（光学工程专业论文）载重汽车操纵稳定性仿真研究.pdf

独创性声明 | j i j ii ir ll lrl li il l lll l y 18 8 0 7 4 8 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝! 壁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、途交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型坐导师签名： 武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 汽车操纵稳定性的研究一直是整车性能领域里的一个重要课题。传统的操 纵稳定性研究需要对样车进行反复试制与试验，消耗巨大，周期漫长，并且部 分极限工况试验难以开展。当今，虚拟仿真技术在汽车工程领域的广泛应用， 为操纵稳定性的研究带来了极大的便利，操纵稳定性研究越来越多地使用计算 机仿真技术与实车试验相结合的方法对汽车设计参数进行分析、优化与改进。 本文首先对操纵稳定性研究的国内外发展历史、研究现状做出了简要阐述。 然后运用多体系统动力学的理论和研究方法，利用多体系统动力学软件 m s c a d a m s 中的c a r 模块建立了包括前、后悬架系统、转向系统、动力系统、 前、后钢板弹簧、车身、轮胎的某载重汽车多体动力学仿真模型，并对各个子 系统的建模，特别是钢板弹簧、轮胎进行了详细的解释和分析。 在建立模型的基础上，首先对该载重汽车的前悬架系统进行了仿真试验， 研究分析了前悬架车轮定位参数、车轮中心滑移量、悬架刚度、侧倾角刚度等 参数随左、右车轮反向跳动时的变化规律。仿真结果表明，该载重汽车在前轮 反向跳动范围为5 0 r a m 至5 0 m m 时，前轮外倾角和主销内倾角变动较大，对车 辆操纵稳定性能会造成一定的影响。然后，对后悬架进行了反向轮跳仿真试验， 分析了车轮中心的纵向滑移量、横向滑移量、后悬架刚度以及侧倾角刚度等。 仿真结果表明，后轴车轮发生反向跳动时，车轮中心纵向、横向位移变化量处 于合理范围之内；前、后悬架刚度变化范围在合理区间内；但是由侧倾角刚度 的测试值来看，前悬侧倾角刚度小于后悬侧倾角刚度，这样就导致了整车在圆 周行驶时，可能会呈现出过多转向特性。 最后，对该载重汽车仿真模型进行了虚拟的转向盘角阶跃试验、转向盘角 脉冲试验、转向回正性能试验和稳态回转试验。仿真结果显示，该载重汽车呈 现明显的过多转向趋势，并且转向回正性能有一定欠缺，驾驶员在驾驶车辆过 程中还会感觉到明显的转向沉重。这些结果和实车试验的结果相一致，进一步 表明了仿真模型的正确性，该仿真模型可以用作今后改进工作基础。 关键词：操纵稳定性；载重汽车；仿真研究 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h i n go nt h ev e h i c l eh a n g l i n gs t a b i l i t yi sa l w a y so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt o p i c si nt h ef i e l do ft h es t u d yo fv e h i c l ep e r f o r m a n c e t r a d i t o n a lm e t h o d o fr e s e a r c h i n go nh a n g l i n gs t a b i l i t ys h o u l dr e p e a t e d l ym a n u f a c t u r es a m p l ea n dt e s t t h ep e r f o r m a n c eo ft h es a m p l e ，w h i c hc o s th u g ec o n s u m p t i o na n dt i m e ，a n ds o m e e x p e r i m e n t se v e nc a nn o tp u ti n t oe f f e c to n l yb e c a u s et h e i rs e c u r i t y n o w , t h eu s i n g o fv i r t u a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fa u t o m o b i l ee n g i n e e r i n gb r i n gt h e t r e m e n d o u sc o n v e n i e n c e sf o rt h ea n a l y s i so fc a rh a n d l i n g s t a b i l i t y a n dt h es i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di na u t o m o t i v ee n g i n e e r i n gf i e l d s ，m o r ea n d m o r ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt h e o r ya n ds o f t w a r ef o rh i i g h - p e r f o r m a n c es i m u l a t i o na r e w i d e l yu s e d i nt h eh a n g l i n gs t a b i l i t ya n a l y s i sa n dr e s e a r c h c o m b i n e dw i t ht h e v e h i c l et e s t s ，t h e yc a nb ed i r e c t l yu s e di nt h eg u i d a n c ea n d p a r t i c i p a i o ni nt h ea n a l y s i s ， o p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to fa u t o m o t i v ed e s i g np a r a m e t e r s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a lh i s t o r ya n dt h ec u r r e n t s t a g eo fr e s e a r c h i n go nh a n d l i n gs t a i b i l i t y a n du s i n gt h em u l t i b o d yd y n a m i ct h e o r y a n ds o f t w a r em s c a d a m sb u i l ta m u l t i - b o d ys y s t e mm o d e l so fat r u c k ，w h i c hh a s f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o ns u b s y s t e m ，s t e e r i n gs u b s y s t e m ，p o w e r t r a i ns u b s y s t e m ，f r o n t a n dr e a l l e a fs p r i n g ，b o d ya n dt i r e s t h e nm a k eae x p l a i ni nd e t a i l sf o rt h e s u b s y s t e m s b a s eo nt h e l o g i c a l a n de x a c ts i m u l a t i o nm o d e l ，f i r s t l y , w cr e s e a r c ht h e p a r a m e t e r so ft h ef r o n ts u s p e n s i o n ，s u c ha sw h e e lo r i e n t a t i o n ，d i s p l a c e m e n to fw h e e l c e n t e r , w h e e lr a t e ，r o l ls t i f f n e s sr a t et h a tc h a n g ew i t ht h ew h e e lf l o pt h r o u g h s u s p e n s i o ns i m u l a t i o nt e s t t h et e s tr e s u l td e m o n s t r a t et h a tt h ec h a n g eo fc a m b e r a n g l ea n dk i n g p i ni n c l i n a t i o na n g l ei sb i gw h e nt h ef r o n tt i r e so ft h et r u c km a k ea o p p o s i t et r a v e lr a n g e d 一5 0 m mt o5 0 m m ，w h i c hw o u l dc a u s ean e g a t i v ei m p a c to nt h e t r u c kh a n l i n gs t a b i l i t y t h e nc a r r yo u tt h e s u s p e n s i o n s i m u l a t i o nt e s to nr e a r s u s p e n s i o ns u b s y s t e ma n da n a l y z et h el o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n to ft h e w h e e lc e n t e r , r e a rs u s p e n s i o nr a t e ，r e a rs u s p e n s i o nr o l lr a t ea n ds oo n t h er e s u l t d i s p l a yt h a tt h ev a r i a t i o no fl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a lw h e e lc e n t e rt r a v e li sr e a s o n a b l e t h er a n g eo fw h e e lr a t ev a r i a t i o na l s oi nar e a s o n a b l ei n t e r v a l b u tb a s eo nt h er o l l s t i f f n e s sr a t ed a t e ，w h i c hs h o w st h a tt h ef r o n ts u s p e n s i o nr o l ls t i f f n e s sr a t ei ss m a l l e rt h a nt h er e a r s u p e n s i o nr o l ls t i f f n e s sr a t e w ec o u l dc o n c l u d et h a tt h ev e h i c l ew o u l d b eao v e rs t e e r i n gp r o p e r t y w h e ni tr u n n i n gi nac i r c l er o a d 武汉理工大学硕士学位论文 f i n a l l y , w ec a r r yo u tt h ev i r t u r et e s t ：s t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u t ，s t e e r i n g w h e e la n g l ep u l s ei n p u t ，r e t u m a b i l i t yt e s ta n dc o n s t a n tr a d i u sc o r n e r i n gt e s t 1 n h e r e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h et r u c kh a so b v i o u so v e rs t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n d t h es t e e r i n gr e t u r n a b i l i t yh a sal i t t l es c a n t i n e s s w h e nd r i v e rm a n i p u l a t i n gt h et r u c k ，h c w o u l df e e lo b v i o u ss t e e r i n go b s t a c l e t h e s er e s u l t si na c c o r d a n c ew i t ht h er e a lc a r t e s t s ，w h i c hg i v et h ef u r t h e re v i e n c et h a tt h em o d e l i sc o r r e c ta n dc o u l db eab a s i so f f u t u r ei m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：h a n d l i n gs t a b i l i t y ；t r u c k ；s i m u l a t i o na n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i l 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 汽车操纵稳定性研究的国内外状况。2 1 2 1 国外研究状况2 1 2 2 国内研究状况4 1 3 本文研究的主要内容。5 1 4 本章小结。6 第2 章操纵稳定性分析与评价方法7 2 1 汽车操纵稳定性包含的内容7 2 2 汽车操纵稳定性的评价。8 2 2 1 汽车操纵稳定性的开环评价。9 2 2 1 1 线性二自由度汽车模型的微分方程9 2 2 1 2 前轮角阶跃输入下的汽车稳态响应特性1 1 2 2 1 3 前轮角阶跃下进入的汽车瞬态响应1 2 2 2 2 汽车操纵稳定性的闭环评价1 3 2 2 2 1 考虑道路跟随好坏的误差指标1 3 2 2 2 2 考虑驾驶员负担的评价标准1 4 2 2 2 3 考虑翻车危险性的总方差指标1 4 2 2 2 4 考虑侧滑危险的总方差指标1 5 2 2 2 5 考虑路感的总方差指标1 5 2 2 2 6 综合评价指标1 5 2 3 汽车操纵稳定性的影响因素1 6 2 3 1 行驶系对操纵稳定性的影响1 6 2 3 2 转向系对操纵稳定性的影响1 6 2 3 3 制动系对操纵稳定性的影响1 7 2 4 汽车操纵稳定性试验方法1 7 2 5 本章小结1 8 第3 章多体系统动力学介绍1 9 3 1 多体系统动力学简介1 9 3 1 1 多刚体系统动力学简介1 9 3 1 2 多柔体系统动力学简介2 1 3 2 仿真软件介绍2 2 3 2 1a d a m s 软件的组成模块2 2 3 2 2a d a m s 软件的计算方法2 3 3 2 3a d a m s c a r 模块的简介2 5 3 3 本章小结2 8 第4 章悬架模型的建立及仿真2 9 4 1 悬架的功用和组成一2 9 4 2 悬架结构形式的分析3 2 4 3 前悬架模型的建立3 3 4 3 1 前悬架模型建立3 3 4 3 2 前轮定位参数的分析3 5 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 3 前轮定位参数的仿真测试3 8 4 4 后悬架模型的建立4 2 4 4 1 后悬架模型建立4 2 4 4 2 后悬架仿真分析4 2 第5 章整车模型的建立4 5 5 1 整车多体动力学模型的参数准备4 5 5 1 1 尺寸参数4 6 5 1 2 质量特性参数。4 6 5 1 3 力学特性参数4 7 5 1 4 外界参数4 7 5 2 整车多体动力学模型的建立4 7 5 2 1 转向系模型的建立4 8 5 2 2 动力系统模型的建立4 9 5 2 3 车架模型的建立4 9 5 2 4 刚性底盘模型的建立4 9 5 2 5 前、后钢板弹簧模型的建立5 1 5 2 6 前、后车轮模型的建立。5 4 5 3 本章小结5 6 第6 章整车操纵稳定性仿真。5 7 6 1 转向盘角阶跃输入仿真试验5 7 6 1 1 仿真试验方法5 7 6 1 2 仿真结果5 7 6 2 转向盘角脉冲输入仿真试验5 9 6 2 1 仿真试验方法5 9 6 2 2 仿真结果。5 9 6 3 转向回正性仿真试验6 0 6 3 1 仿真试验方法。6 0 6 3 2 仿真结果6 1 6 4 稳态回转仿真试验6 2 6 4 1 仿真试验方法6 2 6 4 2 仿真结果6 2 6 5 本章小结6 4 第7 章全文总结6 5 致谢6 6 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的论文及参研情况7 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 在渐行渐远的“十五 和即将过去的“十一五”规划期间我国的汽车产业 取得了令人触目的优异成绩，国内汽车市场呈现出突飞猛进之势，产量由2 0 0 1 年的2 0 0 多万辆激增至2 0 1 0 年产销都超过1 8 0 0 万辆。随着汽车保有量的激增， 国家交通与运输压力也急剧增大。随之产生的交通事故问题也变得越来越严重， 在公安部交管局公布的2 0 1 0 年全国道路交通事故情况报告中显示：2 0 1 0 年，全 国共发生道路交通事故2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡、2 7 5 1 2 5 人受伤，直接财 产损失9 1 亿元，因此交通安全逐渐受到越来越多的关注而成为一个社会热点问 题。为了能够有效地抑制交通事故的发生，保证驾驶者以及行人的生命财产安 全，要求汽车具备十分优良的主动安全性1 。汽车操纵稳定性能的好坏，直接影 响着汽车的行驶交通安全，所以，汽车操纵稳定性的研究，一直是各大汽车生 产企业、汽车科研机构以及高等院校研究工作的一个重点内容。 计算机尚未广泛普及之前，在汽车的研发阶段，操纵稳定性的评价分析需 要经过反反复复的样车试制、道路模拟试验和整车性能试验。如此不仅需要消 耗大量的人力、物力、财力以及研发时间，而且有些涉及车辆极限行驶工况的 试验因其具有一定的危险性而难以进行开展。 但是，伴随着计算机科学技术的迅猛发展，以及多体系统动力学在汽车动 力学理论方面的应用日趋成熟，c a e ( 计算机辅助工程) 技术越来越多的用于 汽车的设计、分析、生产等各种环节，极大地减少了样车制造的高额成本，节 省了研发周期，并且利用虚拟样机技术可以对车辆的极限行驶工况进行模拟仿 真。所以，虚拟样机技术得到了越来越多的关注，世界各汽车生产厂商、科研 机构都在这一方面进行了探索和研究。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 汽车操纵稳定性研究的国内外状况 1 2 1 国外研究状况 汽车操纵稳定性的研究开始于2 0 世纪3 0 年代。最初的操稳性仅限于将汽 车作为一个开路控制系统。这样，汽车的相关性能参数完全取决于整车的布置 和构造。汽车开环系统的时域响应可以通过数学分析建立起相应的数学模型从 理论上进行分析研究；同时，也可以利用测试仪器进行实车试验获取其性能参 数进而对其操纵稳定性能进行评价分析。但此时的数学模型多为简单的线性模 型，测试方法与仪器的精度也极为有限。发展到现在，汽车操纵稳定性研究已 经将驾驶员与汽车作为一个统一的整体，即人一车闭环系统，进行综合的研究分 析。汽车理论模型也发展到非线性多体系统模型，整车模型的自由度越来越多， 考虑的各种影响因素越来越全面，由稳态响应到瞬态响应，由局部结构到整车 的研究，关系到汽车系统的各个子系统1 2 。7 j 。 1 9 2 5 年时建立的驱动动力学普遍原理在汽车工程研究领域引起了非常广泛 的关注，但是这一理论因为对轮胎侧偏特性的认识有所欠缺而未能得到全面深 入的应用。同年，b r o u l h e i t 在他所发表的论文里第一次提出了侧偏和侧偏角的 概念【引。 1 9 3 4 年，o l l e y 首次将行驶车速确定为一个对操纵稳定性具有重大影响的 因素。在此基础之上，g o o d y e a r 运用轮胎转鼓实验对轮胎的特性进行了详细的 研究。次年，r d e v a n s 发表了一篇关于轮胎侧向特性的论文，在他的论文中首 次提出了转向力和回正力矩这两个概念1 9 1 。同一时期，美国通用汽车公司以 o l l e y 为领导的凯迪拉克悬架研究团队，第一次成功地开发出了适用于美国轿车 的独立前悬架系统，并且首次提出了不足转向和过多转向的概念【1 0 1 。 1 9 5 6 年，s e g e l 在经过多年的研究分析之后，成功地建立出了一个可以对 汽车的转向响应进行仿真计算的线性数学模型。从此以后，世界各国都如火如 荼地开始了对汽车操纵稳定性的仿真计算研究0 1 1 。同年，机械工程师学会以汽 车稳定性和控制及轮胎性能的研究为主题在伦敦组织了一次世界性的会议。 m i l l i k e n 将这次会议比作做是汽车操纵动力学发展历程中的分水岭【1 2 i 。与此同 时，美国康乃尔航空试验室的w h i t e c o m b ，m i l l i k e n 和s e g e l 合作研究并发表了 论文，提出了“线性二自由度 和“线性三自由度”汽车转向模型，首次在研 2 武汉理工大学硕士学位论文 究汽车横摆响应时，引入了稳定性因素k 的概念【1 3 】，对汽车的操纵稳定性研究 工作的进展作出了极其重要的贡献。 1 9 6 7 年，美国通用汽车公司的汤姆森对汽车参数设计和不足转向以及特征 车速的关系等问题进行细致、全面地研究，并在此基础之上提出了预测和实际 测量车辆的不足转向特性的方法。并指出：在横向加速度小于1 3 9 的正常行驶 状况下，可以利用线性模型对汽车行驶工况进行模拟，而特征车速的测量则需 要通过建立一个大直径侧滑试验场来进行实车试验获得。同时，b u n d o r f 在其发 表的文章中推导出了在给定设计参数下预测特征车速的表达式 1 4 1 。 1 9 6 9 年，m c h e n r y 1 5 】建立了第一个非线性车辆动力学模型。此后，c h a c e 和 o r l a n d e a 等【1 6 1 建立了一个4 2 自由度的多体动力学模型来分析车辆的操纵特性。 2 0 世纪7 0 年代，计算机科学技术在全世界范围内飞速地发展起来，汽车的 操纵稳定性研究自然而然地与计算机技术紧密地结合起来。有了计算机强大计 算能力的辅助，车辆的仿真模型也越来越复杂，与车辆的实际工况越来越逼近， 为车辆操稳性的研究提供了有力的支持。但是这一时期的车辆仿真试验工作只 能处理线性问题，也就是说不能处理非线性问题是它的一个致命缺陷，因为汽 车实际上是一个极其复杂的非线性系统，所以在之后的一段时间内，解决非线 性问题成为工程师们研究的重点。 1 9 7 3 年，b n e r d 在其文章中对数字汽车仿真代码的存储方法进行了十分详尽 的描述，并且提出了一种既可以解决大步长问题，并且具有转动自由度的近似 方法。 1 9 8 1 年，w r i l e yg a r r o t 在密西根大学经过长期不懈的研究，开发出了包 含有汽车模型i d s f c 和驾驶员模型d r i v e 两大块的完全数字汽车仿真模型。d r i v e 模型用来控制输入的转向力矩、制动力矩和驱动力矩【1 7 i ，并可以根据不同工况 的具体要求单独改变而不会影响车辆模型。 9 0 年代，随着车辆仿真技术的同趋成熟，虚拟样机技术大量的运用起来。 很多基于多体系统动力学理论开发出来的仿真分析软件，如i m p 、a d a m s 、d a d s 、 a d v i s o r 等都已经大量地应用到汽车操纵稳定性研究工作的各个方面之中。在这 一时期，利用开发型驾驶模拟器进行人一车闭路系统主动安全性研究，提高汽车 的操纵稳定性能成为了国际上的主流发展方向 1 8 1 。车辆仿真模型精度以及仿真 结果的可信度都越来越高。 2 0 0 0 年r w a d e 、a 1l e n 等再次发表论文阐明了v d a n l 驾驶模拟器在系统仿真 3 武汉理工大学硕士学位论文 和路面设计两个方面的应用。v d a n l 和s t r e m o d 的参数设定在对外发布之后，逐 步加入了更多其它车型的数据，到目前为止，已经具有6 4 种不同车型的参数和 4 2 种轮胎参数。车型涵盖了乘用车、商用车、专用车和特种车等；轮胎包括了 截面为1 4 5 - 2 9 5 ，扁平率5 5 - 7 5 ，轮毂1 3 1 6 英寸各式各样型号的轮胎模型【1 4 1 。 汽车操纵动力学发展至今，已经有了巨大的进步，各种仿真分析软件，新 型试验仪器、试验台的发明，为操纵稳定性评价和分析提供了有力的支持，使 得操稳性能研究越来越细致、精准，为汽车的设计与研发提供了可靠的技术支 持。 1 2 2 国内研究状况 2 0 世纪7 0 年代我国才开始开展有关汽车操纵稳定性方面的研究工作。其中， 以长春汽车研究所和清华大学最为突出，他们在这一时期同时开展了汽车动力 学研究工作【1 9 1 并取得了一定的研究成果。虽然我国汽车操纵稳定性研究工作起 步较晚，但是由于有大量的国外科技文献、经验可以借鉴，所以研究工作进展 迅速，国内研究人员在总结消化已有研究成果的基础之上，对操纵稳定性的研 究提出了不少具有一定价值的思路和方法，取得了巨大的科研成果。 我国吉林大学的郭孔辉院士在汽车操纵动力学研究方面取得的成就最为突 出。郭院士是我国汽车工业研究领域的知名专家学者，致力于汽车科学技术研 究五十余年，主持过多种新型汽车的开发与多项行业重大课题的研究，多次获 得国家及部级科技进步奖，发表论文2 4 0 余篇，并编写了著作汽车操纵动力 学。因此，郭院士在汽车动力学研究领域有着丰富的理论及实践经验，造诣极 为深厚，在国内外同行中享有很高的声望。他所提出的有关轮胎力学、汽车动 力学、人一车闭环评价系统等方面的观点和方法均达到了世界一流水平。同时， 郭院士也是我国最早把近代系统力学与随机振动理论引入汽车科学研究的学 者，是我国汽车操纵稳定性、平顺性、制动与驱动稳定性以及轮胎力学等学术 领域的主要开拓者和学术带头人。特别是在驾驶员模型、人一车闭路系统特性及 人一车闭路系统的定量评价方面1 ，郭院士提出了有关考虑各项影响因素的驾驶 员一汽车一道路闭环操纵系统模型以及各个单项总方差评价指标，并应用频率统 计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法【2 1 l 。 1 9 9 2 年，清华大学的张海岑应用多刚体动力学方法建立了汽车列车7 4 自由 度非线性数学模型，对汽车列车操纵稳定性和制动性的模拟计算进行了深入的 4 武汉理工大学硕士学位论文 探讨研究【2 2 1 。 1 9 9 8 年，吉林大学的宗长富利用吉林大学开发的a d s l 驾驶模拟器验证了开 环和闭环综合评价指标与驾驶员主观评价的相关性；并对a d s l 驾驶模拟器动态 模拟逼真度进行了改进【2 3 1 。 2 0 0 0 年，吉林大学的张保军通过引入结构松弛概念建立了时变载荷下的轮 胎非稳态模型，并对次模型进行了相关理论分析，结合轮胎包容特性模型应用 到汽车操纵稳定性仿真之中，分析了时变载荷对汽车操纵稳定性的影响 2 4 1 。同 年，北京理工大学的姜澜运用前馈控制、自适应控制、极点配置、最优控制等 理论和d b w 、理想模型追踪等思想通过横摆力矩、侧倾力矩、前轮转角补偿和它 们的集成系统，分别提出了汽车操纵稳定性中最为重要的几个参量：横摆角速 度、侧偏角、侧倾角等的控制模型和这些参量的集成控制模型，以提高汽车在各 种条件下操纵稳定性【2 5 1 。 2 0 0 1 年，中国农业大学的尹念东设计了一套桌面虚拟现实系统，用于开发 汽车操纵稳定性虚拟试验平台。作者首次建立了六因子调整模糊汽车模型【2 6 1 。 2 0 0 7 年，华中科技大学的秦东晨运用a d a m s 软件建立了某s u v 车型的整车 多体动力学模型，并对该车型的前悬架及整车分别进行了动力学仿真研究和整 车操纵稳定性仿真分析 2 7 1 。 2 0 0 8 年，江苏大学的韦超毅利用m a t l a b 软件建立了拖挂式房车列车的力学 模型。运用根轨迹法研究了拖挂式房车列车结构参数对操纵稳定性的影响。并 采用滑模变结构控制方法对拖挂式房车列车操稳性能进行控制仿真【勰1 。 2 0 0 9 年，东南大学的车华军利用虚拟样机技术及实车试验建立了针对某型 轿车的虚拟动力学试验场，并以此为基础对样车的操纵稳定性能进行了全面的 深入研究，讲稳健优化设计引入操纵稳定性研究中 2 9 1 。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要任务是根据某载重汽车尺寸参数、质量参数以及力学特性参数， 应用a d a m s c a r 建立整车多体动力学模型，并根据操纵稳定性试验的国家标准 对该仿真模型进行转向盘角阶跃输入试验、转向盘角脉冲输入试验，转向回正 性试验以及稳态回转特性试验。然后对该车型的操纵稳定性能进行分析与评价。 具体研究工作的主要内容如下所示： 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 了解国内外汽车操纵稳定性研究领域的发展历程、研究现状、理论基 础、试验方法以及评价指标； ( 2 ) 利用a d a m s c a r 建立前、后悬架，转向系统，动力系统，刚性底盘， 前、后车轮等子系统，并完成整车的装配； ( 3 ) 进行载重汽车前、后悬架仿真分析试验，分析前轮定位参数、钢板弹 簧刚度等参数随车轮跳动时的变化； ( 4 ) 在整车模型的基础之上，进行转向盘角脉冲、转向盘角阶跃、转向回 正、稳态转向仿真试验，对该车操纵稳定性做出分析与评价。 1 4 本章小结 本章结合国内外相关科技文献，分析了汽车操纵稳定性研究的目的及意 义，并对汽车操纵稳定性研究的发展状况进行了大致的介绍。最后，列举出本 文所要进行的各项具体研究工作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章操纵稳定性分析与评价方法 汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张或者疲劳的情况之下操控 汽车时，车辆能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，并且在遇 到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力【驯。 对于汽车操纵稳定性的研究和评价，主要的方法有通过实车试验直接测得 整车的相关性能参数，或者建立车辆动力学理论模型进行理论推导。一般情况 下，采用两者相结合的方法，以及凭借试验工程师的主观判断去描述和评价。 具有良好操纵稳定性的车辆应有以下特点 3 1 1 ： ( 1 ) 车辆易于控制( 对驾驶员要求不应过高) ； ( 2 ) 在遭遇外界干扰时，车辆可以一定程度地抵抗干扰而不让驾驶员感到 突然和意外，并能保持车辆稳定行驶； ( 3 ) 当车辆载荷发生变化、轮胎更换或在不同路面行驶时，操稳性的变化 应尽可能小。 2 1 汽车操纵稳定性包含的内容 在分析汽车操纵稳定性研究时，可以将汽车当做是一个控制系统，以汽车 曲线行驶时的时域响应和频域响应来作为汽车的操纵稳定性的评价指标。 汽车曲线行驶时的时域响应是指汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入 下的侧向运动响应。转向盘输入分为力输入和角输入两种形式。外界侧向干扰 输入主要是侧向风和路面不平产生的侧向力。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 汽车操纵稳定性的基本内容及评价所用物理参数 基本内容主要评价参量 1 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应一转 稳态横摆角速度增益一转向灵敏度 向特性 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应 反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆频率 2 横摆角速度频率响应特性共振峰频率、共振时振幅比、相位滞后角、 稳态增益 3 回正性回止后剩余横摆角速度与剩余横摆角、达到 剩余横摆加速度的时间 4 转向半径 最小的转向半径 5 转向轻便性 原地转向轻便性 低速行驶转向轻便性 转向力、转向功 高速行驶转向轻便性 6 直线行驶性 侧向风稳定性 侧向偏移 路面不平度稳定性 侧向偏移 微曲率弯道行驶性 转向操舵力矩梯度 7 典型行驶工况性能 蛇行性能 转向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角 移线性能 速度、侧偏角、车速等 双移线性能一回避障碍性能 8 极限行驶能力 圆周行驶极限侧向加速度 极限侧向加速度 抗侧翻能力 极限车速 发生侧滑时的控制性能 回至原来路径所需时间 2 2 汽车操纵稳定性的评价 目前，汽车操纵稳定性的研究对象一般可分为两个类型：不考虑驾驶员反 馈等因素时的汽车开路控制系统，将驾驶员和汽车看作为一个整体的人一汽车系 统。 汽车 图2 1 汽车开路系统简图 8 武汉理工大学硕士学位论文 人一汽车闭路能比较真实地反映汽车的操纵稳定性能，但是由于驾驶者个体 的差异性将导致其时域响应的客观性和再现性不如汽车开路系统。加之，人一汽 车闭路系统的操纵稳定性研究是以试验样车为基础，通过进行各种整车试验得 到性能参数，对车辆的操纵稳定性能做出分析与评价，所以在现阶段下不能通 过纯粹的理论分析与推导来进行预测。因此，在汽车的产品开发阶段，开路系 统汽车的时域响应仍然是主要的分析对象。 图2 2 人一汽车闭路系统简图 汽车操纵稳定性的评价，主要有两种途径，第一种是客观评价，即利用测试 仪器测量出汽车的相关性能参数，如横摆角速度、车速等，通过这些参数对汽 车的操纵稳定性能做出评定计分；第二种是主观评价，即让驾驶车辆的测试工 程师根据自己驾车时的感觉对车辆操纵稳定性进行评定，主观评价要求测试工 程师有着较为丰富的驾驶、评定经验。 在研究汽车开路系统特性时，只需要采用客观评价法即可。在研究人汽车 闭路系统特性时，则需要将客观评价和主观评价两种方法有效地结合起来应用。 2 2 1 汽车操纵稳定性的开环评价 2 2 1 1 线性二自由度汽车模型的微分方程 在汽车操纵稳定性理论数学模型建立之前，必须对其各系统进行简化并提 出一些假设： ( 1 ) 假设汽车做小曲率运动，所以侧向加速度极小，车轮转角和侧偏角都 很小； ( 2 ) 把整车看做是一个只作平面运动的刚体，侧向加速度值小于0 3 - 0 4 9 ， 9 武汉理工大学硕士学位论文 这样可以保证轮胎侧偏特性处于线性范围之内； ( 3 ) 忽略由于垂直载荷变动而导致的左、右车轮侧偏特性的变化，认为左、 右轮胎侧偏角一直相等； ( 4 ) 将悬架侧倾引起的车轮侧倾转向角、转向系和悬架导向杆系弹性造成 的侧向力转向角与轮胎本身的侧偏角一起视为前轮或者后轮的综合侧偏角，从 而可以将悬架和转向系弹性的影响包含在前后轮的综合侧偏刚度之中； ( 5 ) 忽略转向系的惯性和阻尼等，转向盘转角与前轮名义转角成比例关系， 直接将前轮转向角看做是系统的输入角。 图2 - 3 二自由度汽车模型 二自由度汽车运动微分方程式： 1 ( 毛+ 七2 ) + 二( 口七l b k 2 ) c o ，一毛6 一m o + “，) “ ( 2 1 ) 1 o ( a k l b k 2 ) 声+ 三( 口2 k l + b 2 k 2 ) ，一a k l 6 = ，z “ 式中：毛一前轮侧偏刚度； 后，一后轮侧偏刚度； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 口一质心到前轴的距离； 6 一质心到后轴的距离； 卢一质心侧偏角； 材一速度沿o x 轴方向的分量； ，一横摆角速度； 6 一前轮转角； 册一汽车质量； ，一加速度沿o v 轴方向的分量； ，一汽车绕z 轴的转动惯量； 一汽车横摆角加速度 2 2 1 2 前轮角阶跃输入。f 的汽车稳态响应特性 汽车做匀速运动时，使前轮保持一个固定转角，在此角阶跃输入下进入的 稳态响应就是等速圆周行驶。常用稳态横摆角速度增益( 也称转向灵敏度) 来 评价稳态响应。 生1 。 丝。丝 ( 2 2 ) 6 j ，1 + 暑( 丢一鲁) 2 1 + 勋2 过多转向 l a c ruc h l a a 图2 4 汽车的稳态横摆角速度增益曲线 稳态响应的三种类型： ( 1 ) 中性转向。k - - o , 詈) ，1 ，此时，汽车的行驶车速极低，侧向加 武汉理工大学硕士学位论文 速度极小，可以认为车轮无侧偏角，横摆角速度增益与车速成线性关系。 ( 2 ) 不足转向。k 0 ，k 的取值越大，如图2 - 4 所示的横摆角速度增益 曲线则会越低，因此不足转向量就越大。当车速为“。上时，汽车稳态横摆 “ k 角速度增益达到最大值。”，。称为特