毕业设计（论文）-汽车重心实时监测机理及动力学分析.doc

汽车重心实时监测机理及动力学分析摘 要：简介了传统车辆重心测定的方法和几种传感器原理及其类型，提出汽车重心实时监测机理并进行了车辆行驶动力学分析，通过实时监测汽车的整车重量、重心位置，提供安全装载和安全车速监测与报警，可为汽车安全系统提供可靠的重心计算力学模型，为研制汽车重心实时监测系统提供了必要参数与依据。关键词：汽车重心；实时监测；动力学；传感器中图分类号：u467 文献表识码：amechanics monitoring of motor vehicles center of gravity and dynamics analyse in real timechen jian-le（2005, transportation profession,college of traffic, fujian agriculture and forestry university, fujian fuzhou 350002）abstract: this text introduces the method of the traditional vehicle center of gravity measurement in brief and the principle of several kinds of sensor and its types. it proposes the automobiles center of gravity to monitor and analysis the mechanism and vehicless drive the dynamics in real time,through monitoring the completed weight and center position of the motor vehicles in real time, it can offer the safe travel speed and loading to monitor further and the mechanics model of reliable calculating center for security system of the automobile, it has offered essential parameter and basis for developing the monitoring system real-time of centre of gravity of automobile. key words: center of motor vehicles gravity; monitor in real time;kinetics;sensor.汽车交通事故已成为深刻的全球性社会问题。据统计，汽车交通事故的总体伤害与经济损失规模已大于任何一种自然或其它社会灾害所造成的损失规模1。交通事故调查显示，发生正面碰撞和翻车的事故比较多，死亡率也较高2。其中许多发生翻车事故的主要原因是车辆超载、超速等造成，而这些事故的直接理论原因是车辆操稳性失控，违背了车辆悬架、车辆重心等客观因素的约束。汽车重心位置是影响汽车操纵稳定性、汽车平顺性，汽车安全性的重要指标3，直观的讲，重心的高低直接影响汽车侧倾稳定性和操纵稳定性，重心越高，侧倾稳定性和操纵稳定性越不好。另外，重心位置对汽车制动平顺性及其它性能也有不同的影响，因此，研究汽车重心实时监测机理及应用就显得十分必要。国内外测定汽车重心位置的方法主要有5种传统方法3，对汽车重心实时监测力学模型的研究目前尚无相关报道。本文将有效解决传统重心测定方法的局限，并实现重心位置和汽车整车重量等数据的实时监测，提供安全装载和安全车速监测与报警，为研制汽车重心实时监测系统提供研究基础和理论基础，将更有效地提高车辆的主动安全控制，减少交通事故的发生。1 汽车重心的实用求法及其局限汽车重心位置在理论上可以用合力矩定理4确定它的坐标，在实际运用上由于汽车是由上千个零件组成，靠理论计算是很难想象的。目前测定汽车重心位置的方法有5种：摇摆法、悬挂法、零位法、平台支撑反力法和质量反应法5，而这5种测量方法都存在很大的局限性，这里介绍其中一种测量方法。1.1 汽车重心的横向位置一般假定汽车结构左右对称，故重心一定在纵向对称面上，即汽车重心的横向位置是通过对称性来确定的。1.2 汽车重心的纵向位置空载汽车受力如图1所示，现将后轴置于地秤上，并保持整体水平，根据力矩平衡原理6可以求出： =（/g）l=（/g）l而且根据 只要求得（或），就可以知道（或）了。这种方法主要是通过将汽车置于特定的测量平台上，根据力矩平衡原理测定汽车重心的纵向位置。1.3 汽车重心的高度在测定汽车中心纵向位置的基础上，将其前轴抬高一定的高度，根据力矩平衡及数学原理测量汽车的高度。1.4 满载时整车重心的位置根据已测定汽车空载时的重心位置及装载货物的重心位置，将两者力矩合成求得汽车与货物联合体重心的坐标。1.5 传统测定汽车重心方法的局限性（1）利用平台测定汽车重心，操作复杂，受时间、空间的限制；（2）假设条件过多（如：在测量汽车重心的横向位置时，假定汽车结构左右对称，而实际中这种情况是很少的），从而在实用性上存在很大局限；（3）要测量满载时整车重心位置，必须已知空载时汽车及货物的重心位置，当货物数目大时，操作复杂，实用性不高；（4）不能实时监测重心的变化对汽车速度、转弯速度加速度的影响等限制。2 车辆行驶方程式与驱动力2.1 车辆直线行驶车辆在直线道路上变速行使，受力如图2所示，根据动静法7作用在车辆上的全部外力和它的惯性力组成平衡力系8，满足平衡方程（推动车辆前进的力与各种阻力相平衡），即可得到车辆行使方程式： =+ （1） (1) 式中： 驱动力，向前；滚动阻力，向后；空气阻力，向后；坡道阻力，上坡时向后，下坡时向前（取负号）；惯性阻力，加速时向后， 减速时向前（取负号）；2.2 汽车行驶阻力分析汽车行驶时受到的阻力主要有4种类型：滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和惯性阻力等9。2.2.1 滚动阻力 汽车行驶时,车轮在地面上滚动会因轮胎与地面在接触区域存在法向、切向的相互作用而使轮胎相对地面产生变形,这种变形导致了能量的损耗,此外,轮胎与路面接触部位的相对滑移、悬架的弹性变形与各构件之间的摩擦，以及从动轮轴承和油封处的摩擦等9都会因能量损失而产生滚动阻力，其计算公式为： （2）其中（2）式中g为整车重量，f为滚动阻力系数，通过实验可以测定，可参考表1表1 滚动阻力系数f的数值tab.1 number of rolling resistance coefficient路面类型滚动阻力系数f路面类型滚动阻力系数f良好的沥青或混凝土路面0.0100.018干燥的压紧土路0.0250.035一般的沥青或混凝土路面0.0180.020雨后压紧土路0.0500.150碎石路面0.0200.025泥泞土路面0.1000.250良好的卵石路面0.0250.030干砂的路面0.1000.300坑洼卵石路面0.0350.050湿砂的路面0.0600.150结冰的路面0.0150.030压紧的雪道0.0300.050数据来源：交通事故学7 2.2.2 空气阻力fw 处于空气介质中的汽车，在行驶时必将受到空气的作用，空气阻力按其产生，可以分为压力阻力、诱导阻力、干扰阻力、内循环阻力、摩擦阻力10，并近似地认为其力作用线通过质心，其计算公式为： fw= （n）(3), 其中(3)式中v为车与空气相对速度，若不计风速时，它就是车速，a为迎面面积，即车辆行驶方向的投影面积，为空气阻力系数，它主要决定于车身整体形状及前后细部结构等因数，由实验测定，可参考表2 表2 汽车的空气阻力系数和迎风面积tab.2 cars coefficient of air resistance and area of facing the wind车型空气阻力系数迎风面积一般轿车0.30.61.42.00.421.2货车0.60.73.06.01.84.2大客车0.60.74.07.02.44.8数据来源：交通事故学72.2.3 坡道阻力 汽车在坡道路面上和行驶时，其重力沿道路方向的分力表现为汽车的坡度阻力，车辆在倾角的坡道上行驶时，重力g沿坡道的分力为： （n）根据我国公路设计规范（jtj1-88）中规定，高速公路在平原及微丘地区，最大允许纵坡仅为3%，一级路为4%，即使是最低四级路且在山岭及重丘地区，最大允许纵坡为9%11，因此可得近似关系：故可得关系式 (4), (4)式中为纵坡度；2.2.4 加速阻力fg 汽车加速行驶时按动静法有一惯性力存在，即加速阻力，它与加速度的方向相反。其计算公式7为： (5）其中(5）式中a为车辆加速度(),g为车辆的总重量，g为重力加速度, 为旋转质量换算系数，当不考虑旋转惯性的影响时=172.3 汽车驱动力2.3.1 驱动力的产生汽车行驶要靠发动机运转并产生相应的转矩，该转矩经传动系传至驱动车轮并使之对地面产生一个圆周力f，此时路面对驱动轮产生一个反作用力，如图3所示，的作用是驱动汽车向前运动。 由作用力与反作用力定理12得： （n）（6）（6）式中发动机传至驱动轮上的转矩 （nm）； r车轮半径（m）。对于传统的传动系，发动机转矩经过变速箱和主减速器等传动装置传至驱动轮后的转矩为：(nm) （7）（7）式中 使用状态时的发动机转矩（nm）； 变速器所处挡位的转动比； 住减速器的传动比； 传动系的机械效率将式（7）代入式（6）可以得到驱动力的计算式： (n) （8） 因发动机发出的功率13为，故 （8）式中 使用状态时的发动机功率（kw）； 使用状态时的发动机转速（r/min）。根据上式可以得到驱动力又一计算式： (n) （9）2.3.2 驱动力与发动机转矩的关系 驱动轮的受力如图4所示，转心处除受有载荷和水平推动外，还有驱动轴(半轴)给它的驱动力偶mt，另外轮胎的着地点b处受路面给它的法向反力，切向摩擦力及滚动阻力偶，与驱动力偶mt相对应的路面切向反力为ft= (10) , (10)式中驱动力偶mt是发动机转矩me转换过来的，根据转动惯性并考虑传动系统的能量损耗可以得到：=（11） 由(10)、（11）式可以得：（12）（12）式中发动机转矩；变速器的传动比；后桥主传动的传动比；整个传动系统的机械效率； r轮胎半径。2.4 考虑横向坡度时车辆行驶动力学分析汽车受力如图5所示，汽车在具有横向坡度路面上行驶时，车辆将产生侧滑，假设内倾角为，则横向坡度为，整车重量为g，重心高度为h，左右轮距为b，路面提供横向附着力为fy，当车辆直线行驶时，左右车轮各承受一半的重量，当在转弯时，离心力fg与横向附着力fy组成倾覆力矩，引起内侧车论所承受的重量向外侧车轮转移，但离心力增大到使内侧车轮脱离路面时，便出现侧向翻滚，若内侧车轮刚要脱离路面的临界状态时，临界车速为，侧翻的临界条件为内侧车轮面反力；若刚要侧滑时车辆的临界速度为，侧滑的临界条件是侧向附着力fy达到最大值，即fy=（ni+no）（13），（13）式中为路面横向摩擦系数，可由实验侧得。现以路面切向为y坐标，法向为x坐标，水平离心力fg和铅垂重力g可沿y、z方向分解为两个分力gy和gz （图中未标注）。2.4.1车辆侧翻临界速度的分析根据侧翻的临界条件，对外侧轮胎着地点建立力矩平衡方程移项并除去可以得到： 即： （14）由离心力公式 （15）由式（14）和（15）得到侧翻的临界速度：（16）其中（16）式中r为车辆长度，为与前轴上内外轮转过相应的角度，即可由转向角度传感器测得。2.4.2 车辆侧滑临界速度的分析根据侧滑的临界条件fy=（ni+no），路面法向和切向平衡方程为：z得：（17）y=得：（18）由式（13）、（17）和式（18）可以得到： 整理得： （19） 由式（15）和（19）可以得到侧滑的临界速度：（20）2.4.3 横向坡度车辆行驶驱动力分析当汽车在具有横向坡度路面上直线行驶时，驱动轮上既受到向内侧的横向转向力，又受到向前的驱动力，将两者按矢量合成，即可得到路面提供给车辆的横向附着力，而不能超过路面所提供的附着力，即：（21）（21）式中fy= 故3 几种车用传感器简介3.1 传感器的工作原理传感器是一种能感受规定的被侧量并按照一定规律换成可用输出信号的器件装置，通常又敏感元件和转换元件组成14。其基本原理是由装在被侧物体上的敏感元件获得被侧信号，通过转换元件，将信号转换成电信号，再将电信号通过放大、过滤和缓冲等处理而产生一个模拟信号输出，如图6所示。敏感元件转换元件信号调节器器滤波器放大器信号输出图6 传感器原理fig.6 principle of the sensor device3.2 车用传感器的几种主要类型随着汽车技术的发展在汽车上装的传感器不但使用数量多，而且其他地位越来越重要。传感器是汽车电子控制的“眼睛”15，如果没有传感器，实现汽车电子控制是根本不可能的。应用于车辆上的传感器主要有以下几种类型15：加速度传感器（加速度计）、偏航速率传感器、压力传感器、高压传感器、温度传感器、质量流量传感器、雷达传感器、视频传感器、轮速传感器、凸轮和曲柄角度传感器、转向角度传感器、力和扭矩传感器、光传感器、雨水传感器、用于氧化探测和汽油比控制的化学传感器、用于排放控制的化学传感器、用于空气质量的传感器、用于媒介的化学传感器、电流传感器、轮胎压力传感器等。以下仅对本文用到的几种传感器的原理及类型做简单介绍：3.2.1 车用加速度传感器简介目前，国内测定汽车加速度的传感器主要有以下4种类型：差动变压器式加速度传感器、水银式减速度传感器、开关型加速度传感器、惯性压敏电阻式负加速度传感器16。（1） 差动变压器式加速度传感器 利用耦合变压原理14获得加速度信号,汽车在正常行驶时,差动变压器线圈内的铁心处于线圈中部位置,当汽车制动减速时，铁心受惯性力作用向前移动,从而使差动变压器线圈内的感应器电压变化，以此作为输出信号来控制系统的工作。（2） 水银式减速度传感器 当汽车在低附着系统路面制动时，汽车减速度小，水银在玻璃管内基本不动,abs控制电路接通，由abs系统（防抱死控制系统）控制车轮防抱死，保证滑路面上的制动稳定性。当汽车在高附着系统路面制动时，汽车减速度大，水银在玻璃管内因为惯性作用前移，后面玻璃管内水银前移之后电路断开，向ecu（中央控制单元）发出汽车减速度信号，再根据车轮转速的信号，ecu做出是否进行车轮制动防抱死控制的判断，确保车辆不跑偏。（3） 开关型加速度传感器 用来侧汽车的横向加速度，在横向加速度开关中，串联有两对开启方向相反的开关触点，当汽车的横向加速度低于限定值时，两对触点都处于闭合状态，插头两端子通过开关内部构成通路，当汽车的横向加速度超过限定值时，开关中的一对触点在自身惯性力的作用下处于开启状态，插头两端子之间开路。（4） 惯性压敏电阻式负加速度传感器 由惯性压敏感电阻元件组成的电桥、恒压源电路、抗干扰及温度补偿电路等组成15。紧急制动时，传感器上的质量块随加速度的大小产生相应的惯性力，施加在压敏电阻元件上，从而改变电桥的平衡状态，输出随负加速度变化的电压信号。3.2.2 车用速度传感器简介位于轮胎上的旋转速度传感器并不直接监控速度，它们传感轮胎周长的运动，这将在每转中传感48或32次时对轮胎尺寸进行一些修正17，在所有情况下，这些信息都是通过电子控制单元（ecu）处理的。以下介绍3种速度传感器：笛簧式、磁阻元件式、光电式17。（1）笛簧式车速传感器 利用磁极相互吸引和排斥的性质而实现监测车速及速度报警的目的；（2）磁阻元件式车速传感器 采用了元件电阻随磁场而变化的磁阻元件，以磁阻元件来检测车速；（3）光电式车速传感器 利用发光的二极管刺激光敏元件导通电路产生脉冲信号输出。3.3 测定车辆载荷传感器的展望目前，国内外压力传感器一般都偏向于测定汽车气体压力（如：轮胎压力传感器），而且测量汽车重量也是基于一种固定平台上，尚无一种适合于实时检测车轮受地面压力的传感器，这种能够实时监测车辆载荷的传感器有待于开发。4 车辆重心实时监测动力学模型4.1 建立数学的力学模型通常情况下，汽车在行驶时，必须对汽车施加一个驱动力加以克服各种阻力，在汽车行驶过程中，其阻力通常由滚动阻力、空气阻力和上坡阻力组成18，汽车的每一车轮均受到6个约束反力的作用，汽车在水平面曲线加速运动时的情况下，前后轮正压力可通过安装适合的压力传感器来测定，行驶加速度可通过加速度测试器监测，轮胎与路面的滚动阻力系数与路面类型、行车速度及轮胎构造、材料、气压有一定关系7，空气阻力由经验公式计算,暂不考虑其它空气动力学方面的影响。4.2 测定力学公式及各参数汽车四个轮分别受到地面的法向约反力，设前轮为z1、z2，后轮为z3、z4，可由压力传感器测定，则汽车总重量，由动静法汽车受空间力系平衡可得重心高度的数学表达式19： （22） （22）式中b为车辆两轮宽间距，b1为车辆重心距横轴方向的距离，其值可通过如下静力平衡方程14求得，为空气密度。当车辆启动前，设其静止在水平面上，则根据四轮压力传感器静态所测值可列方程式：则有 （23）（23）式中m为整车质量，可由（24）测得，g为重力加速度，为汽车向心加速度，可由加速度测试器测得。另一重心高度公式19： （25） 式中l为车辆两轮轴间距，m为整车质量可由（24）式求得，为汽车切向惯性力，可由加速度测试器测得后，再由公式求得，为空气阻力，一辆车的风阻系数是固定的，根据风阻系数即可算出车辆在各种速度下所受的阻力20。l2为车辆重心距纵向的距离，其值可通过如下静力平衡方程求得。当车辆启动前，设其静止在水平面上，则根据四轮压力传感器静态所测值可以得到：=（26）从以上各式知（22）、（25）均可作为汽车重心高度测定公式，我们可取二者的平均值作为汽车重心高度计算式 （27）5 汽车重心实时监测机理5.1 临界速度力学分析 汽车在纵坡度上行驶时，如果坡道角大道到某种程度或车速达到某一极限值，致使汽车重力的作用线在侧视图上通过后轮与地面的压力为零，汽车将失去操纵能力并可能纵向翻倒，要使汽车不沿纵向后翻，汽车的前轮法向约反力必须满足式子： （28） 式中，空气阻力由式（3）计算，则有临界微分方程：令并令方程为零，则方程化简为： (29)设速度初值为解方程得 （30） 由(30)式可画得vt图19（在不影响定性研究情况下，不防设=2, =1500, =0, =0） 图7 v-t曲线 fig.7 v-t curve 注：图7由教学软件mathmatic v5.0绘制 由式（30）及v-t图可知 （31）同时，要使汽车不绕横向侧翻，同一侧上车轮的法向约反力必须满足式子： （32）式中，r为路面半径，解（32）式可得 （33）另一方面，当侧向分力大于路面的侧向附着力时，在转弯车速为v时发生侧滑，则侧滑的临界速度6为：（34）（34）式中g重力加速度r汽车转弯半径 附着系数由上式知v必须同时满足（31）、（33）和（34）式，可得安全行驶速度临界值vm。显然（31）式中hg可能发生变化，（33）式中hg 和r都可能变化，将其转化为电子数据输入速度监测仪表再考虑可靠的安全系数n后,将nvm数据传送给司机，并在速度为vm时产生报警，就可以为司机在行车速度方面提供限速的有效数据。5.2 监测流程图安全 控制 多路传感器信号转换器 信息处理控制系统 ga，hg，v等数据显示仪表超临界值报警输出计算机测量体放大器 图8 监测流程图fig.8 monitor of the flow chart 6 结 语 汽车重心位置是汽车的重要参数之一，对汽车的动力性、制动稳定性、操纵稳定性、舒适性、通过性（越野性）21等有重要影响，对提高整车的安全系数是一个重要因素。本文介绍了一种新型测定汽车重心的方法，摆脱传统测量汽车重心时受到“专用平台”等设备的束缚，代以恰当的随车安装的传感器所提供的数据信号，通过计算机处理以动静法测定重心，实现一种实时监测的目的，它是一种具有动态性与实时性的重心实时监测机理，不受设备与时间地点的限制；可以方便地监测整车重量，为司机实时提供相关数据，防止车辆在倾斜路面上或高速转弯时发生侧翻或侧滑等现象。汽车重心实时监测机理可以实时的、动态的、简便的对汽车重心、速度及加速度等参数进行监测，是汽车主动安全技术理论发展的补充；对现代安全控制系统的研究具有重要理论意义与应用价值，对汽车重量及重心有效地监测将大大减少交通事故的发生，提供可靠的安全性能，更有效地保证生命与财产的安全。参考文献：1 魏 朗刘浩学汽车安全技术概论m北京：人民交通出版社，19991-32 姜立标现代汽车最新安全控制装置构造与检修实务m北京：人民交通出版社，20033 佟 刚，张宏治 汽车重心位置的控制沈阳航空工业学院学报j，199619，13（1）4 重庆建筑大学理论力学m北京：高等教育出版社，1999213-2155 姜 鹏汽车重心位置确定方法与试验设备的选用j辽宁汽车，1999(2)：15-166 李桌球理论力学m武汉：武汉理工大学出版社，200177