（机械工程专业论文）高速汽车受横向扰动的稳定性研究.pdf

r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iw e i p i n g m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 储张留哗 吼叫年( 月冲日 学位论文版权使用授权书， 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 、 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密昭 、， ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名呷雹绎 翩獬厍 日期：yff 年皇月即日 日期：少1 1 年歹月叶日 高速汽车横向扰动的稳定性研究 摘要 随着汽车工业的发展以及我国高等级公路的建设，汽车的实际行驶速度得到 了很大的提高，随之而来高速汽车的行驶稳定性问题也受到人们的重视。由于高 速行驶的汽车经常会受到横向扰动的影响，由此产生的侧向力会引起轮胎侧偏和 非稳态转向，致使汽车偏离行驶方向。为防止交通事故驾驶员必须及时正确的调 整转向量来修正，持续的调整方向盘会导致驾驶员疲劳，增加行车危险。因此对 于高速汽车受到横向扰动时的操纵稳定性研究很重要。 为研究高速汽车受到横向扰动时的操纵稳定性，本文首先分析了各项横向扰 动产生的原因，并对横向扰动引起的侧向力进行了数学描述，以方便后续整车动 力学模型的建立和计算机仿真。 由于计算机技术的发展，目前动力学系统建模的方法主要分为了两类：一类 是基于动力学公式的数学建模，当系统比较复杂时，公式推导过程过于繁琐，也 不利于求解。需要对系统进行适度的简化，这就导致了部分系统特性无法保留， 但是由于这种方法得到的系统响应特性是用数学公式表达的，后续分析工作就会 比较方便；另一类是基于虚拟仿真软件建立实体动力学模型，由此建立的模型自 由度较高，且不需要繁琐的公式推导，仿真结果精度高。但是这种方法对软件的 依存度过大且缺乏理论指导。本文结合了这两种方法，首先建立了三自由度的整 车动力学模型，与实验数据对比验证了模型的正确性，之后通过改变模型中的汽 车参数得出其对受横向扰动作用的汽车操纵稳定性的影响和程度；并利用在 a d a m s c a r 中建立的整车模型，进行了直线行驶和转向行驶时受到不同类型侧 向力工况的仿真分析。 关键词：横向扰动；侧向力；操纵稳定性；三自由度整车模型 i l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n c o u n t r y , t h ea c t u a ls p e e do fv e h i c l eh a s i n d u s t r ya n dt h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni n o u r b e i n gp r o m o t e d a st h i sg o i n go n ，t h es t a b i l i t y p r o b l e mo fh i g h s p e e dv e h i c l ec o m e si n t op e o p l e sv i s i o n t h eh i g h s p e e d v e h i c l e a l w a y sb ei n f l u e n c e db yu n k n o w n d i s t u r b a n c e sw h i c hm a yc a u s el a t e r a lf o r c e s ，i tl e a d s t ot i r el a t e r a ll e a n i n ga n du n s t e a d yc o r n e r i n g ，t h e nt h ev e h i c l ew i l ld r i f t f r o mt h e c e r t a i nd i r e c t i o n t h ed r i v e rm u s ta d j u s tt h ew h e e li nt i m et oa v o i dt r a f f i ca c c i d e n t ， w h i l ei tc a ni n c r e a s et h ed r i v i n gd a n g e r sw i t ht o om u c ha d j u s t m e n t t h e r e f o r ei t i s v e r yi m p i o r t a n t t o s t u d yt h ec o n t r o ls t a b i l i t yo fh i g h s p e e d v e h i c l ew i t hl a t e r a l d i s t u r b a n c e s t os t u d yt h ec o n t r o ls t a b i l i t yo fh i g h - s p e e dv e h i c l ew i t hl a t e r a ld i s t u r b a n c e s ，t h e c a u s a t i o n so fd i f f e r e n td i s t u r b a n c e sa r ed i s c u s s e df i r s t l y t h e n ，t h e f o u n d a t i o no f d y n a m i c a lm o d e la n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nw i l l b e c o m ee a s yi ft h ec a u s e dl a t e r a l f o r c e sa r ed e s c r i b e dm a t h e m a t i c a l l y 舡t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p s ，t h e r ea r ea b o u tt w ow a y st o m o d e la d y n a m i cs y s t e mn o w o n ei s t om o d e lad y n a m i cs y s t e mb a s e do nf o r m u l a so f d y n a m i c s i tw i l lb ev e r yd i f f i c u l tt og e tt h ef o r m u l a sa n dg e tt h er e s u l t sw h e nt h e s y s t e mi st o oc o m p l e x i tb e c o m e sn e c e s s a r yt os i m p l i f yt h es y s t e mw h i c hm a yc a u s e s o m ec h a r a c t e r so ft h es y s t e md i s a p p e a r e d b u tt h el a t e ra n a l y s i sw i l lb es i m p l ef o r t h e r e s p o n s e so ft h es y s t e ma r ee x p r e s s e db yf o r m u l a s t h eo t h e rw a yi s u s i n gv i r t u a l p r o t o t y p i n gs o f t w a r et om o d e l i tc a ng e tm o r ed e g r e e s o ff r e e d o ma n dm o r ea c c u r a t e r e s u i t sw i t h o u tc o m p l e xd e r i v a t i o no fe q u a t i o n b u ti td e p e n d sm u c ho nt h er e l i a b i l i t y o ft h ec e r t a i ns o f t w a r ea n dl a c k st h e o r e t i c a ld i r e c t i o n i tc o n s i d e r sb o t ho ft h e s et w o m e t h o d si nt h i sp a p e r f i r s t l y ，a3d o f v e h i c l em o d e li sb u i l ta n dp r o v e dt ob er i g h t a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a t h e nt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h ec o n t r o l s t a b i l i t yi sg o tb yc h a n g i n gs o m eo ft h e mi nt h ee q u a t i o n s t h es t r a i g h t a n ds t e e r i n g t r a v e l i n gt e s t so fas p e c i a l c a rw i t hd i f f e r e n tl a t e r a lf o r c e sa r es i m u l a t e d o nt h e s i m u l a t i o np l a t f o r mo fa d a m s c a r ，a n dt h er e s u l t sa r ca n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d s ：l a t e r a ld i s t u r b a n c e ；l a t e r a lf o r c e ；s t a b i l i t y ；3d o f v e h i c l em o d e l i l i 高速汽车横向扰动的稳定性研究 目录 学位论文版权使用授权书i 摘j i e i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 课题的研究目的和意义1 1 2 横向扰动作用下的汽车稳定性研究2 1 2 1 汽车操纵稳定性研究概况2 1 2 2 横向扰动作用下汽车稳定性研究概述。4 1 3 虚拟样机技术研究概况5 1 4 本文主要研究内容。5 第2 章高速汽车的受力分析7 2 1 汽车受到外力的六个分力一7 2 1 1 纵向阻力7 2 1 2 侧向力8 2 1 3 竖直方向上的力。9 2 1 4 侧倾力矩9 2 1 5 横摆力矩1 0 2 1 6 俯仰力矩1 0 2 2 侧向力产生的原因。1 0 2 2 1 气动侧向力的产生1 1 2 2 2 非气动侧向力的产生1 2 2 3 侧向力的数学描述1 4 2 3 1 侧向气动力1 4 2 3 2 非气动侧向力1 7 2 4 本章小结。1 8 第3 章横向扰动下汽车的动力学建模1 9 3 1 汽车动力学模型1 9 3 1 1 力平移的基本理论1 9 3 1 2 坐标系的选择2 0 3 1 3 三自由度模型的建立2 1 3 2 轮胎特性的线性化2 3 i v 硕士学位论文 3 3s i m u l i n k 图形建模2 4 3 4 横向扰动响应及其验证2 5 3 5 本章小结2 7 第4 章操纵稳定性的虚拟仿真分析j 2 8 4 1 多体系统动力学分析软件介绍2 8 4 1 1a d a m s c a r 的建模和分析的原理2 8 4 1 2 多体系统分析理论基础2 9 4 2 整车模型3 0 4 2 1 前悬架和转向系统3 0 4 2 2 整车模型3 1 4 3 操纵稳定性评价指标3 2 4 3 1 开环评价指标3 3 4 3 2 闭环评价指标3 4 4 4 虚拟仿真分析3 4 4 4 1 直线行驶工况3 4 4 4 2 转向行驶工况4 4 4 5 本章小结5 1 第5 章汽车设计参数对操纵稳定性的影响5 2 5 1 结构参数5 2 5 】【1 轴j 眶5 2 5 1 2 汽车质量5 3 5 1 3 质心位置。5 4 5 1 4 横摆惯性矩咖5 6 5 2 性能参数5 7 5 2 1 轮胎的侧偏刚度5 7 5 2 2 前后悬架的侧倾阻尼。5 8 5 2 3 前后悬架侧倾角刚度6 0 5 3 本章小结6 2 第6 章总结6 3 6 1 全文总结6 3 6 2 工作展望6 3 参考文献6 5 豸【谢6 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 9 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 随着汽车产业的发展以及国家的重视，汽车成为越来越多人的代步工具。早 期的汽车，由于车速较低，设计目标大都集中在动力性、经济性方面。而如今由 于汽车技术的发展及道路建设，使得家庭用车量有了飞速上升，并且车速不断提 高，汽车的安全性受到越来越多的关注。因此对汽车操纵稳定性的分析在汽车设 计和整车性能分析中有着重要的作用。 随着我国高等级公路的发展，汽车的实际行驶速度大大提高，高速行驶汽车 的稳定性研究也日趋重要。高速行驶的汽车经常会受到侧向扰动的影响，而由此 产生的侧向力会引起轮胎侧偏和非稳态转向，致使汽车偏离行驶方向，为防止交 通事故驾驶员必须及时正确的调整转向量来修正，持续的调整方向盘会导致驾驶 员疲劳，增加行车危险。有关资料表明，在高速行驶的汽车所发生的安全事故中， 有相当部分是由于受到侧风或其他侧向扰动的影响，驾驶员难以或者没有足够的 经验做出正确的反应，从而致使汽车失稳引起的i l _ 3 l 。， 以往关于汽车受到横向扰动的研究，都是集中在研究汽车受到的侧风对其稳 定性的影响，且相关的实车试验采用的使汽车经过产生侧风的装置的方法。但是 这种试验方法对实验人员和设备都具有非常大的危险性，并需要投入大量的人力 物力和财力，试验结果也是不稳定的，很容易受到环境和认为因素的影响和限制。 由于相关领域的软硬件技术科技的进步，通过利用相关的虚拟仿真软件对横向扰 动作用下的汽车操纵稳定性进行分析计算，从而就可以在最初的汽车设计阶段进 行不同工况下汽车的运动情况的仿真分析，基本可以分析出该汽车能否满足设计 要求。虽然这种仿真方法不能替代实车试验，但它具有实车道路试验无法比拟的 优点，1 例如：研究周期短、结果精确度较高，以及计算分析快等。此外还能解决 其他的一般方法解决不了的难题。能够为新产品的开发，老产品的淘汰更新提供 较快的评估汽车动力学性能的方法和途径1 4 _ 6 】。 总之，由于汽车横向稳定性直接影响到汽车的行驶安全和汽车内人员的生命 安全，有必要在最初的设计阶段就对汽车的稳定性加以分析和预测，否则可能会 使新开发的车的瞬态转向特性与高速稳定性的不稳定。目前世界各大汽车公司都 将汽车的瞬态转向特性与高速稳定性列为新车开发的关键技术。而我国在高速汽 车受到横向扰动时稳定性的研究还比较缺乏。研究高速汽车在横向扰动作用下的 操纵稳定性，以提高汽车的主动安全性，具有极其重要的理论价值和应用价值。 高速汽车横向扰动的稳定性研究 1 2 横向扰动作用下的汽车稳定性研究 1 2 1 汽车操纵稳定性研究概况 汽车操纵稳定性通常是指其包括的相互联系的两部分：一个是指操纵性，另 一个是指稳定性。操纵性指的是汽车能够准确及时地对驾驶员操纵做出响应的能 力；稳定性指的是汽车在受到来自外界的扰动( 突然阵风或地面不平) 后恢复到 之前行驶状态的能力。这两者是不容易分开的，一者的好坏将会直接对另一者造 成影响，因此通常只统一称作操纵稳定性。操纵稳定性的好坏就是指汽车根据道 路、地形、交通情况等的限制，能够正确地按照驾驶员利用转向系统所给的指令 正确行驶的能力；还有就是抵抗各种外界干扰对其造成的影响的能力，并且不会 过于改变汽车的行驶状态或引起驾驶员的过分疲劳和紧张。操纵稳定性影响的不 仅仅是驾驶员对汽车操纵的方便程度，它还保证着高速汽车行驶的安全性，人们 将其称为是“高速车辆的生命线 1 7 j 。 从1 9 3 5 年起人们才开始研究车辆的操纵性以及转向性问题。之后德国的卡姆 ( k a m m ) 教授在斯图加特创建了众所周知的车辆科学与发动机研究所( r e s e a r c h i n s t i t u t ef o rv e h i c u l a rs c i e n c ea n de n g i n e s ) ，首次进行汽车稳定性和直线行驶能力 的研究工作。此后，于1 9 4 6 年该领域的一些基本理论才得到了确立。其主要研究 对象是车辆在动态振动中的响应特性和转向力学，后来大概从1 9 5 0 年开始，车辆 在受外部脉冲作用力时的响应才得到较为进一步的理论分析和研究。之后，主要 是设计出适合的数学模型来研究汽车的动态稳定性。而1 9 5 6 年，一个线性化的数 学模型由s e g e l 建立出来用于仿真计算研究汽车的转向响应特性，在这之后世界范 围内的对汽车操纵稳定性的仿真研究才逐渐开展起来。1 9 6 1 年又编制了相关的计 算机程序用于研究汽车的动态稳定性，1 9 6 3 年英国又进一步的开展了这个领域的 研究工作【8 1 。直到1 9 8 0 年以后，美国、英国、加拿大和瑞典等国的研究机构和 大学又对大型载货车、半挂车及农用车等做了操纵性的研究。之后，研究人员逐 渐考虑了转向系统、悬架和汽车轮胎等非线性因素的影响，不像之前仅仅是建立 了线性的数学模型来对汽车的操纵稳定性进行研究。在这方面研究的代表人物主 要有如下几个：b u c h h i e m r 等人指出了汽车在受到侧向风作用时，汽车质心位置 对汽车操纵稳定性的影响明显大于汽车的气动参数( 主要指俯仰力矩和侧倾力矩) 对其影响【1 2 l 。c h e n ，h f 等人考虑了悬架的影响，通过改变悬架的刚度等参数进 行了相关的研究【1 3 l 。而l u k o w s k i ，s a 等人则是研究了汽车的稳态转向特性，考 虑进了轮胎的相关设计参数和前后悬架的载荷变化1 1 4 】。这样就使得对汽车的各项 参数对操纵稳定性的影响研究的更加全面。而我国逐渐开展对操纵稳定性的研究 是从1 9 7 2 年开始的，由当时的长春汽车研究所做了如何评价汽车的操稳特性和相 2 硕士学位论文 关的计算机仿真研究。无论是在理论上还是实践上，这些研究主要就是考虑转向 系统的影响以及惯性力的影响，上述的各项研究成果为分析横向扰动对汽车在高 速工况下稳定性的影响奠定了基础【l 引。 另外对汽车的操纵稳定性的研究方法也有很多，鉴于汽车在运动过程中的受 力情况是比较复杂的，且它的运动状况和行驶环境处在不断变化中，使得对汽车 的稳定性分析变得极为复杂和困难，因此一般采用理论和实验相结合的方法进行 研究。由于汽车行驶过程中的外界影响因素极为复杂和不稳定，简单的线性数学 模型又不能准确描述汽车的行驶特征，过于复杂的模型很难建立且不利于计算机 的运算，过于简单了又没有研究意义。所以建立准确且合适的数学模型是研究汽 车操纵稳定性的前提和基础。1 9 5 6 年s e g e l 等人建立的2 自由度整车数学模型用 来对汽车的转向特性进行仿真计算，随后其他研究者建立了更为精确的数学模型， 但仍然将一些对汽车操纵稳定性影响较大的因素进行合适的侧偏刚度等效，从而 得到简化的2 自由度整车模型来进行相关研究【1 6 】。但是随着计算机技术的发展和 对轮胎特性的深入研究，使得人们可以利用计算机计算更为复杂的模型，对汽车 的稳态和瞬态响应进行合理的仿真研究。传统的2 自由度整车模型显然满足不了 更为精确的研究需求，于是研究者建立的更为复杂、自由度更多的整车动力学数 学模型，如4 自由度模型、8 自由度模型、1 6 自由度模型【”】等等。与此同时，相 关的汽车操纵稳定性的评价指标也得到了进一步的研究和丰富，如u f f e l m a n n e 等人提出了由风敏因子的评价指标，主要指行驶中的汽车受到了侧向风的影响， 同时考虑了驾驶员、悬架系统以及空气动力学等因素【1 引，t a d a ot a n a k a 等人提 出了考虑路面不平影响时，用负转向工作载荷来评价操纵稳定性的方法【”j ，而我 国的郭孔辉院士提出了能相面图方法，可以更直观地比较汽车转向特性【2 0 1 ，等等。 值得一提的是，一般根据不同评价指标得出的评价结论并不一致，有时相差很大。 随着研究的进一步深入，人们发现在利用那些数学模型分析操纵稳定性的时候缺 乏对驾驶员基本特性的讨论，故人们也都是对汽车的操纵稳定性进行了开环的评 价，对考虑驾驶员的汽车系统相关响应性能并不了解。 基于这些认识，研究者逐渐开始研究驾驶员模型，以求更为准确的分析汽车 的操纵稳定性。m c r u e r 等人将飞机上的飞行员飞机闭环控制应用到汽车上，由 于没有考虑驾驶员会根据视觉环境调控汽车，并不能由此获得有效的系统参数。 在1 9 8 1 年，由e l l i s 、r e d d y 提出了“最优预瞄闭环控制模型 用来模拟驾驶员特 性。在此基础上，我国车辆工程院士郭孔辉于1 9 8 2 年提出了“预瞄跟随理论 并成功地将该理论应用到考虑驾驶员作用的转向行驶稳定性的研究中【2 1 1 。 近年来，由于计算机技术的迅猛发展，以计算机仿真技术为手段，研究汽车 的操纵动力学成为了该研究领域的主要方向之一。这是数字化的仿真技术，因此， 仿真结果大多是以数据的形式给出，或者以曲线动画的形式给出。这种仿真方法， 3 高速汽车横向扰动的稳定性研究 应用于汽车的操纵动力学研究，它可以从数据和图像上对相关参数进行分析，以 及预估汽车的动态特性等。但是这种数字仿真没有直接的视觉感受，因而有一定 的局限性。若用试验验证仿真结果，则必须用专门的仪器测取进行参数对比，将 花费较大的人力和物力。如果研究汽车的闭环系统，虽然目前有对驾驶员模型的 建立相对成熟和实用的有单点预瞄模型、多点预瞄模型，且这两种模型都可使汽 车具有较好的跟随性，可以用于汽车闭环系统的模拟和研究，但是这种模拟仅仅 是汽车对给定线路跟随性的模拟，没有驾驶员的视景和场景，模拟效果就不够逼 真。另一方面，这种仿真方法只能模拟有限的行车工况，实际的道路情况比较复 杂，像超车避让等工况并不能有效模拟，这就体现出了这种方法的局限性1 2 引。 而随着计算机技术的发展进步，虚拟现实技术成为了该研究领域的一个新方 向。由于实车试验的危险性，就将这种虚拟现实技术应用到了汽车操纵稳定性的 研究中，通过改变道路条件、车辆参数或驾驶机理等试验条件和参数，进行真实 情况的模拟试验，从而进行理论分析和假设正确性的验证。由于汽车操纵动力学 的仿真与人、车和环境系统密不可分，使得对汽车驾驶员道路的闭环系统研究转 化为对汽车驾驶员环境系统方面的研究。而且随着该领域研究的深入，虚拟仿真 技术在汽车操纵稳定性的研究中应用的会更广泛1 2 3 - 2 4 1 。 1 2 2 横向扰动作用下汽车稳定性研究概述 如前面提到的，以往对横向扰动作用下汽车稳定性的研究大都集中在侧风对 其的影响上。对侧风的研究主要是从其风谱特性和汽车的气动造型方面进行汽车 侧风稳定性的研究。主要的理论依据是物理学中的空气动力学，由物体和空气的 相对运动而产生的力称作气动力，这种力的大小方向与二者的相对运动的速度以 及接触面积有关。最初的在该领域的研究主要是为了减小纵向的阻力和竖直向上 的升力。 1 9 3 0 年，德国的卡姆教授在斯图加特建立了众所周知的车辆科学与发动机研 究所，至此空气动力学才开始应用于汽车稳定性的研究中。而美国的康奈尔航空 实验室，福特公司，克莱斯勒公司等也在该领域的研究做了相当多的工作。而且 发表了一定数量的涵盖侧向气动力对汽车行驶稳定性影响的研究工作的论文【2 5 1 。 1 9 7 5 年，英国进行了汽车受到气动侧力时的行驶稳定性道路实验。1 9 8 2 年，意大 利的菲亚特公司也逐渐开展了高速汽车受侧向气动力作用时的操纵稳定性问题。 至此对汽车受到横向扰动的稳定性研究才在全世界范围内逐渐得到重视。 由于精度较高的汽车动力学模型不容易建立，且需要较高的自由度，还要考 虑各种非线性因素的影响，因此在该领域的研究中建立的模型都是线性的低自由 度的动力学模型【2 5 2 9 1 。这些动力也模型也都没有考虑汽车受到横向扰动的影响， 而现在随着研究的进一步深入，研究人员考虑了较多的外部因素和不同工况下的 4 硕士学位论文 整车多自由度模型。但是这些模型都是比较复杂的，不利于利用求解计算。故本 文建立的是考虑汽车受到横向扰动作用时的整车三自由度模型。并且将轮胎进行 了线性简化，用来分析横向扰动作用下的汽车运动情况。这种模型不仅可以较好 的反映汽车受到横向扰动后三个主要自由度的运动情况，而且还具有模型容易建 立，方便求解计算，计算结果具有较高参考价值等优点。 1 3 虚拟样机技术研究概况 随着计算机辅助技术的发展，上世纪8 0 年代在机械工程中出现了一种被称为 动态仿真技术的虚拟样机技术。它内部运用的是多体系统运动学和动力学理论， 同时结合了机电液压技术和c a d 的三维建模技术等相关技术而形成的一种仿真技 术【3 叭。数值算法是应用数学一个重要部分，它为这些模型的求解计算提供了快速 准确的算法。同时计算机技术动画制作技术的发展又为这种虚拟样机技术提供了 可视化的用户机械交流界面。而虚拟样机技术应用的技术环境又随着c a d f e a 等 的发展得到了提供。 从产品的最初的概念设计一直到后来的各项性能的检测验证，始终贯穿着虚 拟样机技术。在产品的整个设计过程中，设计人员可以方便自由地进行虚拟模型 的修改，而不像传统的设计过程，如果对模型进行修改就需要耗费大量的人力和 物力，这种虚拟样机技术可以使设计人员放掉这种思想包袱。并且这种设计方法 和思路会在很大程度上缩短产品的开发周期，同时最终产品的质量也会较高。 目前国外的虚拟模型技术商品化过程早已完成，有二十多家公司在这个日益 增长的市场上竞争。其中比较有影响的产品包括m s c 公司的a d a m s ，c a d s i 的 d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k 。而作为求解机械系统在作空间的大位移运动 时的力学特性的工程软件，a d a m s 具有相当大的优势，且占据了大部分市场份额。 另外这款软件还有很很多优点，例如：应用范围广、方便操作、友好的人机交互 界面、求解速度快结果稳定等，另外它还可以和多款c a d 建模和分析软件进行联 合的特点，这些优点使得a d a m s 迅速发展并得到了大多数用户的认可。而汽车 又是典型的多体系统，正是a d a m s 软件面向的主要研究对象。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 汽车在行驶中，会由于很多原因对汽车产生横向扰动，汽车就会受到一 定的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩作用。本文首先讨论了行驶中汽车受到的各个 分力，以及主要横向扰动产生的原因。 ( 2 ) 对于横向扰动使汽车受到的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的数值模拟和 高速汽车横向扰动的稳定性研究 计算是研究受到横向扰动时汽车行驶稳定性的基础，对于进一步使用相关工程软 件进行仿真计算十分重要。本文通过对相关文献的查阅，根据文献中建立各种侧 向风风谱和汽车本身的各项参数，对由横向扰动产生的侧向力进行了数值模拟。 ( 3 ) 根据理论力学，将由不同原因产生的侧向力都简化到汽车的质心位置去 研究，并利用多体系统动力学理论，建立了考虑汽车受到横向扰动作用下的整车 三自由度模型。使用m a t l a b 的s i m u l i n k 模块对建立的三自由度微分方程进 行求解。采用奇瑞某款轿车的结构参数，研究汽车受侧向力作用下的响应：并利 用另外某款国产轿车的结构参数，对仿真结果和试验进行对比验证模型的正确性。 ( 4 ) 已被广泛使用的仿真软件a d a m s 能够使用计算机代码和方程准确模拟 真实的机械系统，并将仿真结果可视化。本文采用在a d a m s c a r 中建立的包括 车身、悬架、转向系统、发动机、轮胎的多自由度整车模型进行仿真，同时考虑 了汽车受到的侧向力和横摆力矩、侧倾力矩，并对结果进行了分析。 ( 5 ) 通过改变整车的结构参数和性能参数，研究汽车的各个设计参数对横向 扰动作用下汽车行驶稳定性的影响。为以后汽车行驶稳定性的优化设计提出参考。 6 硕士学位论文 第2 章高速汽车的受力分析 由于高速公路建设的发展，以及汽车行业的发展，在高速公路上行驶的汽车， 经常会遇到各种外部扰动的影响，进而引起汽车行驶特性的改变，本章将介绍影 响汽车操纵稳定性的各种扰动产生的种类、产生原因，以及其数值特征。 2 1 汽车受到外力的六个分力 汽车行驶时，出了受到稳定的来自地面的力外，还受到周围气流的气动力和 力矩的作用【1 1 。如图2 1 所示： z t 、少地 图2 1 汽车受到的六分力 作用在汽车上的外力和力矩，分为相互垂直的三个分力和绕轴的力矩。图示 坐标系中，坐标原点选在轴距中点的垂直面、纵向对称垂直面与地平面的交点， 此三平面的交线为坐标轴线，纵向向前为x 轴，侧向向左为y 轴，垂直向上为z 轴，所有的外力都向这个坐标点简化。这样汽车受到的三个方向力纵向阻力、 侧向推力、竖直向上的升力都可认为作用在坐标原点上，三个力矩侧倾力矩、 俯仰力矩和横摆力矩，分别是绕x 、y 、z 三个坐标轴的力矩。 2 1 1 纵向阻力 作用于行驶汽车上的纵向阻力一般是指速度方向上的空气阻力。 公式计算t e 一7 1 v 。2 s c , 一秘e 式中：p 空气密度5 圪相对流速； 7 通常用以下 ( 2 1 ) 高速汽车横向扰动的稳定性研究 s 汽车正面投影面积； c 空气阻力系数。 由于空气的阻力丽引起的汽车操纵稳定性的变化，首先通过其对驱动力的影 响表现出来。有公式中可以看出空气阻力与汽车的行驶速度的平方成正比，速度 的提高就会引起阻力的增大，而为了保持汽车正常行驶，就必须相应的增大驱动 力，而驱动力的增加又会使得轮胎的侧偏刚度降低、侧向附着系数降低，最终导 致其侧偏角变大。当有侧向力存在时，势必会影响侧偏角的大小。若角增大， 则纵向风的作用面积增大，即空气阻力系数q 会随之增大；反之则减小。对于一 般的小型汽车，e 随卢的变化不大，但是长方形的大型客车由于与流动的空气接 触面积比较大，c 。随声的变化较大。 2 1 2 侧向力 ( 1 ) 侧向风引起的侧向力 当汽车受到受到的气流与汽车垂直对称面之间有一个侧偏角时，则会产生一 个侧向气动力。侧向力的表达公式为： 弓一寺s 此2 c ，一蚂 ( 2 2 ) 式中： c ，侧向气动力系数 侧向气动力系数q 近似与侧偏角声成正比，即等孑一常数，q k 。一。该公式 也常被称为“波曼( b o w m a n ) 公式。 ( 2 ) 转向引起的离心力 离心力可用下式计算： 弓一警 ( 2 3 ) 式中：m 整车质量 u 汽车行驶速度 r 转向半径 ( 3 ) 路面不平引起的侧向力 当汽车经过的路面在侧向有坡度时，汽车的重力就会有一个沿侧向一个分力： e = m g s i n a ( 2 4 ) 式中：口路面侧向倾斜角 尤其是在一些转弯处，为减小汽车转向时的离心力，公路会设计的有一定的 坡度，可有效降低高速转弯时汽车产生侧滑的危险；也或者由于路面的长期使用 导致的质量下降，在直线路面上会产生一定的坡度。 8 硕士学位论文 2 1 3 竖直方向上的力 ( 1 ) 由气流引起的气动升力为： 1 e - 去p 眨s c ：- q s c ： ( 2 5 ) 二 式中：c 升力系数 由于汽车车身上部和下部的曲面造型不同而导致的气流流速不同，作用在车 身上的空气有3 5 4 0 在车身上面通过，1 0 一1 5 会在车身下面通过，2 5 在车 身侧面通过。这种流速的不同会产生压力差，从而产生升力只。该升力会使得轮 胎对地面的压力减小，从而降低了轮胎的侧向最大附着力和侧偏刚度。另外该升 力在汽车不同轮处的升力又不尽相同，同样会引起各轮胎特性的差异，如果车尾 的升力比车头的升力大，就易导致车子过度转向、后轮抓地力减小，对高速汽车 的行驶安全有很大影响。 ( 2 ) 路面不平引起的竖直方向的力 当汽车经过不平的路面，或者遇到突起的时候，车轮就会产生相应的跳动。 由此产生的竖直方向上的力可用下式表达： 41 e z 去( e 乙+ 见乞) ( 2 6 ) 土。土+ 土 ( = 1 ，2 3 4 3 n4 )( 2 7 ) 一= 一+ 一 l = 1 夕lz ，) e 。c 呻k 。 一j 式中： e 对应轮胎与悬架的等效刚度 e 对应轮胎的垂向刚度 c 。轮胎对应悬架的刚度 见轮胎对应悬架的阻尼 乙轮胎的跳动高度 2 1 4 侧倾力矩 当侧向力和竖直方向的外力作用点不在质心位置的时候，就会产生侧倾力矩。 ( 1 ) 侧向风引起的侧倾力矩 当侧向风的作用点不与汽车的质心位置重合时，就会产生侧倾力矩，侧倾力 矩的大小可以用下式表达： 1 m ，一p v ：s l c 胁 ( 2 8 ) 二 式中：为侧倾力矩系数 f 轴距 9 高速汽车横向扰动的稳定性研究 侧倾力矩会使得车身产生侧倾运动趋势，由于悬架系统的作用将会引起左右 车轮上载荷的转移，而载荷的转移又会引起轮胎特性的改变，最终影响汽车的转 向特性。 ( 2 ) 路面不平引起的侧倾力矩 当汽车的轮胎经过不平路面，两侧的车轮产生不同幅度跳动时，就会引起侧 倾力矩，力矩的大小可用下式表达： m ，- 丢岛( + d 1 之一易z 2 一d 2 之) + 言耳( 易z 3 + d 3 毛一目乙一d 4 五) ( 2 9 ) 式中：b ，前轮轮距 且后轮轮距 2 1 5 横摆力矩 由于汽车外形左右对称，纵向的空气阻力和垂直方向的升力对z 轴没有力矩。 因此，空气的横摆力矩实际上是侧向力对z 轴的力矩，可以表示为： m ：一寺p 研眨气 ( 2 1 0 ) 式中： 横摆力矩系数 2 1 6 俯仰力矩 ( 1 ) 由于气流作用引起的俯仰力矩可用下式表达： m y ；丢p 口曙 ( 2 1 1 ) 式中： 俯仰力矩系数 ( 2 ) 由于路面不平引起的俯仰力矩可表示为： m ，2 专7 ( 墨气+ + e 2 z ：+ d 2 之一易毛一d 3 毛一只乙一d 4 2 ) ( 2 1 2 ) 俯仰力矩对于高速行驶的汽车操纵稳定性影响很大，俯仰力矩可以改变前后 轮的实际载荷，而载荷的转移势必影响前后轮胎的特性，对汽车的行驶安全也有 较大影响。 2 2 侧向力产生的原因 汽车在行驶中，常常受到侧向风，车身倾斜引起的侧向分力，或者是离心力 等引起的对汽车的侧向力，从而会造成轮胎的侧偏和非稳态转向，致使汽车偏离 预订行驶方向，会在很大程度上影响汽车的操纵稳定性。这就需要驾驶员频繁的 1 0 硕士学位论文 准确调整行驶方向，以保持汽车按照预定轨迹行驶，这样做无疑会增加驾驶员工 作负荷，影响行车安全性。因此，应该对汽车行驶过程中受到的横向扰动进行必 要的研究。 2 2 1 气动侧向力的产生 由气流引起的气动侧向力是由于汽车的迎风面和背风面的压力差造成的。如 果汽车的迎风面不是正面时，综合气流的方向就会与汽车的行驶方向形成一定的 大小的夹角，这就会形成气动侧向力，该力的大小可以用公式( 2 2 ) 计算，方向 指向背风侧，而且还会产生使汽车前端转向背风一侧的横摆力矩【3 们。 气动侧向力产生的主要原因是自然侧风和环境侧风【3 1 _ 3 2 】： ( 1 ) 自然侧风 自然侧风主要分为稳态和非稳态两类，它们都是由大气运动产生的。稳态侧 风是指可以通过一定的数学函数来表达其特征的侧风；而非稳态侧风则是指大小 和方向都是随机变化的，只能依靠统计数据来描述其特征的侧风。 为了研究侧向风对汽车操纵稳定性的影响，首先就应该对侧向风进行描述， 了解侧向风的特性，而非稳态侧风的大小和方向又是随机变化的，不能用一定的 数学规律来描述。因此研究中经常将不同类型的侧向风都简化为稳态的，可以用 一定的规律来描述的稳态情况来分析其对汽车操纵稳定性的影响。如果侧风的作 用范围较小且作用时间较短时，可以认为由侧风引起的侧向力的方向不变，大小 为常值；如果侧风的作用范围较大且作用时间较长时，为了研究的方便，通常也 是简化为线性变化或阶跃变化等，可以用数学规律描述的稳态值。于是一般的研 究中阵风模型就可以描述为突变阶跃、线性阶跃、正弦阶跃的稳态侧风。如图2 2 所示。 f y o 图a ) 突变阶跃 f y o f y o 图b ) 线性阶跃图c ) 正弦阶跃 图2 2 阵风模型 ( 2 ) 环境侧风 。 如果靠近路边存在较大的建筑，当高速行驶的汽车经过时，就会由于建筑物 的遮蔽作用和尾流的影响，会产生相应环境风，从而造成汽车上的气动力的突然 变化。例如汽车经过桥墩的过程中，侧向风的变化如图2 3 中所示，侧向风就会突 高速汽车横向扰动的稳