基于特性的商用车全浮式驾驶室动力学模型

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.009

摘要/Abstract

摘要：

驾驶员坐在驾驶室中感知车辆的运动响应，驾驶室及其悬置机构是影响驾驶员驾乘感觉的重要环节。为实时模拟商用车驾驶室的运动，采用基于特性的建模方法，将驾驶室的运动解耦为低频面内Motion运动和高频面外Ride运动，并考虑驾驶室悬置机构的承载特性、RC/PC导向特性和K&C运动学特性，建立了商用车全浮式驾驶室模型。最后，将驾驶室模型嵌入到89DOF整车模型中，进行某款牵引车的仿真，并与场地试验结果进行对比，验证了模型的有效性。

关键词: 全浮式驾驶室, 动力学模型, 基于特性, 驾驶室悬置, 商用车

Abstract:

The driver perceives the vehicle’s motion response while sitting in the cab， and the cab and its suspension mechanism are essential factors affecting the driving sensation of the driver. For real-time simulation of the cab movement， a characteristics-based modelling technical route is adopted in this paper， in which the cab’s movement is decoupled into low-frequency in-plane Motion and high-frequency out-of-plane Ride， comprehensively considering the load-carrying properties， RC/PC properties and K&C properties of the cab suspension mechanism， and a full-floating cab model for the commercial vehicle is established. Finally， the cab model is embedded into the 89DOF truck model to simulate a tractor， and the model’s fidelity is verified by comparing it with the field test results.

Key words: full-floating cab, dynamic model, characteristics-based, driver’s cab suspension, commercial vehicle

管欣,李力,段春光,詹军. 基于特性的商用车全浮式驾驶室动力学模型[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2272-2279.

Xin Guan,Li Li,Chunguang Duan,Jun Zhan. A Characteristics-Based Dynamic Model of the Full-Floating Cab for the Commercial Vehicle[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(12): 2272-2279.

图/表 13

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参考文献 26

1	管欣，逄淑一. 面向性能的汽车运动动力学模型回顾［J］.汽车工程，2011，33（9）：739-744.
	GUAN X， PANG S Y. A review on performance-oriented vehicle motion dynamics models［J］. Automotive Engineering， 2011，33（9）：739-744.
2	PHILIPSON N， ANDREASSON J， GFVERT M， et al. Heavy vehicles modeling with the vehicle dynamics library［C］.Modelica Conference， 2008： 629-634.
3	EVERS W J， BESSELINK I， NIJMEIJER H， et al. Development and validation of a modular simulation model for commercial vehicles［J］. International Journal of Heavy Vehicle Systems， 2009， 16（1/2）：132-153.
4	KUSHAIRI S， SCHMIDT R， OMAR R A， et al. Tractor-trailer modelling and validation［J］. Int. J. of Heavy Vehicle Systems，2014，21（1）：64-82.
5	LIANG H E， ZHU S， ZHU H. Modeling and simulation of full-float tractor cab suspension system based on ADAMS［C］. International Conference on Functional Manufacturing and Mechanical Dynamics， 2012.
6	JI P， ZHAO B Y. Analysis on vibration response based on suspension stiffness for full-floating cab［J］. Advanced Materials Research，2012： 476-478.
7	XU E， HE S， ZHENG W， et al. Research on cab vibration control based on parameter hierarchical interaction model［J］. Shock and Vibration， 2020， 2020（3）：1-15.
8	SINAN B， MURAT B. Vibration control of truck cabins with the adaptive vectorial backstepping design of electromagnetic active suspension system［J］. IEEE ACCESS，2020（8）：3056-3067.
9	HE S， CHEN K， XU E， et al. Coupling analysis and optimization of commercial vehicles cab comfort with multi-platform integrated calculation［J］. Journal of Mechanical Science and Technology，2021，35（10）：1-13.
10	ZHAO L， ZHOU C， YU Y. Hybrid modeling of seat-cab coupled system for truck［J］. International Journal of Automotive Technology，2016，17（5）： 769-776.
11	ZHAO L， YU Y， CAO J， et al. Nonlinear coupled dynamic modelling of driver-seat-cab system and biomechanical behaviour prediction［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2022，68（2）：90-100.
12	ARNOLD M， BURGERMEISTER B， FÜHRER C， et al. Numerical methods in vehicle system dynamics： state of the art and current developments［J］. Vehicle System Dynamics，2011，49（7）： 1159-1207.
13	Road vehicles-vehicle dynamics and road-holding ability-vocabulary： ISO 8855［S］. 2015.
14	DING X， MIKARIC S， HE Y. Design of an active trailer-steering system for multi-trailer articulated heavy vehicles using real-time simulations［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2013，227（5）： 643-655.
15	HARUN H M， SAMIN M P， HUDHA K， et al. Modelling and verification of tractor ride model［C］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2019.
16	GUPTA A， RASTOGI V. Computational modelling and simulation of commercial truck with road-tyre interactions to evaluate ride comfort［J］. Int. J. of Heavy Vehicle Systems，2018，25（2）：133-150.
17	靳立强，王庆年，岳巍强等.基于四轮独立驱动电动汽车的动力学仿真模型［J］.系统仿真学报，2005（12）：3053-3055.
	JIN L Q， WANG Q N， YUE W Q， et al. Dynamic model for simulation of EV with 4 independently-driving wheels ［J］. Journal of System Simulation，2005（12）：3053-3055.
18	DARVISH A D， MASOUD T M， BEHROOZ M. Configuration development and optimization of hydraulically interconnected suspension for handling and ride enhancement［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering，2022，236（2-3）：381-394.
19	管欣，逄淑一，詹军.悬架K&C特性在底盘性能分析中的研究［J］.汽车技术，2010（2）：4-8.
	GUAN X， PANG S Y， ZHAN J. Research of suspension kinematics and compliance on vehicle chassis performance analysis［J］. Automobile Technology， 2010（2）：4-8.
20	管欣，田磊，逄淑一，等.基于侧倾中心的悬架导向机构模型［J］.江苏大学学报（自然科学版），2012，33（3）：249-254.
	GUAN X，TIAN L，PANG S Y， et al. Suspension guiding-mechanism model based on roll center［J］. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2012，33（3）：249-254.
21	FANCHER P S， ERVIN R D， MACADAM C， et al. Measurement and representation of the mechanical properties of truck leaf springs［C］. SAE World Congress 800905，1980.
22	XIN G， DUAN C， ZHENG L， et al. A high fidelity driving feeling real-time dynamic steering system model［J］.Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks， 2016.
23	GUAN H， SONG H， XU L， et al. Friction model for real-time simulation of powertrain dynamics［J］. SAE International Journal of Vehicle Dynamics Stability & NVH， 2018，2（1）：41-54.
24	LIANG X， SHUAI Z， GUAN X， et al. Research on the modeling and influence of flexible sub-frame on vehicle performance： considering the high frequency excitation of the engine［C］.International Conference on Modeling. IEEE， 2017.
25	DUAN C， LIANG X， LI B， et al. The quasi-instantaneous engine output torque model based on indicator diagram［C］.SAE 2014 World Congress and Exhibition 2014-01-1083，2014.
26	GUAN H， DUAN C， LU P， et al. The research of tire mechanics at lower-speed for interactive developing［C］. ICAE 2015， 2015-01-0081，2015.

驾驶室特性	参数	单位
质量/惯量特性	质量	kg
质量/惯量特性	惯量	kg·m²
几何特性	质心相对于整车的位置	mm
	悬置上点相对于驾驶室的位置	mm
	悬置下点相对于车架的位置	mm
承载特性	刚度特性曲线	kN/mm
承载特性	阻尼特性曲线	N/（m·s^-1）
K&C运动学特性	悬置轮跳—悬置纵向位移	mm-mm
K&C运动学特性	悬置轮跳—悬置侧向位移	mm-mm
RC/PC导向特性	纵倾中心高度	mm
RC/PC导向特性	侧倾中心高度	mm

模块名	数量	自由度
刚性车架	1	横向/纵向/垂向/侧倾/俯仰/横摆
车桥	3	垂向/侧倾/俯仰
车轮	10	旋转/纵向/侧向/横摆
转向系	1	转向器/左转向体旋转/右转向体旋转
传动系	1	曲轴/变速器输入轴/变速器输出轴
制动系	1	无
空气力学	1	无
悬架	2	平衡悬架板簧俯仰
驾驶室	1	垂向/侧倾/俯仰
动力总成	1	横向/纵向/垂向/侧倾/俯仰/横摆
柔性车架	1	17个连接点（驾驶室悬置/动力总成悬置/悬架/ 第五轮）的垂向振动

试验工况	评价指标	场地试验	模型仿真	精度误差
60 km/h角阶跃左、右转向	驾驶室侧倾角稳态值/（°）	-2.672	-2.589	3.21%
60 km/h角阶跃左、右转向	驾驶室侧倾角稳态值/（°）	3.756	3.651	2.88%
80 km/h角阶跃左、右转向	驾驶室侧倾角稳态值/（°）	-2.645	-2.627	0.69%
80 km/h角阶跃左、右转向	驾驶室侧倾角稳态值/（°）	2.900	2.874	0.90%
60 km/h单正弦左转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	-2.999	-2.868	4.57%
60 km/h单正弦左转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	3.785	3.831	1.20%
60 km/h单正弦右转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	3.466	3.485	0.55%
60 km/h单正弦右转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	-2.653	-2.657	0.15%
80 km/h单正弦左转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	-2.590	-2.430	6.58%
80 km/h单正弦左转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	2.891	2.953	2.10%
80 km/h单正弦右转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	2.910	2.855	1.93%
80 km/h单正弦右转向	驾驶室侧倾角峰值/（°）	-2.356	-2.431	3.09%
30 km/h蛇行	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	1.403	1.432	2.03%
30 km/h蛇行	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	-0.501	-0.519	3.47%
70 km/h蛇行	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	3.198	3.222	0.74%
70 km/h蛇行	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	-2.012	-2.163	6.98%
60 km/h中心区	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	3.095	3.083	0.39%
60 km/h中心区	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	-2.103	-2.086	0.81%
80 km/h中心区	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	2.256	2.231	1.12%
80 km/h中心区	平均驾驶室侧倾角峰值/（°）	-1.289	-1.301	0.92%
50 km/h初速度制动到0	驾驶室俯仰角稳态值/（°）	2.141	2.176	1.61%

[1]	郝旭,陆贤涛,杨静,郑亚莉,王贺武. 中国零碳商用车市场渗透率建模：以重型长途牵引货车为例[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 253-259.
[2]	张硕,蔡旭,张春梅,兰利波,张溆祺,陈轶嵩. 氢燃料电池重型商用车全生命周期评价研究及不确定性分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2366-2386.
[3]	黄文凯,程辉军,储爱华. 纯电重型商用车四电机系统动力性及经济性研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(1): 70-76.
[4]	李航,胡尊严,胡家毅,董家臣,李建秋,徐梁飞,欧阳明高,卜玉,王力军,秦志东. 新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车设计、分析与验证[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1183-1198.
[5]	耿国庆,李浩,江浩斌,陈杰,唐斌. 商用车电液耦合转向系统主动回正控制研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(6): 899-908.
[6]	杨彬,宋学伟,高振海. 考虑车辆运动约束的最优避障轨迹规划算法[J]. 汽车工程, 2021, 43(4): 562-570.
[7]	孙东升,张俊智,何承坤,胡涵旸,刘伟龙. 基于先导腔压力估计的桥控阀控制方法研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(12): 1832-1839.
[8]	赵雷雷,于曰伟,周长城,黄德惠,袁建. 计及导向摆臂约束的重型货车驾驶室俯仰平面动力学模型[J]. 汽车工程, 2021, 43(1): 136-144.
[9]	王雪彤, 罗禹贡, 江发潮, 于杰. 纯电动商用车异质队列的多目标控制^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(4): 505-512.
[10]	夏晓经, 张小龙, 冯启飞, 吴延鹏, 井梅, 丁文俊. 商用车气压ABS性能综合测试系统设计与试验^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(2): 215-221.
[11]	朱先民, 宋健, 程帅. 基于LuGre模型的商用车转向盘操纵阻力矩研究[J]. 汽车工程, 2019, 41(6): 662-667.
[12]	李玉善, 迟元欣, 季学武, 刘玉龙, 武健. 基于Pareto最优均衡理论的商用车路径跟踪与抗侧倾协同控制研究^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(6): 654-661.
[13]	王和荣, 陈刚. 无人驾驶机器人机械腿模糊监督控制^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(5): 522-529.
[14]	高国琴, 周辉辉, 方志明. 混联式汽车电泳涂装输送机构的时延估计自适应滑模控制^*[J]. 汽车工程, 2018, 40(12): 1405-1412.