进技术”中“重型商用车集成开发先进技术”这一项重要的攻关课题，采用风洞试验研究方法、计算流体力学数值仿真研究方法和动力学仿真研究方法的综合方式，针对侧风作用下国产某重型载货汽车的气动特性和稳定性进行联合研究，实现汽车空气动力学与汽车系统动力学的一体化分析与应用。根据国产某重型载货汽车侧风稳定性研究的需要，应用相对运动原理制定侧风空气动力特性研究方案，采用风洞试验和数值仿真两种方式进行侧风作用下重型载货汽车气动特性的研究。在风洞试验中采用国产某重型载货汽车1:7试验模型，进行侧滑角范围为-15~+15deg共11种工况的风洞试验。试验中有效扣除了支撑对试验模型的干扰，得到了真实、可靠的结论。在数值仿真中建立国产某重型载货汽车1:1仿真模型，并对整车模型的驾驶室、车轮、底盘等系统进行合理的简化处理，以便于划分网格和提高网格精度。确定了数值仿真的计算域，同时根据网格划分的基本原则制定出重型载货汽车侧风数值仿真的网格方案，得到完整的侧滑角范围在-30~+30deg，共21种工况的数据，并与风洞试验在侧滑角范围为-15~+15deg的工况下进行精度验证，保证其数据的有效、准确性。汽车侧风作用下的空气动力特性有别于汽车正常行驶的情况。本文根据数值仿真方法获得重型载货汽车侧风作用下的气动特性，并进行了流态显示，包括车身表面压力、流场速度截面、湍流动能等值面和流线，并对显示结果进行了分析和评价。这也是对整车侧风稳定性的初步判断。通过对汽车气动特性参数即气动六分力系数进行进一步的拟合优化，保证了数据具有平滑、连续的特性，获得了既满足原始状态又可以耦合进系统动力学软件中的数据。在接下来进行的动力学建模的过程中，加入侧风的边界条件，就可以完成侧风虚拟试验。本文采用TruckSim建立基于总成特性参数的整车模型，在软件环境下进行无侧风作用下的道路仿真试验，并与实车试验进行对比，对多种试验工况对比验证表明了TruckSim建立的汽车模型具有很好的通用性、实时性和可扩展性，可以真实反映实车动力学状况，这样就可以进行有侧风的稳定性仿真分析。建立了侧风作用下简化三自由度汽车模型，将实车特性参数线性化后输入其中，计算分析其稳定性。通过与TruckSim汽车模型的侧风稳定性的对比分析，获得了侧风作用下汽车整体的响应趋势，并从定量上分析了不同模型的优缺点。确定了应用TruckSim汽车模型对侧风作用下汽车性能的研究更加真实，有效。基于确定的侧风垂直汽车纵向的气动六分力系数，建立了确定不同方向和不同速度侧风作用气动六分力系数的方法，总结了侧风作用基本状态。基于侧风垂直汽车纵向气动六分力系数，综合考虑现实生活中可能出现的侧风作用的影响，分别进行了有、无侧风作用重型载货汽车稳定性对比分析，侧风作用下开环、闭环试验重型载货汽车稳定性对比分析，侧风速度大小、侧风斜坡时间、侧风作用时间的变化对重型载货汽车稳定性影响分析，侧风作用基本状态对重型载货汽车稳定性影响分析，三种典型侧风作用对重型载货汽车稳定性影响分析，达到了汽车空气动力学与汽车系统动力学联合研究，实现了侧风作用对重型载货汽车稳定性影响的综合预测。综上所述，本文针对国产某重型载货汽车侧风气动特性和侧风稳定性进行研究。首先考虑了实车的外形特点，应用风洞试验和数值仿真的方法获得完整的气动六分力系数。通过拟合优化的方法，将侧滑角与气动六分力系数的离散数值关系转换成随侧滑角连续变化的气动六分力系数曲线，为侧风作用下汽车系统动力学模型中气动力的加载奠定了基础。其次，通过在相同参考点处获得或施加完整气动六分力，将汽车空气动力学与汽车系统动力学有机的结合在一起，使稳态侧风条件下获得的气动六分力应用到汽车系统中，实现了对汽车系统的动态响应的完整有效判断。再次，本文在所建立的汽车系统动力学模型中详尽的考虑了实车内部特性参数：包括汽车的轮胎特性、悬架特性及转向系统特性等一些非线性因素，并将其与实车试验和传统经典简化汽车模型进行验证，使侧风作用下的汽车性能的研究更为有效、精确。最后，本文提供了一种全新的采用虚拟试验的方法建立全工况、高仿真、高可靠性的侧风作用下汽车性能研究试验方法。更加真实的反应实际汽车行驶过程中遭遇侧风作用的影响。对理想状态下的驾驶员行为进行研究，为侧风下的驾车习惯进行指导。这种更适用于企业的侧风作用下的整车性能研究方法，使汽车产品的开发更加的简便易行，不仅可以缩短开发周期，而且可以增加产品的市场竞争力。