（机械设计及理论专业论文）教学型二自由度汽车操纵稳定性试验仿真台的研制.pdf

教学型二自由度汽车操纵稳定性试验仿真台的研制 摘要 掌握汽车操纵稳定性试验操作及其数据处理的能力对汽车工程技术人员是十 分重要的。然而，汽车操纵稳定性试验操作有一定的危险性，试验训练的成本也 很高。针对这种现状，本课题设计了一种基于我国国家标准( 二自由度汽车模型) 的操纵稳定性试验仿真台，操作者可在台上训练操作并对获得的试验数据进行分 析处理。仿真台可方便地调整“模拟汽车”的参数，产生不同的试验数据供分析、 处理。作者按国家标准的要求编写了脉冲响应试验数据处理程序，并构造了一组 理论上的经典二自由度模型的输入输出数据。实验验证表明：本课题所做的工作 是正确而有意义的。 关键词：二自由度操纵稳定性试验 仿真 r e s e a r c ho ft e s te m u l a t i o n a lp l a t f o r mo ft w od e g r e e sf r e e d o m a u t o m o t i v ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yf o rt e a c h i n g a b s t r a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ra u t o m o t i v et e c h n i c i a n st om a s t e rt h em a n i p u l a t i o na b o u t c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yt e s t a n dt h ea b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n g h o w e v e r ，t h e e x p e r i m e n ti sn o to n l yd a n g e r o u sb u ta l s oe x p e n s i v e a i m i n g a tt h ea c t u a l i t y , t h ep a p e r d e s i g n sa ne m u l a t i o n a lp l a t f o r mt h a tb a s e do ng b ( a u t o m o t i v em o d e lo ft w od e g r e e s f r e e d o m ) h a n d l e r sc a no p e r a t eo ni t a n da n a l y z eo b t a i n e dd a t u m t h ee m u l a t i o n a l p l a t f o r mc a na d j u s tp a r a m e t e r so f “s i m u l a t i v ec a r c o n v e n i e n t l y t h ed i f f e r e n td a t u m t h a th a i lf r o mt h ee m u l a t i o n a lp l a t f o r mc a nb ea n a l y z e da n dh a n d l e d a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fg b ，t h ea u t h o rc o m p i l e sap r o g r a ma b o u ti m p u l s er e s p o n s ee x p e d m e n t a n dc o n s t r u c t si n p u td a t a o u t p u td a t ao fc l a s s i c a lm o d e li nt h e o r y t h er e s u l ts h o w s ：i t i sr i g h ta n dm e a n i n g f u lt od ot h i sw o r k k e yw o r d s ：t w od e g r e e sf r e e d o mc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y t e s te m u l a t i o n 1 1 蓼。i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的 研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的 地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献 的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行 为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：j 砜- 免瓦日期：w 口5 牟占目日学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：j 砒- 礼钆日期：w 口6 开扫列w 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有 权送交论文的复印件，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，在年后解密可适用本授权书。 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：! 最乞f 1 期：口g 牟z 囝垌 指导教师亲笔签名： 董键 日期： 硼6 每5 国 1 a 福建农林大学硕士学位论文 1 仿真台的设计意图 1 1 汽车操纵稳定性试验 汽车性能的优劣是通过具体的性能指标加以评判的。而汽车性能指标是通过汽车 试验来测定的。通常所说的汽车基本性能试验是指动力性试验、燃料经济性试验、制 动性试验、通过性试验、操纵稳定性试验、平顺性试验、可靠性试验及耐久性试验等。 由于人们对汽车的要求越来越高，在获得照好的动力性和经济性的同时，还要求 具有良好的安全性、舒适性【l , 2 1 。对于这些要求，只有通过对汽车系统动力学的深入 研究和结构改进才能实现。汽车是一个复杂的多自由度非线性系统。要想真实地描述 汽车动态特性，必须考虑尽可能多零件的运动，得至精确的数学模型。然而，太复杂 的模型方程又给求解带来巨大困难，甚至得不到结果。因此，有必要人为地把汽车各 子系统加以简化，抽取出能够代表系统特性的本质因素，建立起较简单的数学、力学 模型进行求解，并把最终求得的结果用试验加以验证。可见汽车试验是十分重要的。 随着汽车设计水平的不断提高和公路条件的不断改善，特别是高速公路的发展， 汽车以l o o k m h 或更高车速行驶的情况是常见的。不少现代轿车设计的最高车速超过 2 0 0 k m h 。由于高车速和迅猛增长的交通密度，使得交通事故频繁发生，交通事故所 造成的伤害和损失也越来越严重，汽车交通安全问题因此成为一个社会性问题【3 娟】。 解决这一安全问题的事前方法是主动安全性方法1 7 1 。主动安全性指汽车能遵循驾驶员 驾驶意图，在所有交通状况下尽可能安全地避免事故的一种性能【9 】。而汽车操纵稳 定性是影响主动安全性的主要性能之一i m l 3 ，高速汽车必须具有良好的操纵性和稳 定性才能有效地抑制交通事故的发生。 汽车操纵稳定性的好坏直接影响汽车行驶速度的提高、汽车动力性的发挥和汽车 运输生产率的提高【1 4 46 1 。汽车在行驶过程中会遇到各种复杂的情况，有时直线行驶， 有时曲线行驶。出现意外情况时，驾驶员还要对汽车作紧急转向、制动等操作，以确 保交通安全。此外，汽车行驶中还要受到来自路面不平、坡道、风力等各种外部因素 的干扰【”1 。因此汽车要具有根据道路、地形、交通情况等的限制，能够正确地按照驾 驶员通过操纵机构所给的方向行驶的能力；以及汽车在行驶过程中抵抗企图改变其行 驶方向的各种干扰保持稳定行驶的能力【1 8 1 。而上述这些品质只有通过进行汽车操纵 ，】 福建农桔大学硕士学位论文 稳定性试验才能得以体现，因此，汽车操纵稳定性试验是非常重要的。 在进行操纵稳定性试验时，汽车的行驶速度高，试验具有一定的危险性，对试验 场地要求很高，必须在专用的汽车试验场上进行试验，试验成本很高，所以，对初学 者重复进行操作训练和数据处理训练就因道路条件、气候、车辆、危险性等因素而难 以经常进行了。另一方面，操纵稳定性试验对驾驶员和仪器操作人员要求又特别高。 驾驶者必须根据道路、交通等情况，通过身体器官感知汽车运动状态，经头脑的分析、 判断对转向盘进行操作修正。如此不断反复循环，操纵汽车行驶前进。由此可见，汽 车操纵稳定性试验结果与驾驶者的操作特性是紧密相关的。因此，对驾驶者进行反复 操作、训练培养就显得非常必要。 1 2 试验能力培养的重要性 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，汽车能遵循驾 驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰 而保持稳定行驶的能力【1 9 2 0 ! 。 众所周知，汽车的安全性取决于驾驶员、汽车、道路三大要素。事故原因研究的 首要任务是确定哪些事故是由于不适合驾驶员的驾驶技术或道路交通系统而造成的。 改善道路的交通安全性一般有两种办法：是包括汽车在内的道路交通系统必须更好 的适合驾驶员的行为，以避免技术原因对驾驶员的要求过高，即“使车适用于人的策 略”；二是对驾驶员施加影响( 例如通过培训和交通教育) ，使其在现行道路交通系统 中的行为符合安全要求，即“使人适用于车的策略”。 汽车操纵稳定性试验中的性能评价有主观评价和客观评价两种方法。客观评价法 是通过测试仪器测出表征性能的物理量如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力 等来评价操纵稳定性的方法【1 9 1 。主观评价是驾驶者根据不同的驾驶任务操纵汽车时， 依据对操纵动作难易程度的感觉来对汽车进行评价，即驾驶者对汽车的易操纵性所进 行的评价1 2 l 2 2 】。由于真实驾驶者的水平、能力及素质各不相同，需要组织大批的驾驶 者进行试验，因此，一次试验至少需要几个月的时间f 2 3 彩】。再者，由于驾驶者驾驶 汽车的过程是一个高度智能化的过程，是一个复杂的生理、心理活动过程。驾驶者在 接受到外来信息刺激后，如受驾驶气氛、松弛感、危机感等精神因素的影响1 1 1 , 4 4 1 ，要 福建农林大学硕士学位论文 完成信息的存储、加工、决策、反馈和一系列的生理、心理和肌肉活动1 2 6 】，对转向盘 进行操纵修正，从而对汽车的行驶进行控制，因此，按试验要求熟练掌控汽车的能力 对从事汽车操纵稳定性试验的工程技术人员是至关重要的，应加以强化训练。 1 3 本课题的主要研究内容和意义 基于上述状况，如能建立一个基于二自由度模型汽车的操纵稳定性试验仿真台 ( 以下简称为“仿真台”) ，使用者可在其上进行模拟汽车操纵稳定性的各项试验练习， 而这种训练性试验不受道路条件、气候、交通情况、危险性等因素的影响，能够随时、 经常地进行。该仿真台用来训练操作人员操作汽车、使用仪器、对数据进行处理分析， 将很有意义。 1 3 1 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 制作一个可供安装“测力方向盘”和陀螺仪的机械装置。当转动方向盘时， 安装陀螺仪的平台能产生相应的转动，模拟汽车在转向盘转角输入下的车身的晃动。 设计相应的可调的阻尼、弹簧等元件，调整这些元件的参数，这些元件参数将对二自 由度模型的系统特性产生影响。由此产生不同的横摆角速率输出，供汽车试验仪器采 集、处理。 ( 2 ) 研究理论上二自由度模型的稳态响应和瞬态响应。由于机械系统无法实现 高速的弧线运动，用固定圆盘的转动模仿车身晃动。在静态和低频下，仿真台产生的 模摆角速度信号和真实汽车产生的信号有较大差异，必须在电路上考虑补偿方案，使 仿真台与真实汽车在电特性上基本一致。 ( 3 ) 编制一个操纵稳定性角脉冲输入响应试验的数据处理程序。该程序便于教 学，可对车载仪器记录下的试验数据进行运算、处理。本文还提供了标准的三角脉冲 输入数据及一个理论上的经典模型在三角脉冲输入下输出的响应数据。可用该程序来 练习处理由仿真台输出、由试验仪器采集的数据，也可对标准模型构造的输入输出 数据进行处理，并将处理结果进行对照、比较，验证其正确性。 1 3 2 本课题的意义及创新点 本仿真台的研制将解决汽车操纵稳定性试验的操作技术培训的一个难题，使重 塑堡查苎查兰堡主兰竺笙苎一 复、快速的训练成为可能，它不必依赖于场地、气候和车辆的条件，更安全、成本更 低和更便捷。 由于可以方便地调整“仿真汽车”的质量、阻尼、刚度等参数，构成不同性能的 汽车数据以供练习数据处理，有助于加深使用者对参数、性能和评价之间内在联系的 直观的和进一步的理解。对教学工作有益。 经查询，尚未见到用于该目的的同类设计。 福建农林大学硕士学位论文 2 仿真台设计 2 1 仿真台机械部分设计 2 1 1 机械部分基本要求和总体结构方案 二自由度汽车操纵稳定性试验仿真台是由道路试验转变为台架试验的一种试验 装置，对它的基本要求是： ( 1 ) 具有与实际道路试验完全相同的转向盘输入环境； ( 2 ) 具有与实际道路试验近似的物理的输出环境( 圆盘转动的角度和角速度) ： ( 3 ) 具有便于调节的仿真质量、刚度、阻尼器件，能实现不同特性的输出。 为了实现上述要求，仿真台由支撑台架、转向盘、减速机构、主从动盘、可调弹 簧、阻尼器、质量块装置及座椅组成。选用了真实汽车上的转向盘和座椅，在转向盘 角度布置上、座椅与转向盘相对位置的布置上与真实汽车相同，符合人机工程学方面 的要求。转向盘力、角测量仪器应能像在真实汽车上安装一样，安装在仿真台的转向 盘上。 仿真台设置主、从动两个金属圆盘。从动盘是最终输出机构，它的转动仿真运动 中汽车车身绕垂直轴的横摆运动，从动盘位于仿真台的上层，其台面上可供固定安装 角速率传感器( 陀螺) 。主动盘与从动盘同轴，位于从动盘下方，由转向盘的运动经 减速和变换方向后驱动，使输出的角速度、角度与真实汽车车身横摆运动的参数相近。 主动盘与从动盘之间的联接带有可更换和调节的弹簧、阻尼器装置，在从动盘上 可增加或减少质量、弹簧的刚度、阻尼器的相对阻尼系数，这些参数都可以独立地进 行分组调整，借此可以在相同的转向盘角脉冲输入下产生不同特性的角速率输出，以 仿真汽车的横摆运动，供测量仪器采集、分析。 2 1 2 具体方案和参数的选择 国家标准规定的横摆角速度满量程为5 0 。s 1 2 ”，经测量，一般操作者快速转动 转向盘的角速率是每0 2 秒转动方向盘1 2 0 。，则每秒转动方向盘为6 0 0 。，表示成6 0 0 o s 。根据本课题所要实现的研究目标，即当方向盘转角脉冲输入时，最大的陀螺角 速率输出不应超量程。由此可得，方向盘每秒输入的角度与陀螺仪输出的横摆角速率 福建农林大学硕士学位论文 之比为1 2 ：l ，即传动比f 为1 2 。因此要采用减速传动机构，且考虑到结构要紧凑， 故选为两级减速。 2 1 2 1 传动比的分配 在总传动比已知的情况下，所分配的各级传动比应能使传动机构结构尺寸较小， 重量较轻，避免干涉碰撞。为此，各级传动机构的传动比应尽量在推荐范围内选取。 在本课题中，总传动比为 i - i l f 2 其中，i ，、i ：分别为传动机构的一级传动比、二级传动比。根据机械设计手册，设 i 1 - - - - - 4 ，i 2 = 3 。 2 1 2 2 减速方案比较 为了减少操作时的体力和脑力消耗，便于驾驶员较好地操作方向盘。在本课题的 仿真台中，将方向盘的盘面与水平面固定成约7 0 。倾角，符合操作舒适的标准( 如图 2 - 1 所示) 。 图2 1方向盘角度布置示意图 传动机构是该仿真台的重要组成部分，整个仿真台的工作性能很大程度上取决于 传动机构的性能、质量及设计布局的合理性，因此，合理地设计传动机构是设计该仿 真台的重要组成部分。合理拟定传动方案具有重要意义。对传动方案的要求最主要是 能实现工作部分的工作要求，另外还要求结构简单、尺寸紧凑、工作可靠、成本低、 使用维护方便等，本人针对各种可能方案结合各种传动形式的主要性能和特点，分析 比较、合理选择。 6 福建农林大学硕士学位论文 为了便于选择，将各种传动方案的特点列举如下( 如图2 - 2 所示) b ) 图2 - 2 各种传动机构 a 方案采用两级带传动减速，使用维护方便，但要使方向盘的盘面成7 0 。倾角， 要通过用两根轴加两对十字轴式万向联轴器( 其允许两轴间的夹角可达3 5 0 4 5 0 ) 与方向盘的转向轴连接，结构较复杂且尺寸较大；b 方案采用两级齿轮( 一级锥齿轮 传动和二级圆柱齿轮传动) 传动减速，结构紧凑，适用于繁重及恶劣条件下长期工作， 但传动时有间隙且加工复杂：c 方案采用一级锥齿轮和二级带传动，同样也存在着传 动有间隙这一情况；d 方案采用一级摩擦轮传动和二级带传动，结构简单，传动平稳， 加工方便，由于运动速度不高，连接工作时间很短，使用橡胶轮摩擦传动，可以满足 使用寿命的要求。可见，这四种方案虽然都能满足该仿真台机械传动机构的功能要求， 但综合考虑结构性能、工艺性和经济性，本课题采用了d 方案。 福建农林大学硕士学位论文 2 1 3 仿真台的总体结构 对所设计的进行模拟实车实验的仿真装置如图2 - 3 所示( 图中仅画出主要机械结 构，电路均未画出) ，主要由方向盘、转向轴、支撑板、圆筒、轴a 、小摩擦轮、小 带轮、轴b 、大带轮、轴c 、主动盘、从动盘、小套筒、轴承、大圆锥轮、平板a 、 平板b 等组成。 图2 - 3 实验装置总体结构示意图 1 一方向盘；2 一转向轴；3 一支撑板；4 一圆筒：5 一轴a ：6 - - 小摩擦轮；7 一小带轮：8 一轴b 9 一人带轮 1 0 - - 轴c ：1 1 一主动盘 1 2 - - 从动盘；1 3 - - 小套简；1 4 轴承；1 5 一太圆锥轮：1 6 - - 、f 板a ；1 7 一、r 板b 福建农林大学硕士学位论文 图2 - 4 仿真台 2 1 4 仿真台各部件的设计 2 1 4 1 主体支撑台架 主体支撑台架起支撑测试部件和将方向盘在其上进行固定的作用，由z 5 0 x5 0 x6 刚度大、受力性能好的热轧等边角钢组成，其主要是通过焊接而成。平板a 与平 板b 用螺栓锁紧在台架上。 2 1 4 。2 方向盘固定装置 将圆筒焊在平板b 上，并使得圆筒与水平线成约2 0 。角度，以此来保证方向盘的 盘面与水平线成约7 0 。角度，这便于操作方向盘。方向盘的转向轴与轴a 采用过盈配 合，并用圆柱销进一步固定二者之间的相对位置。在台架前面焊有一支撑板，主要用 来支撑方向盘，确保方向盘转向轴的中心线与轴a 的中心线处于同一直线上在支撑 板上焊- 4 , 平板，板上钻有两个孔，用两个螺栓与方向盘上的固定架锁紧，进一步将 方向盘固定。以此来模拟真实汽车上转动方向盘。 2 1 4 3 传动结构安装 福建农林大学硕士学位论文 在本仿真台的传动结构中，第一级减速采用了摩擦轮传动，为了减少摩擦传动中 存在的打滑现象，要合理控制橡胶摩擦轮与金属轮接触的压力，本装置采用了转向盘 轴支架可移动调整与大圆锥轮接触面距离的方案，调整至合适的压紧力后，将支架的 固定螺栓旋紧固定。第二级减速采用了带传动，在安装带传动时，为使带获得适当的 张紧力，两带轮的中心距应能调整，此外，传动中的带长期受拉力作用，必然要产生 塑性变形，出现松弛现象，使张紧力减小，出现打滑现象，传动能力下降。为保证带 传动的能力，一般要采用张紧装置。由于采用一般的张紧装置会使得烂个仿真台结构 较复杂，本仿真台采用一些厚度均匀的夹其调整垫片来调整上述所存在的两种情况。 2 1 4 4 弹簧及阻尼器 在轴c 上装有主动、从动两个金属圆盘，下方为主动盘，与轴c 固结，上方同轴 套装一个从动盘，可相对于主动盘和轴c 转动，两圆盘之间由弹簧和阻尼器连系着。 其关系如图2 5 所示：主动盘和从动盘两侧各焊两根安装杆，可供安装弹簧和阻尼器 ( - n 安装弹簧，一侧安装阻尼器) ，弹簧和阻尼器的两端，端与主动盘上的杆联 结，一端与从动盘上的杆联结。这样，从动盘就由弹簧与阻尼器并联后受主动盘驱动。 可采用不同刚度的弹簧以获得不同的特性。阻尼器采用折叠式气囊结构( 如图2 - 6 ) ， 在其一个端面上开有5 个不同孔径的漏气孔，通过一个可旋动的圆板遮盖不同的孔来 调节所需的相对阻尼系数。在从动盘的台面上可安装环形质量块，选用i 2 块质量 块的组合可获得所需的质量。横摆角速率传感器( 陀螺) 也安装在从动盘台面上。 厮惑 蹩缈 图2 - 5 弹簧、阻尼器与主从动盘的安装示意圈 l 一弹簧；2 一环形质量块；3 - - 阻尼嚣；4 一从动盘 5 一主动盘 福建农林大学硕士学位论文 图2 - 6 阻尼器的制作示意图 1 一螺栓；2 一小角钢；3 一长螺栓：4 一螺母：5 一折叠式气囊；6 一圆板a ：7 一圃板b 2 2 仿真台电路部分设计 2 2 1 真实汽车在道路试验中的晌应特性 仿真台设计的目的是尽可能好地模拟实际汽车在转向盘输入下的运动的响应特 性，因此，有必要了解试验中真实汽车的运动状况。将传感器和测试仪器安装在试验 车上，这些仪器包括角速率传感器( 陀螺) 、转向参数测试仪、汽车道路试验仪等。 汽车在专用道路上或飞机场上做试验时，实验仪器的电路接线如图2 - 7 所示： 福建农林大学硕士学位论文 图2 - 7 真实汽车道路试验中实骏仪器的电路接线 汽车在直线行驶时，当对转向盘输入一个阶跃信号时，汽车的横摆角速率响应发 生了变化，理论上二自由度汽车的横摆角速率输出是振荡后慢慢衰减，最终趋于一个 稳态值，如图2 - 8 。 图2 - 8 实际汽车在转向盘角阶跃输入下的响应 2 2 2 本仿真台原始特性与修正 若不加任何补偿修正，在本仿真台从动盘台面上陀螺仪输出的横摆角速率响应信 号却是经过一段时间后衰减为零，其信号输出曲线如图2 - 9 右图，与真实汽车的响应 曲线相差了一个稳态直流分量。因此，为了使得本仿真台测得的横摆角速率输出电信 - 1 2 福建农林大学硕十学位论文 号与实际较相接近，需要在陀螺仪与汽车道路试验仪接线之间再“垫高”一个与转向 盘转角成正比的直流电压束修正，即需进行信号电平补偿，补偿的示意如图2 一1 0 所 示。 。 y ( f ) o 横摆角速率 y ( t ) d 图2 - 9 未补偿的仿真台在转向盘角阶跃输入下的响应 2 2 3 补偿方案设计 图2 1 0 电信号补偿示意图 为了使仿真台模拟出来的横摆角速率电信号更接近实际，在原来的电路中即在陀 螺仪的信号输出线与汽车道路试验仪之间串接上一个电源和电位器。通过电刷在电阻 体上的滑动，取得一个与转向盘从动盘成线性关系的输出电压，串加在原陀螺输出 电压上，使得陀螺信号输出“垫高了”一个电压。 对仿真台的测量电路进行修正后的电路接线如图2 - 1l 所示： 福建农林大学硕士学位论文 图2 - 11补偿后仿真台实验仪器的电路接线 理论上和实验都证明这种补偿方案是可行的。它使得仿真台输出的陀螺信号在初 始段、过渡段和稳态段都与二自由度汽车的道路试验实测信号有很好的吻合。 福建农林大学硕士学位论文 3 仿真台试验数据处理软件设计 本课题的重要组成部分之一是汽车操纵稳定性转角脉冲输入响应试验的数据分 析处理程序。转角脉冲响应试验数据的处理是汽车操纵稳定性试验中最常用、最重要 的技术手段。m a t l a b 作为一种面向科学和工程计算的高级计算机语言，直观、便于 阅读，且提供了强大的图形绘制功能【2 9 32 1 ，已成为国际科技界公认的最优秀的软件 工具【3 3 】；d e l p h i 充分体现了可视化、面向程序对象和强大的数据库访问功能的特色 3 4 , 3 5 ，非常适合于教学使用。作者用m a t l a b 、d e l p h i 语言编写了这个数据处理的教 学程序，不但可用于处理本仿真台上测量获得的试验数据，供使用者学习、练习用， 也可以用于在真实道路试验中测量获得的试验数据的处理。 下文对二自由度模型及数据处理，作一简介： 3 1 二自由度汽车操纵稳定性模型 3 1 1 模型简化 系统模型的建立是系统仿真的一个重要环节，本章结合汽车动力学仿真理论和建 立本项研究的系统模型来研究转角脉冲输入对汽车操纵稳定性的影响。 汽车是由若干部件组成的一个物理系统。它具有惯性、弹性、阻尼等许多动力学 的特点，所以它是一个多自由度动力学系统1 3 6 1 。而且，构成汽车动力学系统的元件， 如轮胎、悬架、转向系等，具有非线性特性，描述汽车的微分方程应是非线性微分方 程，即汽车为一非线性系统。 为了便于掌握操纵稳定性的基本特性，在本论文中，我们将对一简化为线性二自 由度的汽车模型进行研究。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入； 忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即汽车沿z 轴的位移， 绕y 轴的俯仰角与绕x 轴的侧倾角均为零。另外，汽车沿z 轴的前进速度”视为不变。 因此，汽车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴的横摆运动这样两个自由度。此外，汽车 的侧向加速度限定在0 4 p 以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。在建立运动微分方程 时还假设：驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的 作用，忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩 的作用。这样，实际汽车便简化成一个两轮摩托车模型，见图3 1 。它是一个由前后 1s 福建农林大学硕士学位论文 两个有侧向弹性的轮胎支承地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型【1 9 】。这里 虽然只考虑两个自由度，但汽车横摆运动、侧向运动的主要特征在此简化模型中都能 得到较好地体现，因而，该模型对于理论分析具有较大的实用意义。 图3 - i = 自由度汽车横型 图中：a 为质心至前轴的距离；b 为质心至后轴的距离；上为轴距：m 为汽车质量； c 为质心点；k 。、k ：为前、后中心轮的侧偏刚度；e 、一：为地面对前、后轮 的侧向反作用力，即侧偏力；占为前轮转角；矾、u ，为汽车前、后轴中点的速度： 、o r ：为侧偏角；为质心的侧偏角：善为与x 轴的夹角；，为横摆角速度； “为汽车沿x 轴的前进速度；v 为质心速度：0 为质心侧向速度。 3 t 2 二自由度操纵稳定性模型的运动微分方程 分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。 显然，汽车的质量分布参数，如转动惯量等，对固结于汽车的这一动坐标系而言 为常数，这正是采用车辆坐标系的方便之处。因此，只要将汽车的( 绝对) 加速度 与( 绝对) 角加速度及外力与外力矩沿车辆坐标系的轴线分解，就可以列出沿这些坐 标轴的运动微分方程。 福建农林大学硕士学位论文 下面依次确定：汽车质心的( 绝对) 加速度在车辆坐标系上的分量，二自由度汽 车受到的外力与绕质心的外力矩，外力、外力矩与汽车运动参数的关系。最后，列出 二自由度汽车的运动微分方程式。 首先确定汽车质心的( 绝对) 加速度在车辆坐标系上的分量。 o 圈3 - 2 利用固结于汽车的车辆坐标系分析汽车的运动 参看图3 2 ，0 吁与 为车辆坐标系的纵轴与横轴。质心速度v 于，时刻在0 譬轴 上的分量为“，在回轴上的分量为d 。由于汽车转向行驶时伴有平移和转动，在 f + r 时刻，车辆坐标系中质心速度的大小与方向均发生变化，而车辆坐标系的纵 轴与横轴的方向亦发生变化。所以，沿孤轴速度分量的变化为 ( ”+ a u ) c o s 口一“一( u + a v ) s i n 口= “c o s a o + a u c o s 口一拼一v s i n 臼一a vs i n 口 考虑到口很小并忽略二阶微量，上式变为 “一o , 5 口 除以，并取极限，便是汽车质心绝对加速度在车辆坐标系m 轴上的分量 a ：坐一u 堂：矗一呦。(31)x 2 百一u i 2 “一呦， 3 1 同理，汽车质心绝对加速度沿横轴6 少上的分量为 a 。= ) + “国， ( 3 2 ) 由图3 - 1 可知，二自由度汽车受到的外力沿y 轴方向的合力与绕质心的力矩和为 福建农林大学硕士学位论文 三耻4 1 。s s + f n l ( 3 3 ) m z = 峨ic o s 8 一峨2 ”“ 考虑到占角较小，耳。、毋：为侧偏力，式( 3 3 ) 可写作 萎毋= 确+ k 2 a 2(3-4) m 2 = a k 隅- b k 2 口2 汽车前、后轮侧偏角与其运动参数有关。如图3 - 1 所示，汽车质心的侧偏角为口， = v u 。f 是m 与z 轴的夹角，其值为 f ：旦- ! 竺：口+ ! 生 根据坐标系的规定，前、后轮侧偏角为 c t ，= 一( j 一毋= + 堡一万 “ 口：竺塑：卢一鱼生 u甜 由此，可列出外力、外力矩与汽车运动参数的关系式为 e = 点( f l + a “o ) r 一占) + w b 甜e a , ) m ：= 口毛( 声+ 等嘲埘：( p 一了b o ) r ) 所以，二自由度汽车的运动微分方程式为 毛( f l + 丝一占) + ：( 卢一堕) ：肌( d + t 。a g r ) 嘶( f l + 等可姒卢一等h 砖“ “ ( 3 - 5 ) 式中，：为汽车绕z 轴的转动惯量；曲，为汽车横摆角加速度。 整理后得二自由度汽车运动微分方程式为 1 ( l + k 2 ) 卢+ 二( a k i 一6 2 ) ，一1 6 = m ( 6q - “，) 、 “ ( 3 - 6 ) ( a k f b k 2 ) + l ( a 2 k i + 6 2 七2 ) c a ，一盘l 占= i z d ) ， 这个联立方程式包含了最重要的汽车质量与轮胎侧偏刚度两方面的参数，所以能 够反映汽车曲线运动最基本的特征。 福建农林大学硕士学位论文 3 2 国家标准对汽车操纵稳定性试验的要求 3 2 1 试验评价方法 由于汽车使用条件十分复杂，国内外所出现的研究手段、试验与评价方法没有统 一的标准 3 7 , 3 8 1 。结合我国的具体情况，参照国外标准d 们，我国先后制定了2 项国家标 准：g b6 3 6 2 1 6 3 6 2 6 - 8 6 汽车操纵稳定性试验方法和g b t1 3 0 4 7 - 9 1 汽车操 纵稳定性指标限值与评价方法。这些国家标准包括了6 项试验，目的在于从各个不 同角度反映汽车在运行过程中的稳态响应和瞬态响应，便于综合评价汽车的操纵稳定 性。这6 项试验内容包括【4 0 - 4 2 1 ：蛇行试验：方向盘转角阶跃输入转向瞬态响应 试验；方向盘转角脉冲输入转向瞬态响应试验；转向回正性能试验；转向轻便 性试验；稳态回转试验。 下面具体阐述下这些具有代表性的、常见的操纵稳定性试验评价方法： ( 1 ) “蛇行”穿杆试验 本项试验是考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能【4 2 1 。汽车反复穿过按一 定形式摆设的标杆，越快地穿过全程就说明汽车的蛇行穿秆能力越好f 4 甜。通常用穿越 全程的时间作为评价指标。以不碰杆和不翻车作为能力的限制。 ( 2 ) 转向轻便性试验 本项试验是测定汽车在低速大转角时的转向轻便性。通常采用“8 ”字形行驶实 验，这种实验是使汽车沿固定的“8 ”字形跑道做等速行驶，测定转向盘力、转向盘 角、横摆角速度及向心加速度等1 4 3 j 。 ( 3 ) 角阶跃试验 本试验方法是，当汽车咀恒定的车速直线行驶时，突然将转向盘转过一定角度， 使汽车进入转弯运动状态，同时记录汽车的运动状态横摆角速度( 绕垂直轴的摆 动角速度) 、方位角( 汽车纵轴的方向) 、车身侧倾角、侧向加速度等运动参数的变化 过程f 4 3 j 。通常最主要的评价依据是横摆角速度的反应。作为评价的指标有：响应时 间：横摆角速度超调量；峰值响应时间；总方差；汽车因素。 ( 4 ) 角脉冲试验 它与角阶跃式试验类似，不过，转向盘的角输入波形不是“阶跃”形的，而是“脉 福建农林大学硕士学位论文 冲”形的。这种试验通常用来做频率特性分析。 ( 5 ) 转向回正性试验 本项试验是汽车方向盘力输入的一个基本试验，用以表征及评价汽车从曲线行驶 自行回复到直线行驶的过渡过程和能力l 埘。按美国e s v 规定，汽车作等速圆周行驶， 稳定后突然撒开转向盘，测定横摆角速度与方位角的变化过程。 ( 6 ) 稳态回转试验 本项试验一般采用固定方向盘转角、连续加速的方法进行试验。其主要目的是测 定汽车的转向特性及车身侧倾特性，并由此确定汽车的稳态转向特性( 不足转向或过 多转向) 。汽车的稳态转向特性在汽车的方向控制中有重要意义，具有不足转向特性 的汽车，运动是稳定的。具有过多转向特性的汽车是难以驾驶的，而且达到临界车速 之后，汽车就会失去控$ 1 j 1 4 2 , 4 4 1 。 3 2 2 转向盘转角脉冲输入试验 3 2 2 1 应用的标准 本仿真台仿真分析的进行步骤及数据处理参照中华人民共和国国家标准( g b 6 3 6 2 1 6 3 6 2 6 - 8 6 ) 1 2 7 ) ，此标准适用于轿车、客车、货车及越野车。 在汽车操纵稳定性中，转向盘转角脉冲输入瞬态响应试验是最能反映高速汽车瞬 态响应品质的试验方法，且其安全性较之转向盘转角阶跃输入要高得多，所以成为汽 车操纵稳定性试验必做的首选项目。该试验通常用频率特性来表征，包括幅频特性和 相频特性。在本仿真台上可以方便地进行该项试验，芳开展仿真结果的数据分析。 3 2 2 2 测量变量及范围 仿真分析所需测量变量及范围，见表3 1 。 福建农林大学硕士学位论文 3 2 2 3 试验方法 像真实道路试验一样，将转向盘力、角测量仪及道路试验仪安装于仿真台上，刚 开始试验时，使其横摆角速度为零，作一标记，记录下转向盘在中间位置的“零线” 数据文件。然后给转向盘一个三角脉冲转角输入( 见图3 3 ) 。试验可向左( 或向右) 转动方向盘，并迅速转回原处保持不动，记录全部过程。方向盘转角输入脉宽为o 3 0 5 s 。 o ( ) 方 向 盘 转 角 o 3 o 5 图3 - 3 转向盘转角脉冲输入示意图 ，( s ) 福建农林大学硕士学位论文 0 ( f ) ，( f ) 一( f ) y ( f ) 图3 4 真实汽车道路试验的输入输出记录示意图图3 - 5 仿真台试验的输入输出记录示意图 图3 4 、图3 - 5 是真实汽车道路试验的输入输出记录和仿真台试验的输入输出 记录，图中输入为转向盘转角e ( t ) ，输出为汽车横摆角速率y ( ，) 。 3 。3 数据处理程序编制 3 3 1 数据处理的基本算法 通常以汽车转向盘转角横摆角速度间频率特性来表征汽车的动特性。因此频率 特性的测量成为一个重要的试验。这个试验要确定给转向盘正弦角位移输入时，输出 ( 汽车横摆角速度) 与输入的振幅比与相位差。通过直接给转向盘正弦角位移输入来 测量汽车的频率特性是很困难的，因为一方面准确的正弦输入难以做到，而且要在几 个固定车速下给转向盘以不同频率的正弦输入也是很费时的。所以，经常是用转向盘 位移脉冲试验来确定汽车的频率特性。进行这种试验时，给汽车一转向盘角位移脉冲 输入，记录下输入的角脉冲与输出的汽车横摆角速度，通过求得输入、输出的傅氏变 换，便可确定频率特性。下面给出数据处理公式的推导。 设方向盘转角脉冲输入信号为臼( f ) ，汽车横摆角速度输出信号为，( ，) 其傅里叶 变换为： 福建农林大学硕士学位论文 x ( j c o ) = r 口( ，) p “d t ( 3 7 ) r ( j c o ) = e ，( f ) e 一脚出 ( 3 8 ) 系统频率特性为输出与输入的傅里叶变换之比，即为： g ( 弦) ：墨盟：i e o 一( t ) e - j “d t ( 3 9 ) x ( j c a ) r 7 ( f ) e 叫d t 。 为了求出所给定函数o ( t ) 、y ( r ) 的傅里叶变换x ( ，) 、y ( j c a ) ，应用欧拉公式： p 7 “= c o s o t j s i n c o t ( 3 - 1 0 ) 可得： x ( j c o ) = e o ( t ) e - m d t = f 臼( f ) c o s c a t d t - j r o ( t ) s i n w t d t ( 3 1 1 ) y ( j a o = r 。，( ，) e - ，“d t = r ，( f ) c 。s a ) t d t 一_ ，胁) s i n c o t d t ( 3 - 1 2 ) 式中：r 为脉冲宽度；t 为输出过渡过程时间。 由于试验时做记录的时间历程口o ) 、输出r ( t ) 并没有相应的表达式( 图3 - 6 ) 、( 图 3 7 ) ，因此用辛普森公式【4 5 】计算定积分( 3 - 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 式，得： d 图3 - 6 转向盘转角输入 福建农林大学硕士学位论文 脚) c o s 七砌2 i h 【4 喜q 哑) r o a r + 2 善n - i 细s 枞】 ( 3 _ 1 3 ) s i n 七砌。i h 【4 骞。讯础+ 2 薹吼s i n k c o a t 1 4 ) 式中：，：三步长： 竹 n 为积分区间等分数目( 应为偶数) 甜为计算时给定的基本频率。 d 图3 - 7 横撄角速率输出 f 巾) c 。s n 础= 等【4 喜一一；c 。s ( t 一- ) 以r + z 善n - i 以c 。s 尼础门( 3 - 1 5 ) 胁s i n 女砌= i h 【4 荟nw 蛾础。+ 2 荟n - i 栅七础j ( 3 - 1 6 ) 式中：厅为步长，即矗：生； 甜。：三步长； h 为积分区间等分数目( 应为偶数) 。 输出，( ，) 的傅里叶交换与输入口( ，) 的傅里叶变换之比即为系统的频率函数 g ( j k o d ) ，于是： 福建农林大学硕士学位论文 g ( 止c o ) = 1 ) 0 9 a t + 2 以s i nk o ，a t + 】 e l 不r 一 ) 础h2 吼s i nk o ”a t ( 3 1 7 ) 道路试验仪器采集记录的数据已离散化为转向盘转角和横摆角速率两个时间序 列，将该数据按照式( 3 1 7 ) 来进行处理。数据处理过程按照图3 - 8 进行。 3 3 2 处理结果表达 图3 - 8 流程图 方向盘角脉冲输入响应试验是从频域上来对汽车的瞬态特性进行评价的试验。 频率特性是由激振圆频率，圆周行驶参数，固有频率，相对阻尼系数决定的。对 于操纵稳定性良好的车辆，它的要求是： ( 1 ) 在很低的频率范围内，不允许出现侧向加速度振幅下降的现象，另一方面， 旷五 竺蛳 晦瓦 = 璋一 啡忑 蔓4嘻画 福建农林大学硕士学位论文 横摆角速度振幅的峰值也不允许太大。 ( 2 ) 幅频特性和相频特性曲线随着频率增加不允许出现急剧下降现象。 ( 3 ) 幅频特性曲线在低频区接近于一水平线，随着频率的增高，幅值比增加， 至某一频率，时幅值比达到最大值，此时系统处于共振状态。频率再增高，幅值比 逐渐减小。希望幅频特性曲线能平些，共振频率高一点，通频带宽些，以保证不同工 况下失真度较小，都有满意的操纵性能；同时希望相位差小些，以保证汽车有快速灵 活的反应。 在绘制频率特性曲线图中，本人采用了单对数坐标图形表示法，使频率特性的绘 制和应用更加方便，更加直观。也就是图形的纵轴为等分坐标、横轴为对数坐标【4 6 1 。 形成图形的同时，也可以读出对应于图形曲线上任意点的横坐标与纵坐标值。这 样就可以进行上述( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 条要求的对照分析。 为了教学方便，本系统利用外挂的a c c e s s 数据库功能和d e l p h i 的外部数据通讯 功能，运行主程序时，屏幕上将出现一个功能选择界面( 如图3 - 9 ) 。 图3 - 9 功能选择界面 福建农林大学硕士学位论文 打开“文件”，从“文件”窗口里选择数据文件，数据导入后，即可实现对试验 数据的浏览、修改、添加、删除等功能。点击“计算”，屏幕的右下方可浏览计算后 的频率及相对应的幅值、相角，这可便于查询稳态增益、菸振峰频率、厂= o 1 胁时 的相位滞后角、= 0 ，6 h z 时的相位滞后角、共振时的增幅比这五个评定汽车操纵稳 定性的参数。接着，点击“绘图”，便可得到一个带有过激和回弹的减幅波形的二自 由度线性系统的响应，它的幅频和相频特性曲线如图3 1 0 。 圈3 - 1 0 = 自由度线性系统的频率特性监线 在“操作”里按下参数设置按钮，将出现计算参数设置( 图3 - 1 1 ) 、相角设置( 图 3 - 1 2 ) 、幅值设置( 图3 - 1 3 ) 三个项目。设置完后，点击“o k ”键退出。p c 机将保存 这些设置，并在运算中使用。 福建农林大学硕士学位论文 图3 - 1 1 计算参数设置 与之对应的部分程序段如下： v a r p ：t r e s u l t d a t a ： n ：i n t e g e r ： k ：i n t e g e r ： a ，b ，c ，d ：d o u b l e 圈3 - 1 3 幅值设置 一2 8 图3 - 1 2 相角设置 福建农林大学硕士学位论文 a 1 ，a 2 ：d o u b l e ： b 1 ，b 2 ：d o u b l e ： c i ，c 2 ：d o u b l e ： d l ，d 2 ：d o u b l e ： v i n p o r t d a t a ：t i n p o r t d a t a t m p ：t l n p o r t d a t a ； w ：d o u b l e ： c o n s t r ：= p r o v i d e r = m i c r o s o f t j e t o l e d b 4 o ：+ d a t as o u r c e ：+ f i l e n a m e + ：+ p e r sis ts e c u r it yi n f