汽车稳定性控制虚拟样机和试验研究

206机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第7期2011年7月文章编号10013997201107020602汽车稳定性控制虚拟样机和试验研究水范小彬夏群生。河南理工大学机械与动力工程学院，焦作454000清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084VIRTUALPROTOTYPINGANDEXPERIMENTALRESEARCHOFVEHICLESTABILITYCONTROLFANXIAOBIN，XIAQUNSHENGSCHOOLOFMECHANICALANDPOWERENGINEERING，HENANPOLYTECHNICUNIVERSITY，JIAOZUO454000，CHINA2THESTATEKEYLABORATORYOFAUTOMOBILESAFETYANDENERGY，TSINGHUAUNIVERSITY，BEIJING100084，CHINA【摘要】首先，采用自制的简易三坐标测量仪对样车的各铰点硬点进行实测，并通过实测或辨识方法确定减振器、转向系统等部分的特征参数；然后，在多体动力学软件中建立该样车整车虚拟样机模型，并建立基于横摆和侧偏的车身稳定性控制系统模糊控制器，其仿真结果表明所建控制器控制效果良好。最后，为了探析样车原装稳定性控制系统控制算法等，对样车进行了冬季试验，并得出了一些有益的启示，这为下阶段自主开发汽车稳定控制系统提供了参考。关键词稳定性控制；虚拟样机；侧偏；横摆；冬季试验【ABSTRACT】FIRST，THEHINGEPOINTHARDPOINTSOFPROTOTYPEVEHICLEWASMEASUREDBYASELFMADESMPLETRIORDINATEMEASURINGAPPARATUS，ANDTHECHARACTERISTICPARAMETERSOFSUBSYSTEMSOFSHOCKABSORBER，STEERINGSYSTEMANDTHEWHEELWEREMEASUREDORIDENTIFIED；THEN，THEVIRTUALPROTOTYPINGMODELFORPROTOTYPEVEHICLE珊BUILTINMULTIBODYDYNAMICSSOFTWAREANDBODYSTABILITYCONTROLSYSTEMWASBUILTBASEDONTHEYAWINGANDCORNERING，WHICHSHOWSTHATTHEFZYCONTROLLERISSATISFIEDWITHITSSIMULATINGRESUHSFINALLY，INORDERTOANALYZEORIGINALCONTROLALGORITHMOFTHESTABILITYCONTROLSYSTEMOFPROTOTYPEVEHICLE，WINTERTESTWASCARRIEDOUTANDSOMEENLIGHTENMENTFORTHENEXTPHASEISOBTAINED，WHICHWOULDPROVIDEBENEFICIALENLIGHTENMENTFORDEVELOPINGAUTONOMOUSLYSTABILITYCONTROLSYSTEMSOFTHEVEHICLEKEYWORDSSTABILITYCONTROL；VIRTUALPROTOTYPING；CORNERING；YAW；WINTERTEST中图分类号TH16，U4671文献标识码A1概述汽车电子稳定性系统ESPELECTRONICSTABILITYPROGRAM是以制动防抱死系统ABS为基础，通过外围的传感器收集方向盘转动角度、侧向加速度、横摆角速度、节气门开度等信息，ECU根据这些信息，通过计算判断汽车当前行驶状态与驾驶员期望安全行驶的差距，从而调整发动机的转速和车轮上的制动力。如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差超过一定门限，ESP系统自动对某一车轮施加制动和驱动控制等，从而修正汽车的过度转向或不足转向，避免打滑、过度转向、不足转向和抱死等。据统计，安装该系统后轿车单车致命事故下降3050、而SUV该类事故降低5070。为了研究某样车的ESP控制算法，采用虚拟样机技术和实车试验对其进行了比较研究。2ESP系统虚拟样机仿真21整车虚拟样机建模首先，采用自制坐标仪对样车的各铰点HARDPOINT一硬点进行实测，如图L所示，并通过相关试验或系统辨识的方法获得各部件的几何参数、物理参数和力学特性参数等，然后在专家模式TERNPLATEBUILDERT建立各个模板TEMPLATE文件，如前后悬架系统、转向系统、发动机、车身、轮胎模型等子模型，并定义子系统之间的信息交换器COMMUNICATOR，然后根据所建立的模板文件创建各个子系统SUBSYSTEM文件351；最后，在标准STANDARD模式下将各SUBSYSTEM通过信息交换器建立整车模型ASSEMBLY，如图2所示。一图1硬点坐标实测图2整车虚拟样机建模22ESP控制系统建模汽车运动一类是轨迹保持问题，它可用汽车侧偏角来描述，其质心轨迹由轮胎所受的综合力决定；另一类是稳定性问题，它可用汽车的横摆角速度来描述，它与轨迹保持问题相互关联，由各轮胎上的力对汽车质心力矩来决定。所以，ESP控制系统常采用横摆角速度和质心侧偏角联合控制的策略。根据汽车平面二自由模型，可求出稳态圆周运动时的侧偏角和横摆角速度来稿日期20100917基金项目国家863高技术研究发展计划资助项目2006AA110101，河南省自然科学研究资助项目2011B580001第7期范小彬等汽车稳定性控制虚拟样机和试验研究207辚6，622一M2。一6式中N、6一汽车质心距前、后轴距离；、C一前、后轮胎侧偏刚度；R一汽车总质量；一车速；轴距；一前轮转角。另外，当汽车做圆周运动时，横摆角速度还要受到路面附着条件的限制，即存在最大允许横摆角速度。其计算过程如下首先，设汽车质心的横向加速度为AVXRV，其中，VYVTAN则可表I，西示为VCXTA，_一，在轮胎附着极限下的侧向加速、JTAN度须满足IALG，考虑到上式中的后两项很小，最大横摆角速度LI可用如下的近似公式表示目R_LIM085L兰I。这样可得期望的LL横摆角速度为R6为RDMINL，L1SIGN62极限侧偏角采用经验公式为TAN0021XG，则期望侧偏角为LLRAIN1卢51，L一。132。3ESP联合控制仿真通过对机械和控制系统使用联合仿真，机械工程师和控制工程师可以共同享有一个样机模型，进行设计、调试和试验，从而提高了效率。为了进行ESP控制系统联合仿真，需要将在ADAMSCAR中建立的虚拟样机模型转化为SFUNCTION到MATLABSIMULINK中，横摆和侧偏联合模糊控制仿真原理图【9】，如图3所示。首先，从整车虚拟样机模型得出车辆横摆角速度和侧偏角等状态参数，然后与参考模型计算出的期望横摆角速度和侧偏角进行比较，判断车辆的稳定状态。有无ESP控制时的横摆角速度和侧偏角仿真结果，如图4所示。由图4可以看出，采用侧偏横摆联合控制后，实际横摆角速度能很好的跟随理想值，侧偏角的控制效果比较理想，控制在5。以内。图3横摆和侧偏联合模糊控制框图3ESP实车冬季试验为了研究样车ESP控制系统，在北方某试验场进行了冬季试验，RT3000GPS惯导测量系统和现场实验照片，如图5所示。其中，采用的试验方法主要有冰，雪面双移线、冰面J弯等。冰面双移线试验结果，如图6所示。试验时车辆以2档进入车道后左转。为了便于比较，图中将车速、发动机转速、横摆角速度等参数均乘以一定系数。其中，节气门开度在O1之间O为全关，1为全开【。厂、期望，未控制|L、1，。，、时间SECA横摆角速度仿真一、I一有ESP控制I、L无ESP控制I01234时间SECB倒边角仿真结果图4有无ESP控制时的横摆角速度和侧偏角仿真结果图5试验车辆及装置照片LRLLJL二二IL脏是是趟嚣IN；礓NFJI图6冰面双移线试验结果从图6可以看出，在14S时对后左轮进行了制动，此时方向盘为左转，系统认为车辆出现了不足转向趋势；在38S时，对后右轮进行了制动，此时方向盘右转，系统认为车辆亦出现了不足转向趋势。从滑移率曲线看出，在4S时施加的制动压力过大以致后M0珈珈枷皆P，蕈208机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第7期2011年7月文章编号10013997201107020803STXS135型旋塞阀本体的有限元分析奚泉张怡典九江职业技术学院，九江332007FINITEELEMENTANALYSISOFSTXS135TYPEPLUGVALVEBODYXIQUAN，ZHANGYIDIANJIUJIANGVOCATIONALTECHNICALCOLLEGE，JIUJIANG332007，CHINA；【摘要】钻柱内防喷系统，就是预防及处理钻柱内井喷的配套系列产品。目前，针对内防喷系统中重要工具之一的旋塞阀的研究还很薄弱，因此，展开对旋塞阀的全面研究具有重要的理论意义和工I程意义。旋塞阀本体的断裂问题，一直困扰着生产商和用户。针对这一问题，运用ANSYS软件，建,2阀本体的有限元模型，分别对本体在拉、扭、内压等多种载荷下的本体强度详细分析，找出阀本体应力集I中的主要原因，提出改进建议，这些研究工作将为旋塞阀的改进研制提供具有参考价值的理论依据。关键词旋塞阀；有限元；应力集中；双线形随动强化模型【ABSTRACT】BLOWOUTPREVENTINGSYSTEMINSIDEDRILLSTRINGISSERIESOFPRODUCTSMATCHEDFORPREVENTING；FROMBLOWOUTANDITSHANDLINGINSIDETHEDRILLSTRINGATPRESENT，THERESEARCHFORPLUGVALVEWHICHISONEOFIMPORTANTTOOLINBLOWOUTPREVENTINGSYSTEMINSIDETHEDRILLSTRINGISTOOWEAK，INTHISCOSECOMPREHENSIVELSTUFORTHEVALVEISVERYSIGNIFICANTBOTHINTHEORYANDENGINEERINGTHEFRACTUREOFTHEVALVEBOHASBEENPERPLEXINGTHEMANUFACTURERSANDUSERSECCTOTHISPROBLEM，AFINITEELEMENTMODELOFTHEVALVEBOISLSETUPWITHANSYSOWOFE，INWHICHTHEINTENSITYOFVALVEBOUNDERVARIETYOFLOADSSUCHDRAWING，SPRAINING,PRESSINGAREANALYZEDINDETAILTHENMAINREASONOFSTRESSCONEENTRATIONOFVALVEBOISFOUND；OUTANDTHEIMPROVINGSUGGESTIONISOFFEREDTHEREFORETHERESEARCHWILLPROVIDETHEORETICALBASISFORREFER一；ENCEINIMPROVINGANDDEVELOPINGTHEVALVE2KEYWORDSPLUGVALVE；FINITEELEMENT；STRESSCONCENTRATION；BILINEARFOLLOWUPINTENSIFIEDMODEL中图分类号TH16，TE9277文献标识码A1引言方钻杆旋塞阀是钻井中内防喷系统的重要工具之一，包括上、下旋塞阀，上旋塞阀本体被安装于水龙头下端接头与方钻杆上端之间，下部旋塞阀本体安装于方钻杆与钻柱之间。它的主要K来稿日期20100916用途是在可能井喷睛况下水龙头、水龙带或立管被刺漏或折断时可用它来关闭钻柱内的通孔L】1。旋塞阀在防止钻柱内井喷起着重要的作用。在实际应用中有的旋塞阀承受着恶劣的工作载荷导致失效断裂，不仅直接影响着钻井的正常工作，而且会导致油井停右侧车轮滑移率达到06，即将近抱死，为了兼顾车辆稳定同时又不抱死，系统此时还进行了发动机制动节气门开度减小、发动机转速降低。在53S时刻车轮还是出现了抱死，表明原车ESP系统尚存在一定问题。从仿真和试验得到的滑移率曲线也可看出，二者吻合较好，表明所建整车虚拟样机及控制模型精度较好。4小结以某样车为研究对象，首先在多体动力学软件中建立其整车虚拟样机模型，然后在MATLABSIMULINK中建立基于横摆和侧偏的ESP模糊控制器，仿真结果表明所建控制器控制效果良好。采用多体动力学软件和控制软件对ESP进行联合仿真分析，可以显著的提高仿真精度、缩短开发周期。为了探析样车ESP系统，对样车进行了冬季试验，发现了一些有益的信息，为下阶段自主开发ESP奠定了基础。参考文献1SUSANAFERGUSONTHEEFFECTIVENESSOFELECTRONICSTABILITYCONTROLINREDUCINGREALWORLDCRASHESALITERATUREREVIEWTRAFFICINJURYPREVENTION，200783293382ATVANZANTENBOSCHESPSYSTEMS5YEARSOFEXPERIENCESAEPAPER，20001163313JMSCGETTINGSTARTEDUSINGADAMSVIEW，20074LBPACEJKATYREANDVEHICLEDYNAMICSOXRDBUTTERWORTHHEINEMANN，20065AMULIUBOGDANPROCA，ALIKEYHANIIDENTIFICATIONOFPOWERSTEERIN