（车辆工程专业论文）侧风环境下高速汽车稳定性研究与分析.pdf

摘要 随着汽车车速的不断提高，汽车侧风稳定性的研究日益重要。由于实车试验 风险大、场地设备要求高，而使用计算机仿真则可以极大的的缩短产品开发周期。 因而进行高速汽车侧风稳定性计算机仿真研究具有现实意义。 在车辆动力学研究过程中，汽车数学模型的精确与否始终是一个关键问题。 随着计算机技术的长足进步，以及多体系统动力学这一学科的成熟，汽车模型的 自由度越来越多，仿真结果越来越精确。 本文首先整理了汽车操纵稳定性的各项评价指标，根据汽车高速运动时的受 力分析，使用非线性轮胎模型，建立了侧风环境下汽车运动十八自由度数学模型 并进行了直线行驶运动仿真。使用多刚体动力学软件a 咖s c a r ，建立了包括悬 架、转向系统、动力系统等在内的多自由度整车模型，进行了高速汽车在侧风作 用时转向运动仿真，并分别模拟了汽车在阶跃风、随机风等四种瞬态侧风输入时 的运动状况并进行了结果分析。 由于汽车的侧风响应特性要通过驾驶员对汽车的实际操纵才可以体现出来 汽车闭环控制性能更能全面合理的反映汽车的性能，本文根据预瞄跟随理论， 使用经典控制理论中的p d 驾驶员模型和汽车运动二自由度模型，进行了侧风作 用下人车路闭环系统控制仿真。从定性分析上来看，各仿真结果基本是正确的。 关键词：高速汽车评价指标侧风十八自由度多刚体闭环系统 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fv e h i c l es p e e d ，t l l ee 矗to ft h ea e r o d y m m i c so nt l l e v e h i c l eh a i l d l i n g 趾ds t a b i l i t yb e c o m e sm o r ea 1 1 df n o r ei i 啪r t 锄t t h ee x p 甜脒鹏 c o s tai o to fm o n e ya 1 1 dt i m e t h ed e v e l o p m gp r o c c s sa n d e 雄圮r i n l t t 主l e so fan e w a u t o m o b i l ec o u l db er e d u c e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s om e s e a r c ho f 血e h i 曲s p c e dv e i l i c l e s i d e w i n d s 劬i i i t yw 汕c o m p u t e rs i m l l l a t i o ni ss i 朗i a n t i y h e l p 如1 t bs t u d yt h e 由m a l l l i c so fv e h j c l e ，l ek e yp o i mi st ob u i l daa c c l l r a t em o d e l w i t | lt h eg r e a ti m p r o v e m e n to ft l l e c o m p u t c rt e c l l l l i q u ea i l dt l l em a t u r a t i o no fm e m u m b o d yd y n a m i c s ，n l em u m - d o fo f 吐呛a u t o m o b i km o d e lw 邪p 陀n t e d 趾l dm c s i m u l a t b nr e s u l t sw e r em o r ca c c u r a t e i nt h i sp a p e r ，v a r i o u se 砌u a t i o ni t l d e xf o rl l a n d l i n ga i l ds t i b i l 时o fv e h i c l ew e r e i m r o d u c e d ，a18d o fv e h i c l em o d e li nm ec m s s 一诵n d ，、v h i c hb a s e do nt 1 1 el l i 曲一s p e e d a e r o d y n 锄i c sc h a r a c 惦r sa n dn o n l i i l e 8 rt i r em o d e l ，w 私b l l i kt l l ep e r f 缸l a n c eo f h i 曲s p e e dv e h i c l em 埘n gi ns 乜_ a i 曲tl i n ei n 恤ec r o s s 诵n dh a v e b e e ns i m u l a t e dw i t l l ；o m er c s u i t sa i l daf e wa n a l y s e so ft h c mh a v eb e c ng i v e n u s i n g 血ea d a m s ，a v e h i c l ed ”a r n i cm o d e lo fm u h i r i g i db o d i e si n c l u d 啦s u s p e n s i o ns y s t e m ，s t e e r i n g s y s t 锄锄dp o w e rs y s t e mn i a sb l l i l t t h ep e 瓶) m 瑚c eo fh i g h - i p e e dv e h i c l e 砌c h 佃1 1 i n gd u r i n gt h ec r o s s w m d 讹c h 协d u d i n g4k i n d so f l s t e a d yw m dl i 够b e e n s h i l l a t 酣晰t l ls o m es i m u l 撕o nr c s l l l t s 锄daf e w a n a l y s i sh a v eb e e ng i v 曲 f 0 rt i l ep e r f b 珊锄c eo f c i o s c d i 0 h 0 ps y s t e mc 锄r e p r 龋e t 地ev e h i c l ec l l a r a c t e r s v e r yw e l l ，a 嘶v e 卜v e | l i c l e l - o a dc l o s e d - l o o pm o d e lb a s e do nt l l ep r e v i e w f o l l o w e r m e t h o d 诵mp i dd r i v e rm o d e l 锄d2d o fv e 帖c l em o d e lh 船b nc r e a t e da n ds o m e s i i n u l a t i o n sh a v e b e e nd o 出1 1 1 ea b o v es i i n l l l a t i o nr e s u l t sw e r ei na g r e 锄e n t 、i t hm e r e f j r e c c k e y w o r d s ：l l i g h s p dv e h i c l ee v a l u a d o n 抽d t i xc r o s s 、i n d1 8d o f m m m g i db o d y c l o s e d l o o ps y s t e m i i 第一章绪论 1 1 课题研究意义及来源 若干年以前，有一些著名的竞赛汽车驾驶员在比赛时由于原因不明的事故而 丧生，震惊了汽车竞赛界，事故发生在著名的竞赛跑道上。官方的报告指出：“车 辆的设计和机械工况均是无可指责的”。最后研究结果表明了事故发生的原因是， 当车辆从横风扫经的道路突然进入防护林所遮蔽的区域时，由于横风作用力的突 然消失，外界作用的气动力系发生突变，作用在汽车上的气动力系变得不平衡， 因而转向轮的转角变得不正确。在驾驶员在高速情况下作出正确反应之前，汽车 车轮已经陷入道路的软路肩内，在这种情况下导致了汽车的失控。这一事件使人 们开始认识到空气动力学问题的重要意义【l 】。 随着我国高等级公路的发展、汽车功率的加大，目前不仅轿车，连货车以 1 0 0 k n l h 车速行驶的情况也是很常见的，现代轿车的设计的最高车速有的已超过 2 0 0 k m i l ，运动型轿车甚至达到3 0 0 虹1 1 1 。对于高速行驶的汽车，随时都可能受 到侧风作用，除了在空旷的高速公路上受到的任意方向任意强度的自然侧风外， 大量的交通路线、到处可见的隧道、桥梁和路基等复杂的地域地形都会产生人工 阵风。当会车或超车时侧风的作用更是不可忽视。瞬时的外力变化经常会引起行 驶轨迹的变化，无论这种变化多么小，在某些情况下却有可能引起交通事故。有 关资料表明，高速行驶汽车发生的安全事故中，有相当部分是由于在受到环境侧 向风的作用，驾驶员或难以及时或没有足够的经验而产生不正确的反应致使汽车 行驶稳定性失控所造成的【2 j 【3 】【4 】【5 1 。 国外的新车研制开发中的经验表明，汽车的高速侧风稳定性必须在设计阶段 加以预测和确定，否则将导致新车型的高速性能和瞬态转向特性的不确定性。汽 车的高速行驶稳定性和瞬态转向特性已成为世界各汽车大公司研发新车型的关 键技术之一。目前，我国在汽车空气动力学中有关气动侧力对汽车性能影响的研 究甚少。 汽车侧风稳定性试验需要花费大量的人力物力，而且具有相当的危险性。随 着计算机技术的发展，各种相应软件的开发研制，计算机仿真技术已经成为研究 汽车动力学性能的重要方法和手段之一。通过利用计算机对侧风作用下汽车操纵 稳定性的计算分析，以达到在设计阶段就能模拟汽车在各种工况下的运动情况， 基本预测出所设计车辆是否已满足要求。尽管它不能代替最后真正的试验验证， 但它与常规的试验分析方法相比，不仅具有分析速度快、精度高、周期短等优点， 而且还能解决一般常规方法所不能解决的问题，它为新产品的研制老产品的更 新换代提供快速预估汽车空气动力学性能的手段。 然而，汽车动力学模型的建立非常困难，要想获得满意的计算精度，对汽车 操纵性能的仿真必须通过至少四个或五个以上自由度以及包含各种非线性环节 的复杂模型来模拟。目前，很多研究采用的汽车动力学模型基本上以二自由度模 型或四自由度模型为基础”。它具有模型简单，参数少，便于进行理论分析的 优点。但其把整个汽车看作一个刚体，使用线性轮胎模型。用来分析侧风作用下 汽车的运动，不能完全反映汽车的实际运动。本论文建立了侧风作用下基于非线 性轮胎模型的十八自由度汽车动力学模型，并对其进行了仿真分析，比以往使用 的2 自由度模型得出更多更精确的结果。 此外，汽车的操纵稳定性理论发展至今，汽车系统本身的转向运动的开环分 析以及汽车方向稳定性的设计等研究虽然日臻成熟，但其理论体系还远未达到完 善的程度，汽车操纵稳定性的评价指标问题，至今仍未有合理解决。单纯的汽车 开环运动研究很难对汽车的方向操纵稳定性进行全面的评价和预估，由于汽车的 侧风响应特性要通过驾驶员对汽车的实际操纵才可以体现出来，所以汽车闭环控 制性能更能全面合理的反映汽车的性能。由于驾驶员模型研究的困难，国内外对 汽车闭环运动模型的建立目前还处于起步阶段。由此可见，深入研究侧风作用下 汽车操纵稳定性还具有重大理论意义。 本课题来源于国家自然科学基金项目和国家留学人员归国科研基金项目。 1 2 侧风作用下汽车操纵稳定性的研究 1 2 1 汽车操纵稳定性研究概况 通常认为汽车的操纵稳定性包含相互联系的两个部分，一是操纵性，一是稳定 性操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力，稳定性是指汽车受到 外界扰动( 路面扰动或突然阵风扰动) 后恢复原来运动状态的能力。两者很难断然 分开，稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常只统称为操纵稳定性【引。 汽车技术的发展进程表明，车辆操纵性和转向反应问题最早是在1 9 3 5 年开 始研究的。此后，于1 9 4 6 年确立了车辆操纵性的基本理论。这些研究主要涉及 到转向力学和汽车在动态振动中的特性，后来，大约从1 9 5 0 年起，才对车辆受 外界脉冲作用力的反应进行深入的理论研究和分析。第二次世界大战以后，对动 态稳定性的研究着重于创造出一种数学模拟系统。自1 9 5 6 年s e g e l 成功地建立 了一个线性数学模型仿真计算汽车的转向响应，自此汽车操纵稳定性的仿真研究 在世界各国开展十分广泛。1 9 6 1 年完成了动态稳定性研究的计算机程序的准备 工作，1 9 6 3 年，这项工作在英国又得到了进一步的发展。8 0 年代初，英、美、 瑞典、加拿大等国的大学和研究机构纷纷对农用车、半挂车及大型载货车的操纵 性进行了研究。进入8 0 年代中后期，对汽车操纵稳定性的研究更加深入，不单 建立整车的数学模型，也开始考虑悬架、转向系、汽车轮胎和空气动力学因数的 影响。例如b u c l l l l e i m ，r 等人考察了空气动力参数对汽车动力性能的影响，指出 低的侧倾升力和正的俯仰力矩有利于实现良好的汽车操纵稳定性，同时认为在侧 风条件下空气动力参数对汽车操纵稳定性的影响不及重心位置大【9 】。c h e n ，h f 等人在e l l i s 的线性模型基础上，将悬架系统的作用考虑进去，研究了悬架剐度 对汽车操纵稳定性的影响【l o 】。l i l k a w s b ，s a 等人考虑前后载荷、前后轮胎侧偏 刚度、轮胎侧滑角等影响汽车转向响应特性的参数，对轮胎，汽车系统的稳态转 向特性进行了研究【l “。自1 9 7 2 年以来，我国长春汽车研究所在汽车操纵稳定性 方面开展了系统的研究工作，分别进行了“高速汽车操纵稳定性试验评价方法的 研究”和“汽车操纵稳定性的计算机动态模拟的研究”。这些论文和研究工作主 要都集中在转向响应方面。这些研究无论在理论上和实践上，都是主要考虑转向 机构和惯性力，这个领域内所取得的完善程度为分析气动力对汽车稳定性的影响 铺平了道路i l “。 与此同时，与汽车操纵稳定性密切相关的轮胎侧偏力学也得到了长足的发 展。轮胎受力状况直接影响着汽车运动状态，例如：纵向制动和驱动力、侧偏力、 和侧倾力回正力矩及翻转力矩等，所有这些都是滑转率、侧偏角、侧倾角、垂直 载荷、道路摩擦系数和汽车运动速度的函数。轮胎模型构造一般分两种，一种是 物理模型( 理论模型) ，即通过对轮胎结构和形变机制的数学描述，建立剪切力 和回正力矩与相应参数的关系。1 9 5 4 年f i a l a 通过简化的轮胎理论模型导出了无 量纲的轮胎力特性公式，1 9 6 1 年和1 9 6 8 年日本桥石轮胎厂发表了对f i a l a 表达 式的试验修正表达式，后来，通过对计入胎体弹性的轮胎力学模型进行深入研究， f i a l a 与s a k a i 提出了梁模型，h b p a c e j l ( a 提出了弦模型，g g i m 在b 喇弘a n ( 1 9 6 1 年) 的三维弹簧模型的基础上推导出完整的轮胎力特性公式，相对而言，g i i n 模 型具有计算速度快、工况适应性强、精度较高等优点，是目前为止用于车辆动力 学计算的最优轮胎模型，成为理论轮胎模型的代表。与理论模型相对照的是经验 公式或半经验公式，它是通过大量的轮胎力特性的试验数据进行回归分析，将轮 胎力特性通过含有拟合参数的公式有效地表达出来。1 9 7 0 年，d o g u f r 等人根据 试验数据，建立了表示驱动( 制动) 力、侧偏力、侧滑率、侧偏角和轮胎其它设 计参数间关系的表达式，得到广泛的应用。近几年来，b a k k e r 和p a c e j k a 的“魔 术公式”以及郭孔辉的半经验轮胎模型“幂指数公式”使轮胎的特性表达得更为 精确和简洁1 1 3 】1 1 4 l 。 随着计算机技术的发展和对轮胎特性的深入研究，使得已经有可能对汽车的 动态响应做相当全面而逼真的仿真。简单的二自由度模型已经不能满足需要，人 们提出了自由度越来越多的数学力学模型，如4 自由度模型、8 自由度模型，1 5 自由度模型【l ”等等。同时也提出了各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性，如 u 虢l m a 越，f 考虑驾驶员的反应，研究了空气动力学因素和悬架系统对汽车侧风 特性的影响，提出了在侧风条件下汽车的操纵性可以由风敏因子w s 来综合评价 ”，t a d a ot a n a 壬队等人提出一种用负转向工作载荷作为评价汽车在不平道路 上的操纵稳定性的新方法【1 7 】，我国郭孔辉院士提出的可以更直观、方便的比较汽 车转向特性的测试结果的能相面图方法【旧，等等。然而，一个关键问题是，通常 不同评价指标所得出的结论并不一致，甚至互相抵触。近年来，人们逐渐认识到， 在广泛应用那些精巧的汽车模型时有一个基本的障碍，那就是对驾驶汽车的驾驶 员的特性缺乏基本的认识，因而，人们只能知道开环汽车模型对一定输入的响应 如何，却难以断定整个驾驶员汽车系统的性能如何。 基于这种认识，一些研究者开始进行驾驶员模型和驾驶员汽车闭环系统的 研究。最初由m c r u c r 等人将飞行员飞机闭环控制的研究推广到汽车上，但是 其忽略了驾驶员的前视作用，系统中的大量参数只能由统计试验来确定。1 9 8 1 年r e d d y 和e l l i s 开始提出“最优预瞄闭环控制模型”来仿真驾驶员的行为，几 乎同时，m a c a d a i n ( 1 9 8 0 ，1 9 8 1 ) 提出另一种类似的直接优化方法，其更为严 密和有效。日本学者安部正人根据预瞄模型，提出一个理论上预测操纵性的方法 “州。但是，以上所述的这些驾驶员仿真模型理论及研究均不够严谨，论述不够充 分。建立驾驶员预瞄闭环控制行为模型的依据是：驾驶员发出控制汽车的指令， 都是以一定的原则作为指导的。这个原则的主要目标是使汽车的运动尽可能的与 预期轨道相一致。如果不能保证汽车运动的轨迹与预期的轨道的误差小于安全行 车所允许的数值，那么驾驶员就不是一个合格的驾驶员，越是熟练的驾驶员，驾 驶的误差越小。这就使得所有熟练驾驶员的驾驶过程，都具有相当一致的以最小 误差为原则的特性。以所述原则为依据，1 9 8 2 年，中国工程院院士郭孔辉提出 了“预瞄跟随理论”并成功的将其应用到驾驶员方向控制行为的研究中，是目 前研究闭环控制的最精确的理论之一1 2 。 进入9 0 年代以后，利用开发型驾驶模拟器进行闭环系统主动安全性研究， 提高高速汽车操纵稳定性成为国际上近期主要的发展方向之一。利用开发型驾驶 模拟器可以把难以模型化的的真实人与汽车动力学模型相结合，从而对驾驶员特 性、人车闭环系统特性进行研究，从而可以方便地修改汽车的设计和结构参数， 考核各种参数对汽车操纵稳定性的影响，精确地重复试验条件和不受自然条件的 限制，且可方便地记录大量的输入和输出参数，包括路面难以测量的参数，对试 验者和设备无任何危险，可模拟汽车在高速、临界及极限工况下的行驶等。目前 瑞典国家公路交通研究所、德国戴姆勒奔驰公司都在进行驾驶模拟器的开发工 作进行汽车瞬态响应的操纵稳定性研究。我国吉林工业大学汽车动态模拟国家重 点实验室正在建设的开发型a d s l 驾驶模拟器，按其建设规模和性能设计指标， 现属世界一流水平。已经利用该大学开发的驾驶模拟器进行了汽车操纵稳定性和 驾驶员主观评价等人一车闭环系统特性的试验研究1 2 ”。 为了能从理论上预测汽车的易操纵性，首先要提出一个合理的能代替真实驾 驶员的驾驶员模型。目前己研究出了驾驶员行为的各种驾驶员模型，包括 c r o s s o v e r 模型，线性预估模型，最优控制模型及最优预瞄加速度模型等【2 2 1 。 近十年来，由于计算机技术的飞速发展，以计算机仿真技术为手段，研究汽 车的操纵动力学已成为该领域研究中的主要方向之一。这种仿真技术是数字化 的，因此，仿真结果多数是以数据的形式给出，有时以陆线( 线框) 动画的形式 给出。这种仿真方法，用于汽车操纵动力学的研究，其优点是可以分析研究汽车 操纵动力学的相关参数，预测汽车动态特性等。但是由于这种数字仿真没有视觉 感，因而有较大的局限性。若用试验验证仿真结果，必须用专门的仪器测取对比 参数，花费较大的人力物力。如果研究汽车闭环系统，虽然目前对驾驶员模型建 立比较成熟和实用的有单点预瞄模型和多点预瞄模型，这两种模型都可使汽车具 有良好的跟随性，可用于汽车闭环系统的模拟研究，然而这种模拟仅仅是汽车对 给定线路跟随性的模拟，没有场景，也没有驾驶员的视景，使人感受不到逼真的 效果。另一方面，用数字仿真的方式难以对真实的道路交通情况进行模拟，如超 车、避让等，在一定程度上制约了对汽车闭环系统的研究。 新兴的虚拟现实( v r ) 是现代计算机仿真技术的一个新的研究方向。汽车 操纵稳定性的虚拟试验就是把虚拟现实技术用于汽车操纵稳定性的研究中，交互 地改变车辆参数、道路条件、驾驶机理等试验的条件和参数，模拟真实试验，以 验证理论和假设的正确性。汽车操纵动力学的仿真由于涉及到人、车、环境系统， 使对汽车，驾驶员一道路闭环系统的研究转变成为对汽车驾驶员一环境系统的研 究。随着研究的进一步深入，汽车操纵稳定性虚拟仿真的应用将更为广泛p | i “j 。 1 2 2 侧风作用下汽车稳定性研究概述 汽车空气动力特性对汽车动力性、经济性和操纵稳定性有直接的影响，高速 汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。 汽车侧风稳定性研究是汽车操纵稳定性研究的方向之一。有关汽车稳定性和 直线行驶能力方面的空气动力学研究大约始于1 9 3 0 年。德国的卡姆( k 猢) 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 hh s t 佃i t e f o rv e h i c u l a rs c i e n c ea n de n 西n e s ) ，首次进行汽车稳定性和直线行驶能力的研究 工作。美国在此领域的研究工作是从1 9 5 0 年开始的，主要由福特( f o r d ) 公司 进行，进入6 0 年代，美国康奈尔航空实验室，克莱斯勒公司以及邻近纳尼顿的 汽车工业协会已发表了一些有关气动力对汽车行驶稳定性问题的论文。沙瓦茨基 通过试验证明：加尾翼可以减小横摆力矩，改善汽车操纵稳定性。1 9 7 5 年，英 国在米拉( m 皿) 汽车实验基地进行了气动侧力对汽车行驶稳定性问题的道路 试验。意大利的菲亚特汽车公司在1 9 8 2 年也开始着手进行气动侧力对汽车高速 行驶性能的研究。我国对此问题的研究起步较晚，主要由湖南大学、长春汽研所、 吉林工业大学着手进行。 由于汽车动态稳定性的理论研究和试验研究只有较短的历史。其中关于外界 脉冲气动力部分的历史则更短。由于理论分析的复杂和困难，试验变得必不可少。 模拟脉冲气动力的最早努力是利用汽车的重量作为外力。当汽车侧向倾斜时，侧 向力可以被看作为重力的分量，这种状态可以修筑一段横向斜度有变化的车道来 达到。这种模拟方法并不能满足正确模拟的要求，因为侧向力分力此时是作用在 汽车的重心上而不是风压中心上。美国通用公司的研究试验室也对动态稳定性问 题进行了基本的理论研究和试验工作，研究结果发表于1 9 6 3 年。在他们的研究 中，外界瞬时气动力是用过氧化氢火箭的聚合推力来模拟的。这种模拟方法的优 点在于可以研究风压中心位置的影响，但是它的缺点也很多。 模拟瞬时气动力唯一正确的方法是创造一种能够控制和测量外界阵风的方 法。而实际上在风洞中造成阵风是十分困难的，而要对缩小模型进行必要的仪器 测量又几乎不可能。采用人造阵风模拟器的第一步尝试是1 9 5 0 年在联邦德国的 斯图加特进行的。使用航空喷气发动机，令其喷出的气体横吹过跑道模拟“风速 6 阶跃”，但是此种试验“阵风体积”有限。采用多台喷气发动机可以解决这个问 题。这种模拟侧向风速阶跃的方法是由英国汽车工业研究协会( m i r a ) 提出的。 图1 1 德国奔驰侧风设备图1 2 荷兰车辆研究所侧风设备 这种试验手段成为汽车动态稳定性实用阶段理论研究和试验研究的重要中心。 目前汽车侧风稳定性试验主要包括用侧风发生器进行侧向风稳定性试验和 转向盘修正的测定。试验时用侧风发生器模拟自然阵风，并操纵汽车行驶过侧风 带，与此同时，测量车速、汽车偏离行驶基准线的侧向位移、横摆角速度及侧向 加速度等参数。进行转向盘修正的测定时，使汽车高速通过侧风吹过的跑道，驾 驶员驾驶汽车使其沿基准直线前进，同时用转向盘修正角度测量器测量转向盘修 正的角度，并计算出转向盘的修正频度评价汽车的侧风稳定性。 大多数汽车公司和一些研究所拥有自己的侧风测试装置，如m e r c e d e s b e n z 公司和荷兰陆上车辆研究所均有这些侧风测试设备。但是毫无疑问，汽车侧风稳 定性试验投资巨大，试验费用昂贵，所获试验数据受主客观条件影响较大，对试 验人员而言存在着相当程度的危险性。随着计算机的迅速发展，利用虚拟技术使 侧风作用下汽车操纵稳定性研究在计算机上的实现成为可能。通过汽车空气动力 学和汽车系统动力学的结合，建立虚拟环境，在计算机上模拟试验或实际条件下 侧风作用在汽车上时汽车的行驶工况，为提高汽车侧风稳定性提供理论依据。 进入二十世纪九十年代，世界各大汽车公司如美国三大汽车公司，日本丰田、 意大利菲亚特、瑞典的沃尔沃都已开始用计算机来模拟该类试验，并投入大量人 力和财力对汽车高速行驶侧风稳定性及安全性进行预测，同时引入虚拟现实技 术。目前德国所有的汽车制造企业都建成了自己的虚拟现实开发中心，原英国的 劳斯莱斯、法国雷诺、日本丰田以及意大利菲亚特、瑞典等汽车厂，正在积极开 展有关工作，以期解决所述问题，但仍处于起步阶段【2 5 】【2 6 】。 1 3 多体系统动力学及虚拟样机技术概述 t 3 1 多体系统动力学 多体系统动力学是近2 0 年发展起来的力学新分支，是研究多体系统运动规 律的学科。多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。随着高 科技的需要及计算机的发展，6 0 年代初，宇航及机械领域的学者首先开始了多 体动力学研究，中国学者的工作始于8 0 年代。多体动力学的任务就是对一个包 含刚体、柔体甚至充液体并由铰相连的多体系统，建立高度程式化的面向计算机 编程的动力学方程及其相应程序，为用户提供动力学、运动学分析与综合、优化 和设计工作的良好软件。1 9 8 5 年国际理论与应用力学大会( i u t a m ) 和国际机械与 机构协会( i f i d m m ) 联合主持的国际多体动力学研讨会标志着多刚体系统动力 学已趋成熟，近十多年来，多体动力学迅速发展，国内外学术活动十分活跃，并 带动了多体理论、计算方法、系统模拟、图解表示、工程应用等许多子领域的研 究，因此多体动力学的发展极可能是当今应用力学发展最快的领域【”】。 1 3 2 虚拟样机技术 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上2 0 世 纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术。其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维c d 建模技 术、有限元分析技术、机电液压控制技术、最优化技术等相关技术。 运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产 品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系 统级性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到了欧 美日等工业发达国家、有关科研机构和大学、世界著名大公司的极大重视，许多 著名制造商立即将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效 益。有关科研机构和大学也纷纷开展关于虚拟样机技术的应用研究和教学。我国 制造与自动化领域“十五”计划及2 0 15 年远景规划也十分重视虚拟现实技 术的应用，将其列为今后攻关和推广的重点方向和关键技术之一。可见，传统的 实物试验研究方法，将在很大程度上会被计算机仿真技术取代。 目前，国际上已经出现虚拟样机技术的商业软件，其中最优秀的是美国h d i 公司( m e c h a n i c a id y n 枷i c si n c ) 开发的以多刚体运动学理论为基础的a d 棚s 软件。 d 删s 软件已经被全世界各行各业的成百上千家主要制造商采用，国外的 一些著名的大学也已经开设介绍 d 棚s 软件的课程【2 引。 1 3 3a d a m s c a r 软件模块概述 在车辆动力学研究的历史长廊中，汽车数学模型的精确与否始终是一个关键 问题。汽车本身是一个由各种力学铰链和弹性元件构成的复杂的多体系统，加上 实际工况的复杂性，这给车辆动力学的研究提出了许多挑战。最初由于计算机硬 件与软件方面的限制，人们不得不对汽车进行简化，采用经典力学方法，手工推 导其动力学方程，手工编制程序，从最初的两自由度到十几自由度。这种经典方 法对车辆动力学的研究起了非常重要的作用，特别是在车辆动力学的理论研究方 面起了奠基作用。但这种方法均是不同程度对汽车进行某种简化下得出的，这使 汽车的许多特性无法精确得到，如在汽车的某种工况下所有铰链的受力情况。随 着计算机技术的长足进步，特别八十年代以来这种情况得到了改变，多体系统动 力学这一学科的成熟是车辆动力学的建模与仿真产生了巨大飞跃，特别是a d a m s 软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出，使汽车的设计开发产生了本质变化， 大大缩短了开发周期。虽然多体分析商品化软件能够解决车辆动力学中的模型的 复杂性和精确性，但其本身应用也有一些问题。由于将汽车考虑为一复杂的多体 系统，与经典方法相比建模的工作量明显增加，而且建模者需有较强的力学背景 知识，加上车辆动力学的各种工况的复杂性，以及建模中输入变量、输出变量的 复杂性，以及不同模型的变拓扑结构等问题，使一般的产品设计人员较难直接应 用多体通用程序进行虚拟样机模拟来解决实际问题。因此国外的汽车公司均在多 体商品化软件基础上开发有自己特色的虚拟样机仿真系统，如福特公司的 a d a m s p r e ，i s u z u 公司的a d a m s i s u z u ，大约2 8 个主要汽车公司拥有在a d a m s 基础上二次开发的专用仿真系统，其用户界面十分友好，一般产品设计人员均可 直接使用，大大提高了仿真的工作效率。 在机械系统仿真( m s s ) 领域，基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软 件数量繁多。所谓m s s ( m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 技术，即把分散的零 部件设计和分析技术揉合在一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过 仿真分析中的反馈信息指导设计。其中，a d a m s ( u t o 眦t i c 眇n 锄i c n a l y s i so f 丛e c h a n i c a l 墨y s t e m ) 软件最有代表性，已得到普及与广泛使用，是当前求解机 械系统空间大位移运动力学特性的主要软件。a d 心s 软件具有求解器快速稳定、 功能强大、应用范围广、界面友好、方便易用，以及提供与其他分析软件连接的 接口等诸多特点，市场发展迅速，是该领域的佼佼者。车辆系统作为典型的多体 系统，是应用a d a m s 软件分析性能的主要对象。 a d a m s 软件的核心模块是 a d a m s ，e w ( 用户界面模块) 、 a d a m s 肌s t p r o c e s s o r ( 专用后处理模块) 、 a d a m s ，s o l v e r ( 求解器) 。a d a m s ，e w 是 以用户为中心的交互式图形环境，主要用于 交互式图形建模、仿真计算、动画显示、x y 曲线图处理、结果分析等。 a d a m s 伊o s t p r o c e s s o r 模块用来输出高性能 的动画，各种数据曲线，该模块还可以进行 曲线编辑和数字信号处理等。自动形成机械 系统模型的动力学方程，提供静力学、运动 学和动力学的解算结果。a d 削s s o l v e r 是 软件的核心部分，有各种建模和求解选项， 以便精确有效地解决各种工程应用问题。 图1 4 a d a i n s “v e r 模块 a d m s 的专用模块包括汽车设计软件 包、发动机设计软件包、轮胎模块包及其他 软件包。其中汽车设计软件包主要有 a d a m s c 川轿车模块) 、a d a m s ，c h a s s i s ( 底盘模块) 、s u s p e 璐i o nd e s i 驴( 悬架设计 软件包) 、a d 舢v i s c s m ( 概念化悬架模块) 、 图1 5 a d m 咖h i s 模块a d j 蝴s d r i v e l i n e ( 动力传动系统模块) a d a m s i ) r i v e 驾驶员模块) 等。 a d a m s c a r 是m d i 公司与a u d i 、b m w 、r c n 砌t 和v 0 l v o 等公司合作开发 的整车设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验，利用该模块， 工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机( 包括车身、悬架、传动系统、发动 机、转向机构、制动系统等) 并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验 工况下( 例如：天气、道路状况、驾驶员经验) 整车动力学响应，并输出标志操 纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依 赖，而仿真时间只是物理样机试验的几分之一伫9 】。 1 4 本文主要研究内容 1 ) 由于受研究目的、驾驶任务、人为感觉及环境条件等多种因素的影响， 使得对汽车操纵稳定性的研究和评价变得错综复杂。虽然关于汽车操纵稳定性方 面的报道很多，并提出了不同复杂程度的数学模型、评价指标、试验方法及试验 手段，但迄今为止还没有找出公认的客观定量评价操纵稳定性的最佳方法。本文 对所提出的各种评价方法和及评价目标进行了初步的总结。 2 ) 对于侧风作用下高速汽车行驶稳定性分析目前是国内外研究的热点。而 通常在进行此项目研究时，通常采用的汽车模型多为采用线性轮胎模型的二自由 度、四自由度模型。我国蔡世芳的研究结论认为，要获得满意的计算精度，对汽 车操纵稳定性的仿真必须通过至少四个或五个以上自由度以及包含各种非线性 环节的复杂模型来模拟。根据多刚体系统动力学理论，本文建立了基于非线性轮 胎模型的侧风作用下汽车十八自由度模型，并进行了汽车直线行驶侧风响应仿 真。 3 ) 使用a d m a s c a r 模块，建立了包括车身、悬架、转向系统、轮胎、发动 机的多自由度整车模型，在考虑气动阻力所引起的纵倾力矩、气动侧力所引起的 横摆力矩、侧倾力矩情况下对转向及各种侧风工况下汽车响应进行仿真。 4 ) 使用二自由度模型，根据我国郭孔辉院士所提出的预瞄一跟随理论，采用 驾驶员模型一p i d 控制模型，进行侧风作用下人一车闭环控制分析。 第二章侧风对汽车操纵稳定性的影晌 2 1 影响汽车操纵稳定性的空气六作用力 i ? z 图2 1 汽车空气动力学坐标系 汽车行驶时，受到复 杂的力的作用。除了受到 来到地面的力外，还受到 h 周围气流的气动力和力矩 的作用。来自地面的力取 决于汽车的总重、滚动阻 力和重心位置。气动力则 由行驶速度、车身外形和 风向角决定。 如图2 1 所示，作用于 运动汽车上的气动力和力矩，分为相互垂直的三个分力和绕轴的力矩。图示坐标 系中，坐标原点在前、后轴中心的地平面上，x 、y 轴表示路面。在对称气流( 横 摆角= o ) 作用时，阻力e 和升力e 同时存在，另外还有纵倾力矩 ，( 对y 轴) ， 三个分量乓、c 、m ，完全决定了产生气动力的矢量。己知的重心的位置，常 被作为纵倾力矩的参考点。在有侧风的情况下，汽车的绕流是一个不对称的流场。 这种情况下，除上述力和力矩外，汽车还受到侧向力r 的作用。另外，它还受 到绕纵向轴( x 轴) 的侧倾力矩m ，及绕垂直轴( z 轴) 的横摆力矩m ：的作用。因 此六分量e 、0 、c 和肼，、m ，、m ：决定了总的气动力矢量。 2 1 1 气动阻力 气动阻力是与汽车运动方向相反的空气力，通常可用以下公式表示： 1 e = 去a p q ( 2 1 ) 二 式中爿汽车迎风面投影面积； v 。合成气流相对速度； p 空气密度，标准状态下其值为1 2 2 5 培m 3 ； e 空气阻力系数，由风洞试验确定。 2 当汽车受侧风作用时，气动阻力系数有增大趋势。 2 1 2 气动升力及纵倾力矩 出于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而 产生升力并产生纵倾力矩。气动升力的计算公式如下： c = 三爿肌2 c ： ( 2 2 ) 式中c ，气动升力系数 空气纵倾力矩的计算公式如下： 吖y = 妻彳母。2 c 蛳 ( 2 3 ) 式中 c 脚纵倾力矩系数； d 轴距。 升力和俯仰力矩对于高速行驶的汽车操纵稳定性影响很大，对于轿车来说， 如果在设计阶段没有充分考虑升力的问题，升力在强风时可达几百甚至几千n 。 这一附加的力使前轮减轻了负荷，从而破坏了汽车的操纵性；减少了后轮负荷， 使驱动力减小。产生的升力与侧向力的合力具有两次曲线式的增加趋势，对侧风 稳定性的影响很大。 2 1 3 侧向力及横摆力矩 当气流平行于汽车的垂直对称面时，作用在该平面内的气动合力可分解为通 常的阻力分量和升力分量。而当来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。造成这个力的原因有两个，一是在汽车转弯时产生“侧 偏角”，二是遇到侧向。侧向力的表达公式为： 0 = 去彳。2 c y ( 2 4 ) 式中c 。侧向气动力系数 侧向力系数q 近似的与侧偏角成正比，即等= 常数。 由于汽车外形左右对称，空气阻力和升力对z 轴没有力矩。因此，空气的横 摆力矩实际上是气动侧向力对z 轴的力矩。可以表示为： m ：昙印2 c 胁( 2 5 ) 式中 c 胁横摆力矩系数 侧向力和横摆力矩都影响汽车的行驶稳定性。在非对称气流中，横摆力矩有 使汽车绕垂直轴( = 轴) 转动的趋势。如果所产生的横摆力矩有减小横摆角的作 用，汽车具有稳定的气动性能。 2 1 4 侧倾力矩 由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕z 轴的侧倾力矩。侧倾力 矩的表达式为： 1 m ，= 妄4 母。c 脓 ( 2 6 ) 二 式中c k 坝0 倾力矩系数 这个力矩通过悬挂系统至右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于回转力矩的 方向，使一个车轮负荷增加，另一个车轮负荷减少，从而就改变了汽车的转向特 性。 2 2 汽车的侧风稳定性 汽车在行驶中，常常受到侧风的干扰，使汽车产生更大的侧向力、横摆力矩 和侧倾力矩。侧向气动力将引起轮胎侧偏，然后使汽车偏离行驶方向。为了消除 侧偏角，驾驶员要随时转动方向盘，这将导致驾驶员过早疲劳并增加行驶危险性。 当有强风从任意方向吹过来时，安全问题是需要特别注意的问题。如果驾驶 员技术不熟练或没有经验来消除侧风的影响而产生不正确的反应会使汽车偏离 行驶方向出现失控。 2 2 1 侧风问题的产生 1 天然阵风 天然阵风的风向和风速都可能随时间而无规则地变化。在研究作用在汽车上 气动力的变化时，我们不仅关心风的方向变化，更关心风的速度阶跃特性。 2 人工阵风 通常在以下两种情况下会形成人工阵风： 1 ) 地形地物影响 即使在稳定侧风和等车速情况下，当汽车驶过大型建筑物的道路时，由于建 筑物的遮蔽作用和尾流影响，形成的人工阵风就会引起作用在汽车上的气动力的 1 4 变化。 当汽车通过有地形变化的道路时，如通过山脉的隘口或峡谷时，其风速常常 会达到周围风速的1 0 倍左右，因而亦会形成激烈的人工阵风，有些公路的路段 往往高出周围的乡野，这种地形结构又会引起局部路段的风速增大，因而亦会形 成人工阵风。 2 ) 会车影响 在有侧风的情况下，如果一辆小轿车超越一辆大型货车，由于轿车驶过货车 的尾流区，就会在轿车上形成一股强烈的阵风，因而引起轿车上气动力的突然变 化。 由以上分析可知，侧风常常是以阵风的形式出现的，阵风对汽车的干扰要比 稳定侧风的干扰复杂，故对侧风稳定性的研究主要以阵风为主。试验研究时，一 般用侧风发生器来模拟阵风，通过人车系统的动态测试分析操纵稳定性。 2 2 2 实际侧风形式 1 自然风 自然风的强度和方向是不稳定的，为测得自然风的标准紊流边界层，一般在 不同的地理位置及地表面上不同高度( 如1 0 m 至1 5 m 的建筑物上) 连续测量。 在接近地表面处的波动风速“可近似等于一个平均速度值，即紊流级是： 乃；里。l 1 ， ( 2 7 ) 根据地面条件( 不平度) ，在不同气象站测出高度之半的风速，表示了边界 层的形式。 图2 2 各种侧风断面的比较 与汽车高度相比，边界层极 薄，但风速的变化曲线很陡。在 平坦地区，边界层呈指数函数规 律变化。 2 稳态侧风 稳定的空气流动是侧风中 的一个特例，与高度无关。同一 断面层的风速是一个常量。这种 情况在自然界中几乎不存在。而 实际上，在风洞中可以模拟这种 特例，它不含有地表面的薄边界层，如图2 2 a ，b 为自然侧风，其侧风断面具有 边界层特性；c 为侧风模拟器产生的侧风断面。自然侧风与行驶速度合成，使气 流断面出明显的扭曲，而侧风模拟器产生的侧风断面也同样出现了扭曲，用侧风 模拟器来模拟仿真侧风。 3 非稳态侧风 由于自然侧风的速度和方向在不同的位置变化不同，除了通常在风洞中稳态 状况下测量的力和力矩值之外，必须考虑其它分量。如图2 1 0 所示，组成量可 分三部分：常量、准常量( 转动) 及变量，变量被认为是在风梯度( 变量率) 陡 的地方存在，正交( 标准) 化频率是 n = w ，v l ( 2 8 ) 图2 3 是h u c h o 和e m m ei m a i l i l 计算出的侧风断面的变侧向力和横摆力矩系 数。v ，是局部侧风速度，v 。是接近临界点的侧风恒定速度，参变量与汽车长度 l 有关，与风速v 。= 0 到满风速v 。的风断面i | 每界长度s 有关。由图可见，风断 毒 害0 5 图2 3 不同侧风断面的变侧向力和横摆力矩 系数 = ( j