基于ADAMS的FSAE赛车操纵稳定性的优化

浙江科技学院毕业设计（论文）基于ADAMS的FSAE赛车操纵稳定性的优化学生姓名：李银为 指导教师：李强副教授浙江科技学院机械学院摘 要 本文以多体系统动力学理论为理论依据，使用仿真软件ADAMS/CAR工具，建立浙江科技学院FSAE赛车的整车虚拟模型，并对其进行整车操稳性的仿真和评价。同时，通过改变变量：轮胎侧偏刚度、轮胎宽度、轴荷分配，质心高度、转向系统传动比，分析这些因素其对赛车操纵稳定性的影响程度，最后提出优化方案。 本文首先阐述了汽车操纵稳定性研究的主要内容、评价体系与多体系统动力学的相关理论，对ADAMS软件的介绍及其计算分析机理的了解学习。然后按照整车虚拟模型建模的基本流程，建立了适合FSAE赛车的整车虚拟模型。 由于不同的操纵稳定性试验需要采用不同的控制方法，编写相应的控制文件，设定控制参数，模拟实际的试验状态，使虚拟整车模型按照试验标准运行。对于驾驶员-车-道路系统的闭环试验，采用ADAMS软件中的闭环控制方法办法，模拟驾驶员通过车辆情况反馈而采取得操作。 本文的重点是通过对分析上述五个对赛车操纵稳定性有影响的因素得出其对赛车操稳性的影响规律，最终得出操纵稳定性的综合评价，并以此为依据对FSAE赛车提出改进方案。整个研究工作以通过ADAMS建立赛车整车的虚拟模型、虚拟分析为核心，初步实现了通过FSAE赛车整车虚拟模型对整车操纵稳定性的仿真分析，得出了FSAE赛车的操纵稳定性的影响因素和规律，这对FSAE赛车的操纵稳定性的改进具有重要意义。关键词：FSAE赛车 ADAMS仿真 操纵稳定性 虚拟样机Optimization of FSAE racing controllability and stability based on ADAMS Student: Yinwei Li Advisor: A.P.Qiang LiSchool of Mechanical and Automotive Engineering Zhejiang University of Science and TechnologyABSTRACT Based on the theory of multi-body system dynamics, Zhejiang University of Science and Technology FSAE racing car virtual prototyping is established under the ADAMS/Car-the mechanical system simulation software . According to experiment standard, we run simulation of vehicle controllability and stability tests. Then analyse how axle load, center of mass height, steering ratio, tire cornering stiffness and tire width influence the controllability and stability performance of the FSAE racing car, provides the improvement suggestions. In this paper,we introduce the content and the evaluation criterion of vehicle controllability and stability test. And introduce the multi-body system dynamics theory，approach the analysis mechanism of ADAMS. Then built up the FSAE racing car dynamics model according to the basic process of vehicle virtual prototype modeling. Due to using the different control method, we should define the corresponding controlled variable, establish the control file and the simulation test condition, and make the movement of dynamics vehicle according to the country standard.Regarding to the driver-vehicle-road system experiment, we use the closed-loop control method which ADAMS provides, imitates the driver operation which adopts the feedback from vehicle. It is the key point to analyse how each test results influences when axle load, center of mass height, steering ratio, tire cornering stiffness and tire width changed. The whole research work concentrates on the exploration the influence of five variable point above to the controllability and stability,and application of virtual design and analysis. Finally we get the controllability and stability performace for FSAE racing car and provide the improvement suggestions.Key Words:FSAE racing car;ADAMS simulation;Contrallability and stability;Virtual prototype目录摘 要iABSTRACTii目录iv第一章 绪论11.1 研究动机与目的11.2 研究背景11.3 研究方法与系统描述31.4 论文内容概述3第二章 汽车操纵稳定性的概述与评价指标52.1 汽车操纵稳定性的内容52.2 操纵稳定性的评价指标62.2.1车辆坐标系72.2.2汽车操纵稳定性的开路评价法72.2.3汽车操纵稳定性的闭路评价法102.3汽车试验的两类评估方法112.4本章小结11第三章 多体动力学理论及赛车ADMAS模型的建立123.1 多体系统动力学的基础理论123.2 ADAMS/CAR软件简介及赛车整车建模133.3 FSAE赛车虚拟样机的建立143.4 虚拟样机的验证163.5 本章小结18第四章 FSAE赛车操纵稳定性评价194.1 赛车参数的变量设置194.2 稳态回转试验仿真分析204.3 蛇行试验仿真分析224.4 转向盘转角阶跃输入仿真分析254.5 转向盘转角脉冲输入仿真分析274.6 FSAE赛车操纵稳定性的改进意见28第五章 结论29参考文献30致谢31iii第1章 绪论1.1 研究动机与目的 浙江科技学院于2013年12月成立FSAE车队，已连续参加2014,2015年两届FSAE比赛，为了备战2016年的比赛，需要在原来的基础上，对新赛季的赛车在操纵稳定性上进行优化，以取得更好的成绩。我们通过在ADAMS软件中进行FSAE赛车虚拟模型的建立，进行整车仿真试验可以缩短设计周期和优化赛车操纵稳定性，有利于取得更好的赛车性能。本文主要通过对浙江科技学院2015年这款赛车的操作稳定性进行研究。1.2 研究背景 Formula SAE (FSAE) 由国际汽车工程师学会(SAE International)于1978年开办，其概念源于一家虚拟制作工厂，向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有优异的表现并且足够稳定耐久。 在参加比赛之前车队一般会耗时8到12个月的进行设计工作、建造工作、测试工作和调教赛车的工作。在和各地的大学车队的较量中，这项赛事给了参赛人员展示他们的创造能力和工程能力的舞台。为了实现比赛的目的、参赛人员可以假想自己是设计人员。汽车公司要求他们设计、制造一辆赛车来评价估计这个公司某项目的一款车。该公司希望的销售市场是假日非职业汽车比赛。所以，该车需要在在加速，制动和操控等方面非常出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需符合大众审美、舒适程度较高，零部件需要符合通用性以便于维修节约成本。汽车厂商打算每周生产28辆这款车, 同时要求这款车耗资应少于2.5万美元(该规则09年已经取消)。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。随着汽车工业驱动技术的不断革新，以混合动力、纯电动汽车为主的大学生方程式赛事同样发展迅猛，势必成为今后的发展趋势。美国是首个开始混合动力FSAE项目的国家;而电动车FSE则在德国赛Formula Student Germany组委会的极力倡导下迅速发展起来。30多年来，FSAE已发展成为每年由15个国家举办的20场赛事、并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。2013年已举办或即将举办FSAE比赛的国家有:美国、加拿大、德国、英国、奥地利、意大利、西班牙、匈牙利、捷克共和国、巴西、澳大利亚、日本、印度、中国及泰国。中国自2010年开始引进FSAE赛事以来，国内高校车队发展迅猛，据2013年的报名情况，比赛已扩展至超过60支车队的参赛规模，成绩喜人。现今已有武汉理工大学、湖北汽车工业学院、同济大学、合肥工业大学、湖南大学、吉林大学、哈尔滨工业大学(威海)、北京理工大学、厦门理工学院、华南理工大学、昆明理工大学，河南科技大学、华侨大学等本科高校以及西安汽车职业技术学院等专科院校参与其中1。图1.1 FSAE赛事分布 比赛由若干个静态和动态的项目来评判汽车的优劣，这些项目包括：技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。裁判通过给这些项目打分来评判汽车的各个性能。比赛总分为1000分，具体项目分值分配如下：表1.1 赛事分值分布静态项目分值动态项目分值营销报告75直线加速测试75赛车设计1508字绕环测试50成本与制造分析100高速避障测试150耐久测试300效率测试100静态项目分数合计325动态项目分数合计675 浙江科技学院于2014年参加了FSAE中国赛，在燃油组中，我们取得了不俗的成绩。直线加速第22名，8字环绕第21名，高速避障第34名，耐久比赛第15名，效率测试第10名，总成绩第18名，超越浙江大学在浙江省参赛队伍中成绩位居第一。图1.2 浙江科技学院FSAE赛车队2014赛场1.3 研究方法与系统描述我们知道汽车的操纵稳定性与很多因素有关，比如汽车的结构设计，汽结构参数，例如质心高度，轮胎宽度，轮胎侧偏刚度，轴荷分配和转向系统传动比等因参数有关2。为了研究这些参数对汽车操纵稳定性到底有怎么的影响，我们打算通过学习adams软件，在adams软件中根据学校方程式赛车的具体参数在模型中改相关参数，以轮胎侧偏刚度、轮胎宽度、轴荷分配，质心高度、转向系统传动比为变量，构造出6种不同参数的整车设计方案，然后应用该模型进行了整车仿真试验，其中包括稳态回转、转向盘角阶跃输入、转向盘角脉冲输入、蛇行穿越等仿真试验。通过对这些试验图表的分析得出上述6个变量对赛车操作稳定性能的影响大小和规律。根据汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法，对大学生方程式赛车的操纵稳定性进行了评价，以求得对赛车操纵稳定性的优化方案与措施。1.4 论文内容概述 本文针对FSAE赛车，基于ADAMS建立了整车仿真模型，改变6个参数变量来进行赛车行驶操稳性仿真试验，根据试验的评价标准对仿真结果进行了后处理和评价，得出上述变量对赛车操作稳定性的影响程度，对整车的行驶操稳性进行优化仿真。本文的主要研究内容如下： （1）首先介绍了汽车行驶操稳性的主要研究内容，通过对赛车车行驶操稳性的研究情况进行分析，获得了本文所需的方向和操纵稳定性问题的研究方法。当我们完成文献的查找和数据信息的收集，形成了全面的建立赛车整车模型的方案及其汽车操稳性仿真试验和对结果曲线图分析的思路。（2）在ADAMS/Car模块中进行了赛车整车模型的建立，创建了前悬架模型，后悬架模型，建立了相应的横向稳定杆，建立了轮齿条式类型的转向系统、建立了车身系统和前后轮胎等子系统，通过相应的通讯器将各个子系统连接起来，组装成赛车整车模型并对模型进行验证性仿真。 （3）为了完成一些评价操纵稳定性的整车试验，我在adams软件中创建了仿真试验的控制文件，在整车仿真模块中进行了包括稳态回转、转向盘角阶跃输入、转向盘角脉冲输入、蛇行穿越等整车试验。第二章 汽车操纵稳定性的概述与评价指标2.1 汽车操纵稳定性的内容 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员的意愿借助转向车轮确定的方向前进，并且当遇到外界干扰时，汽车能够抵抗外界干扰且继续维持稳定行驶的性能。汽车操稳性的研究工作是智能交通系统、主动安全技术、自动驾驶和车辆巡航的基础。汽车操稳性不仅仅会对汽车驾驶的操纵方便程度有影响，而且也是决定汽车高速行驶的一个主要性能，所以人们称汽车的操纵稳定性为“高速车辆的生命线”，倍受人们的关注。随着道路的发展，特别是高速公路的普及，汽车以100km/h及100km/h以上车速行驶的情况是常见的。现代轿车设计的最高车速通常超过200km/h，有的运动型轿车甚至大于300km/h。所以，汽车的操稳性逐渐受到重视，成为了汽车的重要使用性能之一。图2.1 汽车操稳性的内容汽车操稳性涉及到的问题比较广泛，与汽车的动力性能、经济性能、制动性能等有所区别，需要采用较多的物理参数从各个方面来进行评价。表2-1给出了汽车操纵稳定性评价的基本内容及评价需要的物理参量。在汽车操稳性的研究中，常把车辆作为一整个控制系统，求出车辆曲线行驶过程中的时域响应与频域响应，并用它们来表征车辆的操稳性能。车辆曲线驾驶时的时域响应是指该车在转向盘输入或者外界存在侧向干扰输入的情况下汽车进行的侧向运动的响应。方向盘输入由两种形式：一种是给转向盘输入某个角位移，叫做角位移输入，又称角输入；另一种是给方向盘输入某一力矩，把它叫做力矩输入，简称为力输入。然而驾驶者在现实驾驶汽车的时候，一般都是对方向盘同时输入角输入和力输入。外界侧向干扰输入一般是指侧向风与路面不平产生的侧向力3。图2-1中的在方向盘以角阶跃输入的条件下达到的稳态响应以及在方向盘角阶跃输入情况下的瞬态响应，全都是表征车辆操稳性能的输入方向盘角位移下情况的时域响应。而回正性则是种方向盘力输入情况下的时域响应。横摆角速度（Yaw Rate）频率响应特性就是在方向盘的转角正弦输入情况时，频率从0时，车辆横摆角速度和方向盘转角的振幅比还有相位差上的变化规律。这也是个非常重要的表明汽车操纵稳定性能的基本特性。 方向盘处于中间位置操稳性能是方向盘在较小的转角、以较低频率正弦输入情况下汽车在100km/h及100km/h以上速度行驶时的操稳性。汽车转弯半径是一个评估车辆机动灵活性能的物理参量。汽车转弯轻便性能是一个评估操作方向盘轻便程度的性能。 车辆直线行驶性能也是评估汽车操稳性的重要性能。侧向风敏感性和路面上的不平敏感性能是车辆处于直线行驶的情况下受到外界侧向干扰输入下的时域响应。典型的行驶工况性能是指车辆通过模拟驾驶的通道的性能。行驶工况性一般能够如实准确地表现出车辆的操稳性。极限形式性能指的是车辆处于正常行驶和异常运动间的特性。它代表了车辆处于安全行驶条件下的极限性能。汽车是由许多部件构成的物理系统。这个物理系统存在惯性、弹性、阻尼等动力学的特点，因此，它是一个具有多自由度的系统。需要说明的是，组成车辆动力学系统的部件，比如说车轮、悬架以及转向系统等元件，都是非线性特性元件，形容车辆运动状态的微分方程多为是非线性微分数学方程，即汽车是一个非线性系统。一般行驶条件下，汽车侧向加速度（Lateral Acceleration）不超过0.4g，但是当我们讨论到赛车时，在调教合理的情况下，其最大侧向加速度通常可以达到2g，若忽略一些次要因数时，就能够把汽车近似地看做是一个线性动力学系统4。2.2 操纵稳定性的评价指标 汽车的操稳性能是汽车主动安全方面的一个重要性能。怎样去衡量车辆的操纵稳定性能是许多高校、企业的一个重要的研究方向和课题。到目前为止，已经有大量的文献讨论了关于如何研究和评价车辆的操纵稳定性能，并且提出了许多不同的数学模型，评价的标准、试验方法以及试验手段。但迄今为止，并没有形成汽车行业内普遍认可的客观准确的评判汽车操纵稳定性能的方法5。其主要原因是因为汽车的操稳性是受到各种因素的影响，例如研究的对象，驾驶的要求，操作员的个人感觉和外界环境条件等，最终导致了汽车操稳性能的研究和评价变得异常复杂。总体来说，汽车操纵稳定性能的优劣，不仅仅取决于车辆本身的结构所决定的性能，还涉及到驾驶者和道路条件，交通环境等主观因素。2.2.1车辆坐标系 汽车的行驶运动是由一个固定在运动着的汽车上的动坐标系车辆坐标系来描述的。图2.1就是一个固定在汽车上的oxyz直角坐标系的车辆坐标系。位于汽车左右对称面的平面是xoz平面。当车辆静止在水平路面上时，x轴平行于地面指向车头方向，z轴是通过汽车质心的竖直直线，y轴是通过汽车质心指向驾驶员右侧的一条直线，坐标原点o通常为汽车的整车质心位置。在车辆坐标系上还有3个与操纵稳定性有关的运动量，绕z轴旋转的一个角速度（车厢角速度在z轴上的分量）成为汽车的横摆角速度（Yaw Rate），以右手大拇指指向为z轴正方向，四指方向为横摆角速度的正方向。汽车的质心速度在y轴上的分量为侧向速度v。侧向加速度是汽车质心加速度在y轴上的分量。图2.1车辆坐标系与汽车的主要运动形式目前关于汽车操稳性能的控制系统主要分为开路控制系统和闭路控制系统这两种控制系统。2.2.2汽车操纵稳定性的开路评价法汽车操稳性能的开路控制系统是在假定驾驶员的任务是机械地急速转动方向盘至某一转角并维持此角度不变得情况下，而不允许通过汽车的转向运动作出任何修正操纵的操作，即不允许操作者起任何反馈的作用5。时域响应是汽车开路控制系统的特性之一。时域特性是汽车的结构所决定，因此是汽车的固有特性。汽车的时域响应一般分为两种即不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态响应这两种时域响应。所谓稳态就是指当周期的（或恒定的)操纵输入（或扰动输入）施加在车辆上所引起的周期性的(或恒定的）车辆响应，如果在任意长的时间内都不发生变化，我们就称此时该车辆处于稳态状态。在稳态中的汽车运动响应我们称为稳态响应。比如，车辆的匀速直线运动便是一种稳态状态；如果当汽车等速直线行驶时，驾驶员急速转动转向盘至某一转角时，然后停止改变转向盘的位置并维持此转角不变，即给车辆以转向盘角阶跃输入的条件下，通常经短暂时间后车辆便达到等速圆周行驶，这也是一种稳态状态，我们称这为转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应。所谓瞬态，就是说当车辆的运动响应或作用在车辆上的外力或操纵位置随时间变化的情况，便称这一车辆的运动处于瞬态状态。瞬态响应是汽车在瞬态状态下的运动响应。比如说，汽车从等速直线运动到等速圆周运动之间的过渡过程就是种瞬态状态。这种瞬态状态下的运动响应称为转向盘角阶跃输入下的瞬态响应。2.2.2.1汽车的稳态转向特性的内容汽车的等速圆周行驶，就是指汽车转向盘以角阶跃形式输入下进行的稳态响应状态，虽然在现实驾驶中不会频繁出现这种情况，但这却是表明车辆操稳性的重要的时域响应，一般我们也称这个性能为车辆的稳态转向特性。一般车辆的稳态转向特性有三类：不足转向特性、中性转向特性和过多转向特性。这三种不同转向特性的车辆具备以下运动特点：当方向盘维持某转角不变的条件下，通过慢慢提速或者以其他速度匀速运动的情况下，随着速度的提高，具备不足转向特性的车辆的转向半径R变大；而具备中性转向特性的车辆的转向半径则愈来愈小。操稳性较好的的汽车应具有适中的不足转向特性。通常车辆不能有过多转向特性，也不应有中性转向特性，因为具备中性转向特性的汽车辆在条件变化时，很有可能会转变成具备过多转向特性的汽车。2.2.2.2汽车稳态转向特性的评价 我们常用输出与输入的比值，比如稳态的横摆角速度和汽车前轮转角的比值来评估稳态响应特性。这个比值我们定义为稳态横摆角速度增益，也叫做转向灵敏度，以符号表示。 = （2.1）式中K=。K称为稳定性因数，其单位为，是表征汽车稳态响应的一个重要参数。根据K的数值，汽车的稳态响应可分为三类。如图2.3图2.2 稳态转向特性（1）中性转向K=0时，=u/L，就是指横摆角速度增益和车辆速度的关系为线性关系，斜率为1/L，当车速增大时，汽车横摆角速度增益也随着增大，这种稳态特性我们叫做中性转向。在这关系式中应指出的是，此关系式是早汽车以10km/h甚至低于10km/h的速度运动而无侧偏角的条件下的转向关系。当无侧偏角的条件下，前轮转角，转向半径，横摆角速度。因此横摆角速度增益也可以表示成=u/L。（2） 不足转向当时，式（2.1）中分母大于1，横摆角速度增益比中性转向时要小。横摆角速度增益与车速不再是线性关系，u是一条低于中性转向的汽车稳态横摆增益线，后来又变成一条 向下弯曲的曲线。我们称具有这样特性的汽车为不足转向汽车。K值越大，横摆角速度增益曲线越低，就表明汽车具有更大的不足转向量。当车速为时，汽车横摆角速度增益取到最大值，此车速称为特征车速。（3） 过多转向当K0时，式（2.1）中的分母小于1，横摆角速度增益变的非常大，远远大于中性转向的情况。随着车速的增大，-u曲线向上弯曲，具有这种特性的汽车我们称为过多转向汽车。当K值越小时（即K的绝对值越大），汽车的过多转向量就越大。当车速为时，稳态横摆角速度增益趋近于无穷大，此时此车速我们称为临界车速。因此，汽车的横摆角速度增益既不能过大也不能过小，若横摆角速度增益过大，则车辆就会过于敏感，只要有极其微小的前轮转角（或驾驶员无意触碰方向盘），汽车便会产生极大的横摆角速度；如果汽车的横摆角速度增益过小，则驾驶员必须要很费力的转动方向盘才能操纵车辆，这样对车辆的行驶稳定性，安全性极为不利7。2.2.3汽车操纵稳定性的闭路评价法汽车的操稳性能的优劣最终应该是由驾驶人员来评判的，驾驶员的操作特性与汽车的操纵稳定性能是紧密关联的。因此，汽车操纵稳定性能的研究对象应该是把驾驶人员与汽车作为统一的整体的人-汽车系统来看待，而不能忽略驾驶员的反馈作用。图2.4简要地标明了人-汽车系统中驾驶员与汽车之间的关系。在汽车行驶过程中，驾驶员根据行驶轨迹的需要，操纵方向盘使汽车作一定的转向运动；路面的凸凹不平，侧向风等也会影响车辆的运动状况。在驾驶车辆的过程中，驾驶人员会根据具体的路面，交通条件和借助双眼，双手及自身感觉到的车辆行驶状况，通过大脑的判断，改正驾驶者对转向盘的操作。通过反复循环这个过程，驾驶人员驾驶车辆不断运动前进。所以，在人-车辆系统中，我们借助驾驶人员将系统的输出情况反馈到驾驶者的输入控制中去，因此整个人-车辆系统是闭路系统。但是驾驶员的反馈是十分复杂的，就现在而言，人-汽车闭路系统的研究还没有成熟，因此人-汽车系统的汽车操稳性能只能由试验方法来实际测定。尽管车辆的操稳性可以通过试验来得到人-汽车闭路系统的性能来如实的表现数来，但是由于在试验中的驾驶人员的个人能力起到了反馈作用，所以整个试验的客观性与再现性就比不上开路系统汽车的时域响应好。还有，人-汽车系统的操稳性只在已有实车的情况下进行试验来求得，现在无法做到完全依靠理论分析与计算来实现高精度的预测。因此，在汽车研发时，许多汽车厂商普遍使用的分析目标还是开路系统下车辆的时域响应。图2.4 人-车系统2.3汽车试验的两类评估方法汽车的性能最终会依靠试验来完成测定和评价。在汽车试验中汽车性能评价通常由主观评价和客观评价两类。客观评价法主要是依靠仪器测出表明汽车性能的一些参数比如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评估操稳性的方法。汽车试验中的主观评价法是指驾驶员依靠自身的感受老评估，它的主要评价措施是让驾驶者依靠驾驶时自身的主观感受来评估，并根据相应的规定来对车辆性能评分。我们在研究汽车本身特性的开路系统中一般只使用客观评价法。然而在研究人汽车闭路系统的试验时，客观评价与主观评价一般都一起使用。因为目前而言车辆是靠人来操作，因此归根到底，汽车操稳性的评估手段始终是主观评价法。譬如，客观评价中使用的参数能否反映操稳性，根据这些参数衡量汽车操稳性的优劣和驾驶员的主观感受是否相符。通常有经验的试验者在主观评价时，还能发现一些设备无法检测出来的问题。一般来说，都是试验驾驶员根据自身的驾驶感受来找到汽车性能中的缺陷，再用设备来进行检查。尽管开路试验一般都采取客观评价法，但是它的方法本身和所使用的指标，都是由试验驾驶者的经验或特殊的主观评价试验来确定的。主要依靠试验驾驶者的主观评价的主要缺点在于，试验驾驶者的主观感受起到相当大的作用，试验驾驶者的不同也许会给出截然不同的评估报告；还有个缺点就是，通常，主观评价法无法将“汽车性能”与“汽车构造”之间的信息关联起来。因为开路评价法中的一些参数，能够依靠理论推导出这些参数和汽车结构上的一些数据的某种数学关系，所以开路评价法能够给予修改车辆结构或某些参数来改进性能的措施。2.4本章小结本章简要介绍了车辆操稳性的基本概念，基本内容，系统性的介绍了汽车控制系统（开路和闭路）两种控制系统，尤其是汽车方向盘角阶跃输入下的稳态响应的评价方法。最后介绍了汽车试验的两种评价方法，客观评价法和主观评价法，一般汽车厂商都是以客观评价法来评价车辆的性能。第三章 多体动力学理论及赛车ADMAS模型的建立3.1 多体系统动力学的基础理论虚拟样机技术中的核心理论为多体系统动力学，该动力学分为多刚体系统动力学和多柔体系统动力学两部分。由任意有限个刚体组成的系统是多刚体系统动力学的研究目标，刚体之间是以某一约束相互连接，这些约束一般都是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。我们一般通过建立一系列的数学模型来研究这些系统动力学。由刚体和柔体构成的系统是多柔体动动力学的研究目标8。若干个刚体构成的系统动力学的问题一般都是由多刚体系统动力学来解决。不同元件存在一定的相对运动。多刚体系统动力学自然延伸后演变成了多柔体系统动力学。对系统中的柔性体进行不同处理的依据，往往是根据多柔体系统的构成，以多刚体系统动力学研究为基础。离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法是机械系统中常用的处理方法。我们将柔性体系统的分析结果和刚性体系统研究方法相互结合，最终得到系统动力学方程。我们在使用动力学理论处理某些情况时，一般都要经过以下几个步骤：1） 实际系统的多体模型的简化。2） 自动生成动力学的方程。3） 准确的求解动力学的方程。多刚体动力学方程3.1.1.1 多刚体系统的组成刚体机械系统在ADAMS软件中由4个模块组成，：部件、约束、力、自定义的代数微分方程，分别定于如下：（1） 部件部件指一切刚体或柔性体或集总（中）质量等，其中刚性梁是一个部件，而柔性梁则是一个质量的集合，任意部件都能被ADAMS软件列出了6个一阶动力学的方程（将角加速度和力联系起来）和6个一阶运动学的方程（将位置与速度联系起来）。（2） 约束部件的运动受到了限制就是约束的作用。每个约束都能被ADAMS软件列出约束方程。ADAMS为我们中存在许多约束，我们也能够通过子程序来自行定义约束。（3） 作用力作用力主要包括两类力：体积力，包括惯性力等；体积力以外的外力就称为惯性力。我们一般利用已知的部件和约束来自动定义作用力、反作用力和惯性力等。对每个作用力的分量，ADAMS软件在动力学方程中加入一作用变量，并添加一定义力的代数方程。（4） 自定义代数微分方程对于一些特殊要求，ADAMS可以允许用户直接加入所需要的代数微分方程9。3.1.1.2 软件中的多刚体坐标系统该软件中有三种坐标系。（1） 地面坐标系又称为绝对坐标系，是固定在地面上的。软件中的全部刚体（部件）的位置和方向都由该坐标系确定。（2） 局部参考的坐标系局部坐标系存在于任意部件上，地面坐标系确定了部件的位置和方位，并且坐标系与部件一同运动。（3） 标记系统任意部件内部都存在一个标记系统，这种标记可以分为两类：固定标记与浮动标记。前者是固结在部件上，并随着部件运动，LPRF定义了这个标记的位置和方向，这个标记不会随着时间而改变，部件的作用力和约束等都能被标记所定义。3.1.1.3 ADAMS中多刚体的自由度ADAMS中自由度（Degree Of Freedom）的计算公式为 DOF=6（n-1）- （3.1） 其中n系统的部件数目（包括地面）； 系统内各约束所限制的自由度数目；3.1.1.4 ADAMS多刚体动力学方程ADAMS根据机械系统中的模型，自行建立起系统的拉格朗日的运动方程，对于每个刚体，全部列出6个广义坐标都带乘子的拉格朗日方程和相对应的约束方程。 （3.2） （i=1,2,.m）式中K动能； 描述系统中的广义坐标； 系统中的约束方程； 广义坐标方向上的广义力； m1的拉格朗日矩阵。3.2 ADAMS/CAR软件简介及赛车整车建模3.2.1 ADAMS/car软件介绍 ADAMS/CAR是MDI公司和奥迪、宝马、雷诺和沃尔沃等几家公司联合开发出的软件，这个软件综合了这些公司在汽车设计、开发等领域的经验，使用该模块，工程师能够快速建造高精度的整车虚拟模型（包括了车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等）并进行仿真试验，然后在高速动画中直观地显示了在各种工况试验下（例如：天气、道路状况、驾驶员经验）的整车动力学的响应，并输出一些标志操纵稳定性能、制动性能、乘坐舒适性能和安全性能的特征参数，从而可以减少对物理样机的依赖，然而仿真的时间只是物理样机试验的几分之一。ADAMS/CAR软件使用的用户化界面（interface）是以汽车设计师的习惯而专门设计的，设计师不需经过专业培训，就能够运用ADAMS/CAR进行高效的设计开发工作。该软件的汽车模块中还包括整车动力学的软件包，悬架设计的软件包以及概念化悬架设计的模块（CSM），软件中的仿真工况包括了：方向盘的阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验，漂移试验、加速试验、制动试验和稳态转向试验，同时能够设置仿真中的不同档位下的传动比，制动载荷分配系数等10。3.2.2 ADAMS/CAR建模流程介绍 ADAMS/CAR模块中整车虚拟模型的创建需要把汽车上各个子系统相互组装起来。假如要建立赛车的整车虚拟模型，首先要先建立起各个子系统的模板模型，然后将模板模型生成各个子系统模型，最后把生成的各子系统模型和整车测试台（MDI_SDI_TESTRIG）组装在一起获得了整车虚拟样机模型，各个虚拟模型间关系如下11。图3.1 模板、子系统、整车模型的关系3.3 FSAE赛车虚拟样机的建立3.3.1 赛车整车虚拟模型的简化简单的来说，我们在建立模型的过程，首先是在3D建模软件中构造出我们所需的赛车虚拟模型，里面包含了八个主要子系统：汽车车身子系统、汽车转向子系统、汽车双横臂前后悬架系统、汽车轮胎子系统、汽车动力子系统、汽车制动子系统，然后在ADAMS/CAR模块中打开，添加所需要的运动副，接着进行各种虚拟仿真。因为ADAMS官方提供了FSAE的赛车模板，我们只要通过改变模板中的赛车参数（例如硬点坐标，运动副约束，弹簧阻尼参数等）就可以进行虚拟仿真，大大简化了FSAE赛车的设计过程。3.3.2 整车模型的参数化多体动力学分析模型的建立，需要各种参数，所需要的参数一般可分为五类：整辆赛车技术参数、尺寸（几何定位）参数、质量特征参数（质量、质心与转动惯量）、力学特征参数（刚度、阻尼等特征）与外界参数（道路谱等）。我们通常通过建立三维数字模型、图纸查阅法、试验法、计算法、CAD建模法等。1. 技术参数因为我们研究的是浙江科技学院FSAE赛车的操稳性的优化，因此我们选取2015年的方程式赛车具体参数。表3.1 浙江科技学院2015方程式赛车参数表项目参数项目参数整车装备质量（kg）300主销后倾角（）4.5前轴负荷（kg）114.6主销内倾角（）4后桥负荷（kg）130.4前轮外倾（）-1轴距（mm）1540前轮前束（）0前轮距（mm）1200后轮前束（）0后轮距（mm）1180后轮外倾（）-12. 几何定位参数汽车上的关键的几个点位的位置，零部件的大小尺寸，部分杆件的连接位置等全都是我们事前通过在设计草图上确定出其相对位置和绝对位置，然后在ADAMS中通过坐标转换，转换成ADAMS中的坐标。3. 质量特性参数 在机械系统中，系统的特性由系统自身的质量、质心、转动惯量等决定。通常，质量特性参数是根据运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中，测量时我们选取的参考坐标系会影响到质心与转动惯量。此外在多体动力学意义上的运动部件与实际零部件还存在差别。因为只要在运动过程中部件具有同样的运动规律和轨迹，并具有某种特定的联系比如通过某种方法固定在一起的零部件，就是一个运动部件，如制动盘与汽车轮胎即是一个运动部件。运动部件应只有一个共同的质心与转动惯量。我们利用CATIA创建对应的实体模型，在软件中设置我们打算使用的材料属性，通过软件本身可以得到这行模型的特性参数，例如零部件的质心和转动惯量。有些不便于使用这种方法的零部件可通过做实验的方法来获得。还有一些不易于测量的零部件的的质量特性参数，例如悬挂质量的转动惯量，就查阅文献，根据文献资料里面给出的结论来进行计算。4. 力学特性参数力学上的特性参数通常是指一些部件或机械系统的刚度、阻尼等。在赛车系统中的的力学特征参数主要是指弹簧、橡胶元件、减震器、轮胎等具有缓冲减振特性的零部件。对于操纵性和平顺性，这些零部件的特性有决定性影响，因此在相关的模型中应该充分考虑其具体数值。 其中整车力学特性的关键在于赛车的悬架系统，而悬架系统中主要通过前后悬架中的线圈弹簧。因此控制整车的力学特征参数主要是通过选择不同范围的线圈弹簧12。5. 外界参数这里的外界参数主要是指汽车的使用环境，外界道路环境，高速行驶时的侧向风力等。其中，道路谱可以应用标准等级路面路谱或者通过测量获得，而风力因素可以在分析计算的基础上结合实验获得。由于FSAE赛车在比赛中的车速往往在4580km/h，侧向风力对其的影响不是很大，故在建模时，主要考虑道路谱的影响而忽略风力的作用，其中道路谱采用了相应等级道路标准谱13。3.4 虚拟样机的验证 在ADAMS中装配好整车的虚拟模型后，需要在ADAMS中建立相关的赛道模型对FSAE赛车的虚拟模型进行验证。 比赛中八字绕环的赛道如图3.2所示，左右各有一个内径为15.2m，外径为18.25m，赛道宽为3m的圆形赛道，比赛时从入口进入，先绕右侧赛道两圈，第一圈为了让车手适应赛道，不计时间，第二圈才是真正的比赛时间，计入比赛成绩。然后再绕左侧赛道两圈，同样，取第二圈的时间作为比赛成绩。图3.2 八字绕环赛道根据上述已知条件，在ADAMS中编写驾驶控制文件如图3.3，使赛车虚拟模型保持恒定的速度v=10.42m/s, 绕半径为9.125m的圆周行驶，记下其完成一圈的时间，与实际时间相比较，仿真结果如下图3.4所示。图3.3 控制文件图3.4八字绕环仿真曲线图图3.5 赛车轨迹由曲线图3.4可知，仿真过程中，赛车一共行驶了2圈，每圈所消耗的时间分别为5.65s和5.66s，平均每圈5.655s，实际所用时间为5.50s，计算可得其中的误差率为2.8%，故可认为该赛车模型精度比较高，可以进行下一步操纵稳定性分析。3.5 本章小结本章首先介绍了多体动力学理论，了解了ADAMS的计算分析理论，然后进行了赛车整车模型的装配，整车分为八个子系统，将实车上的参数对应到模板上，建立起符合实车参数的虚拟样机模型，然后根据实际比赛项目对赛车模型进行验证。第4章 FSAE赛车操纵稳定性评价这一章的主要内容是根据前面建立的赛车整车虚拟模型，进行操纵稳定性试验仿真，将一些对操纵稳定性影响较大的参数作为试验变量，通过仿真试验分析各个参数对操纵稳定性的影响，然后根据得出的结论进行优化赛车的操纵稳定性。4.1 赛车参数的变量设置在汽车的操纵稳定性中，汽车的转向特性是最为主要的一个内容，由稳定性因数的公式可得，质心与前后轴的距离a、b，前后轮的侧偏刚度对汽车的转向特性有着巨大的影响。除此之外，汽车在转弯时受到横向加速度的影响，车身有侧倾现象，车身的侧倾角的大小主要受到悬架质量质心高度和侧倾中心高度的影响，其中侧倾中心高度由悬架系统的形式和它的几何结构所决定。一般来说，为了减小车身侧倾角，我们通常会在设计过程中使侧倾中心高一些，但当采用独立悬架时，如果侧倾中心过高，则会导致车轮跳动时，轮距产生过大的变化，加剧轮胎的磨损14。在转向系统中，角传动比也是一个对汽车的转向灵敏性、稳定性有着直接影响的重要参数，同时，它也会影响着汽车的操纵稳定性。由于赛车对轮胎的要求比普通乘用车更高，赛车的轮胎比一般乘用车的轮胎都要宽，因此轮胎的宽度对赛车的操纵稳定性有着不小的影响。通过上述的分析，我们可以选择这五个对汽车操纵稳定性有较大影响的结构参数作为研究变量。这五个参数分别为：整辆赛车的轴荷比，整车的质心高度，转向系统中的总传动比，前后轮胎的侧偏刚度以及前后轮胎的宽度。我们把改变其中一个参数记为一款车型。优化方案1：把整车质心向后移优化方案2：降低整车的质心高度优化方案3：改变转向系统中的总传动比优化方案4：增大轮胎侧偏刚度优化方案5：增加轮胎宽度表4.1 变形车型参数图质心到前后轴的距离（mm）质心高度（mm）转向系统传动比（）/mm）前后轮胎侧偏刚度（N/rad）前后轮胎宽度（mm）原始优化方案（图中曲线F）a=723.8b=816.2=280I=4.37=60000=60000=190.5=190.5优化方案1（图中曲线A）a=816.2b=723.8优化方案2（图中曲线B）=240优化方案3（图中曲线C）I=4.00优化方案4（图中曲线D）=70000=70000优化方案5（图中曲线E）=215=2154.2 稳态回转试验仿真分析 稳态回转特性是汽车操纵稳定性中最基本和最重要的一个特性。稳态回转特性表现为过多转向、不足转向和中性转向。理论上说，不足转向和过多转向都会使汽车难以控制15。因为汽车的稳态转向特性对汽车的操纵稳定性有着极其重要的影响，因此在设计汽车的过程中应该首先满足汽车稳态回转特性的要求。衡量稳态回转特性的方法主要是通过稳态回转试验。在实际驾驶中，汽车需要有适度的不足转向，过度转向和过多的不足转向不利于汽车的控制。稳态回转试验是通过改变横向加速度，以恒定的速度在给定半径的圆弧赛道上行驶，从而对汽车的不足转向、侧倾特性、最大横向加速度等进行评判的试验。4.2.1 仿真方法我们采用在定半径的条件下，固定转向盘转角连续加速法，即在ADAMS/CAR软件中是赛车虚拟模型在设定平路面上以较低稳定车速（10km/h）直线行驶，车速恒定后，转动方向盘使赛车模型进行以转弯半径为15m的转弯，固定方向盘保持赛车转角不变，待车辆在圆周赛道上稳定行驶后，开始缓慢连续加速（纵向加速度为0.2m/），直至赛车模型的侧向加速度达到6.5m/，记录下整个仿真过程16。其中，赛车模型