CN105953998A - 一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，包括如下步骤：步骤一、将赛车置于风洞试验室内的可绕垂直轴线旋转的旋转平台上，使用四个支撑杆通过车轮外侧面的中心将赛车支撑起来，并且在支撑杆与车轮支撑处设置有六分力传感器，用于测量试验参数；步骤二、在多种工况下进行风洞试验；步骤三、使用六分力传感器测量每个工况下的侧向位移，横摆角速度，侧向加速度；步骤四、根据每组工况下测量得到的侧向位移s_i、横摆角速度ω_i、侧向加速度a_i，使用如下公式计算该组工况下的侧风稳定性综合评价指标ψ_i；步骤五、对n组工况下计算得到侧风稳定性综合评价指标ψ_i进行加权，得到最终的侧风稳定性综合评价指标ψ。

Description

一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法

技术领域

本发明涉及汽车风洞试验技术领域，特别是一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法。

背景技术

在侧风作用下汽车操纵稳定性研究中，以往国内的研究主要集中在轿车、货车等民用车辆，而在赛车领域研究较少。然而对于赛车而言，优异的操纵稳定性能至关重要。在高速行驶过程中赛车经常受不稳定风干扰，导致其操纵稳定性变差，甚至发生安全事故。

传统的汽车操纵稳定性研究只是单独地考虑汽车不同空气动力学特性或者系统动力学特性对其稳定性的影响，而并没有将两者有机结合。通常是从汽车受力分析出发，利用数学公式推导进而建立汽车各自由度模型；另一种是利用ADMAS软件建立汽车模型并设置初始条件，利用该软件求解。这使得传统研究存在诸多局限性，具体体现在以下方面：

(1)在计算侧滑角与气动六分力系数关系时，传统研究往往取某一侧滑角下气动六分力系数数值，并将其推算至整个侧滑角范围。然而研究表明气动六分力系数与侧滑角并非一直保持线性关系，这就导致研究结果与实际情况有所出入。

(2)传统研究方法计算繁杂，为了简化运算通常将风压中心固定在车身对称平面上，且将其简化到静止车体质心上。但研究表明风压中心并不在固定位置上，而是随外界条件和自身行驶状态不断变化。

(3)另外传统研究方法将气动力作用点直接定义在风压中心上，这就导致只考虑了气动侧向力而忽略了其它气动力和气动力矩。

发明内容

本发明设计开发了一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，克服了现有技术中适应差、准确性低的缺陷，能够高效、准确的确定赛车侧风稳定性评价指标。

本发明提供的技术方案为：

一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，包括如下步骤：

步骤一、将赛车置于风洞试验室内的可绕垂直轴线旋转的旋转平台上，使用四个支撑杆通过车轮外侧面的中心将赛车支撑起来，并且在支撑杆与车轮支撑处设置有六分力传感器，用于测量试验参数；

步骤二、在多种工况下进行风洞试验，调整旋转平台的角度β，使β的范围在-β₀～β₀之间，每隔Δβ进行一组试验，同时调整风洞入口处气流速度V，使赛车在静止空气中行驶速度v保持固定值；

步骤三、使用六分力传感器测量每个工况下的侧向位移s₁,Λ,s_i,Λ,s_n，横摆角速度ω₁,Λ,ω_i,Λ,ω_n，侧向加速度a₁,Λ,a_i,Λ,a_n，其中n为工况的数量；

步骤四、根据每组工况下测量得到的侧向位移s_i、横摆角速度ω_i、侧向加速度a_i，使用如下公式计算该组工况下的侧风稳定性综合评价指标ψ_i：

${\mathrm{\ψ}}_i=\frac{1}{3}\[\sqrt{\left(\frac{1}{1-\frac{s_i}{2d}}\right)-1}+\frac{4}{\mathrm{\π}}(\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_{\max }}+\arctan \frac{a_i}{a_{\max }})\]$

其中，d为赛车宽度，ω_max为赛车横摆角速度阈值，a_max为侧向加速度阈值；

步骤五、对n组工况下计算得到侧风稳定性综合评价指标ψ_i进行加权，得到最终的侧风稳定性综合评价指标ψ

$\mathrm{\ψ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ψ}}_i.$

优选的是，步骤一和步骤二之间还包括如下步骤：在赛车内放置配重块。

优选的是，步骤二中，β的范围在-15～15deg，每3deg进行一组试验。

优选的是，步骤二中，使赛车在静止空气中行驶速度v保持在60km/h。

优选的是，步骤二中，使赛车在静止空气中行驶速度v保持在120km/h。

优选的是，步骤二中，风洞入口处气流速度V满足

$V=\frac{v}{cos\mathrm{\β}}.$

本发明的有益效果是：本发明不同于传统方法，本发明将空气动力学参考点定义在前后轮轴心的中间位置，将气动力由风压中心平移至前后轮轴心的中间位置时便会产生气动力矩，更符合实际情况。在空气动力特性方面利用风洞试验获得侧滑角-15～15deg下气动六风力系数随侧滑角变化情况，利用风洞试验测出了气动六分力随侧滑角变化的具体数值，因此不需要考虑风压中心的具体位置，避免了模型中风压中心位置与实际情况不符的情况。

附图说明

图1为本发明所述的赛车摆放位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，具体步骤如下：

步骤一：

将赛车置于风洞试验室内，在风洞试验室内设置有可绕垂直轴线旋转的旋转平台。在旋转平台上设置有四个支撑杆，分别位移赛车四个车轮的外侧，并且四个支撑杆能够进行前后左右位置的调节。根据赛车轮距和轴距，调节四个支撑杆的位置，使支撑杆通过车轮外侧面的中心将赛车支撑起来。在支撑杆与车轮支撑处设置有六分力传感器，用于测量气动阻力、侧向力、升力、侧倾力矩、俯仰力矩和横摆力矩。

风洞试验指在风洞中安置赛车模型，研究气体流动及其与赛车的相互作用，以了解赛车的空气动力学特性的一种空气动力试验方法。

本发明所采用的风洞的主要技术参数为：

试验段尺寸：8m(长)x4m(宽)x2.2m(高)；

最大风速：60m/s；

收缩比：5.17；

主电机功率：1000kw。

为使赛车在风洞试验中能真实模拟出其在实际行驶过程中空气流动的变化状态，得到真实可靠的汽车气动特性数据，进行汽车风洞试验必须遵守以下准则与规范

1、足够的均匀流畅

风洞应产生足够的均匀流畅，具体包括气流的主流纵向、侧向速度和流向的均匀分布，湍流度极低和能模拟真是路面的边界层厚度。

经过测定:吉林大学汽车专用风洞试验流场是满足需求的。

2、雷诺数模拟

雷诺数主要影响模型表面的边界层状态，即影响边界层的层流、湍流、转折点的位置及分离点的位置。对于汽车风洞试验，Hucho W.H建议临界雷诺数不小于2×10⁶。

雷诺数的数学表达式为

式中，ρ--流体密度；ν--相对速度；l--流体特征长度；μ--流体动力粘度系数。

本发明中，空气密度ρ＝1.2250kg/m³，最小的相对速度为最小气流合成速度ν＝25m/s，特征长度为赛车总长l＝2.412m，空气粘度μ＝1.7894×10^-5N·s/m²，则对应的雷诺数为

故可知，赛车的实车风洞试验满足风洞试验雷诺数相似的要求。

步骤二：进行汽车风洞试验。侧风作用下风洞试验方法，一般可以分为横摆模型法、引入侧风法和牵引模型法。本发明采用横摆模型法进行试验。

横摆模型法是汽车侧风风洞试验研究的常规方法。将汽车或模型固定放置在风洞试验段中，使用风洞转盘来实现一系列横摆角β，根据相对运动原理，用车身斜前方来流的两个分量分别模拟车身的运动和车身受到的侧风作用，赛车摆放位置如图1所示。此方法实现起来比较简单，只需基本的风洞试验测试设备，可以方便的进行定性与定量试验，属于较常规的汽车风洞试验项目。

试验前在赛车内防止配重块，用于模拟赛车驾驶员。

本发明在进行进行赛车风洞试验时，调整旋转平台的角度，使赛车中轴线的方向与风洞出口的方向的夹角即侧滑角β呈特定的角度，同时开启风洞，并使洞入口处气流速度V和β角满足：

$V=\frac{v}{\cos \mathrm{\β}},v_w=Vsin\mathrm{\β}$

其中，v_w为侧风风速，v为赛车在静止空气中行驶速度。

本发明中，将赛车在静止空气中行驶速度v设定为60km/h和120km/h两种车速情况，将侧滑角β设定为-15～15deg，每3deg进行一组试验，洞入口处气流速度V和侧风风速v_w的大小如表1和表2所示。

表1

侧滑角β(deg)	0	±3	±6	±9	±12	±15
							车速v(m/s)	16.67	16.67	16.67	16.67	16.67	16.67
侧风风速vw(m/s)	0	0.87	1.75	2.64	3.54	4.47
							气流速度V(m/s)	16.67	16.69	16.76	16.88	17.04	17.26

表2

侧滑角β(deg)	0	±3	±6	±9	±12	±15
							车速v(m/s)	33.33	33.33	33.33	33.33	33.33	33.33
侧风风速vw(m/s)	0	1.74	3.50	5.28	7.08	8.94
							气流速度V(m/s)	33.33	33.38	33.52	33.76	34.08	34.52

依照以上参数进行风洞试验，共进行了22组试验。

步骤三：使用六分力传感器测量试验过程中赛车的侧向位移、横摆角速度和侧向加速度。

侧向位移是汽车在侧风作用下，偏离行驶方向的侧滑量的大小，是评价汽车的侧风稳定性能的常用指标。侧向位移可以通过对侧向加速度两次积分得到。如果侧向位移很大，说明赛车的侧风稳定性很差；如果侧向位移很小，则说明赛车的侧风稳定性很好。而如果赛车的侧向位移达到或超过一个限值时，赛车会处于失控状态，容易偏离出行驶赛道而发生事故。

除了侧向位移以外，横摆角速度也是判断汽车的侧风稳定性能的重要指标。如果横摆角速度很大，说明赛车的侧风稳定性很差；如果横摆角速度很小，则说明赛车的侧风稳定性很好。如果横摆角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾等危险工况。

侧向加速度影响着赛车手对赛车的操控响应时间，如果侧向加速度很大，赛车很可能没有足够的时间来对赛车的方向来进行修正，因此侧向加速度也直接影响着赛车的稳定性。

步骤二中共进行了22组工况下的试验，使用六分力传感器测量得到22组工况下的侧向位移s₁,Λ,s_i,Λ,s₂₂，22组工况下的横摆角速度ω₁,Λ,ω_i,Λ,ω₂₂，22组工况下的侧向加速度a₁,Λ,a_i,Λ,a₂₂。

步骤四：根据每组工况下测量得到的侧向位移s_i、横摆角速度ω_i、侧向加速度a_i，使用如下公式计算该组工况下的侧风稳定性综合评价指标ψ_i：

${\mathrm{\ψ}}_i=\frac{1}{3}\[\sqrt{\left(\frac{1}{1-\frac{s_i}{2d}}\right)-1}+\frac{4}{\mathrm{\π}}(\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_{\max }}+\arctan \frac{a_i}{a_{\max }})\]$

其中，d为赛车宽度，ω_max为赛车横摆角速度阈值，a_max为侧向加速度阈值。

每组工况下测量得到的侧向位移s_i均不能大于赛车的宽度d，若大于赛车的宽度d，则赛车已经发生了严重侧滑，可直接判断赛车的侧风稳定性很差。

步骤五、对22组工况下计算得到侧风稳定性综合评价指标ψ_i进行加权，得到最终的侧风稳定性综合评价指标ψ

$\mathrm{\ψ}=\underset{i=1}{\overset{22}{\Σ}}{\mathrm{\ψ}}_i.$

对上述侧风稳定性综合评价指标ψ进行分析，若ψ∈[0,0.3)，则赛车的侧风稳定性良好；若ψ∈[0.3,0.6)，则赛车的侧风稳定性中；若ψ∈[0.6,1]，则赛车的侧风稳定性差。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将赛车置于风洞试验室内的可绕垂直轴线旋转的旋转平台上，使用四个支撑杆通过车轮外侧面的中心将赛车支撑起来，并且在支撑杆与车轮支撑处设置有六分力传感器，用于测量试验参数；

步骤二、在进行风洞试验，调整旋转平台的角度β，使β的范围在-β₀～β₀之间，每隔Δβ进行一组试验，同时调整风洞入口处气流速度V，使赛车在静止空气中相对行驶速度v保持固定值；

步骤三、使用六分力传感器测量每个工况下的侧向位移s₁,Λ,s_i,Λ,s_n，横摆角速度ω₁,Λ,ω_i,Λ,ω_n，侧向加速度a₁,Λ,a_i,Λ,a_n，其中n为工况的数量；

步骤四、根据每组工况下测量得到的侧向位移s_i、横摆角速度ω_i、侧向加速度a_i，使用如下公式计算该组工况下的侧风稳定性综合评价指标ψ_i：

${\mathrm{\ψ}}_i=\frac{1}{3}\[\sqrt{\left(\frac{1}{1-\frac{s_i}{2d}}\right)-1}+\frac{4}{\mathrm{\π}}(\arctan \frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_{\max }}+\arctan \frac{a_i}{a_{\max }})\]$

其中，d为赛车宽度，ω_max为赛车横摆角速度阈值，a_max为侧向加速度阈值；

步骤五、对n组工况下计算得到侧风稳定性综合评价指标ψ_i进行加权，得到最终的侧风稳定性综合评价指标ψ

$\mathrm{\ψ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ψ}}_i.$

2.根据权利要求1所述的基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，其特征在于，步骤一和步骤二之间还包括如下步骤：在赛车内放置配重块。

3.根据权利要求1所述的基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，其特征在于，步骤二中，β的范围在-15～15deg，每3deg进行一组试验。

4.根据权利要求1所述的基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，其特征在于，步骤二中，使赛车在静止空气中行驶速度v保持在60km/h。

5.根据权利要求1所述的基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，其特征在于，步骤二中，使赛车在静止空气中行驶速度v保持在120km/h。

6.根据权利要求1所述的基于风洞试验的赛车侧风稳定性指标评价方法，其特征在于，步骤二中，风洞入口处气流速度V满足

$V=\frac{v}{cos\mathrm{\β}}.$