（车辆工程专业论文）基于adams的某大客车操纵稳定性优化设计.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g m i l l li i i l l l ll i i i i i l ui l u l i i i i i i i l l l u l i i i i i y 18113 4 0 o p t i m i z a t i o no fc o a c hh a n d l i n g a n d s t a b i l i t yb a s e d o na d a m s a t h e s i si n v e h i c l ee n g i n e e r i n g b y h u a n gj i a n x i n g a d v i s e db y p r o f z h a oy o u q u n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t 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 d e c e m b e r , 2 0 0 9 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位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。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：书，定只 日期：yf 。年弓月 1 j 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 人一车一路闭环操纵稳定性系统的评价与设计的研究课题需要做大量深入细致的工作，如 评价体系的合理性及应用、缩短评价周期、优化设计和先进的科学技术手段的应用等问题。本 文在郭孔辉院士提出的汽车操纵稳定性综合评价方法的基础上，着重解决上述问题，主要研究 工作如下： 1 针对人一车闭环操纵稳定性综合评价方法中采取指标权重为l 的主观赋值法易造成评价 不合理，提出一种人车闭环操纵稳定性综合评价指标权重确定方法。引入各单项指标之间的 序关系，很好体现了各指标之间的关联，完善了整个评价体系。 2 阐述了汽车操纵稳定性设计方法；考虑交通安全的车速因素，提出了基于交通安全的汽 车操纵稳定性评价方法，为车辆安全评价与设计提供理论依据。 3 探索了入车闭环操纵稳定性综合评价方法在a d a m s 上的实现。研究了路面附着状况 和驾驶员反应对综合评价指标的影响，分析在土路和沥青路面两种附着条件下各单项指标和综 合评价指标随车速的变化规律，找出了具有较好操纵稳定性的适宜车速区间，初步实现了综合 评价方法在工程中的应用。 4 利用a d a m s 提供的虚拟样机技术建立大客车模型，结合试验优化设计理论，实现大客 车操纵稳定性优化设计，提出相关的设计和匹配原则，为国内应用试验优化设计和仿真技术相 结合改善汽车操纵稳定性提供了借鉴和参考。 结果表明：本文成功地解决了汽车操纵稳定性评价与设计中存在的主要问题。研究成果可 改进汽车性能，提高汽车的主动安全性；可以缩短生产周期，降低成本，对提高我国汽车主动 安全设计的自主开发能力有着重要意义。 l 关键词：操纵稳定性，综合评价，车辆安全，虚拟样机，优化设计 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 a b s t r a c t a l a r g ea m o u n to ft h o r o u g ha n dm e t i c u l o u sr e s e a r c hw o r ki sn e e d e df o rd r i v e r - v e h i c l e - r o a d c l o s e d - l o o ps y s t e me v a l u a t i o na n dd e s i g nf o rh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y 硒t ht h eh i 。g hd e m a n do fv e h i c l e a c t i v es a f e t y f o re x a m p l e ，r a t i o n a l i t ya n da p p l i c a t i o no fe v m u a t i o nm e t h o da n de v a l u a t i o ni n d e x 、 s h o r t e n i n gc y c l eo fe v a l u a t i o n 、o p t i m a ld e s i g n 、a p p l i c a t i o no fa d v a n c e dm e a l 岱o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fh u m a n - v e h i c l ec l o s e d - l o o p s y s t e mf o rh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp r o p o s e db yg u ok o n g h u ia c a d e m i c i a n , t h ea b o v ep r o b l e m sw o r s o l v e d 1 1 坞m a i nr e s e a r c hw o r kw a sa sf o l l o w s 1 an e ww a yw a sp r e s e n t e dt od e c i d ei n d e xw e i g h t sf o rt h ee v a l u a t i o ns u b j e c t i v e ，w h i c hc a u s e d u n r e a s o n a b l ee a s i l yf o rw e i g hc o e f f i c i e n ta so n e i nt h i sw a y , t h es e q u e n c er u l er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n s i n g l ei n d i c a t o r sw e r ec o n s i d e r e da n dm a d et h ee v a l u a t i o ns y s t e mm o r er e a s o n a b l e 2 t h ed e s i g nm e t h o do fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yw a si n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，v e h i c l es p e e d f a c t o rw a sc o n s i d e r e df o rt h er o a ds a f e t y t h e ne v a l u a t i o na n dd e s i g nm e t h o do fv e h i c l eh a n d l i n g s t a b i l i t yf o rt r a f f i cs a f e t yw a sp r o p o s e d , w h i c ho f f e r e dr e f e r e n c ef o rt h es a f e t yd e s i g no f v e h i c l e 3 a n di m p l e m e n tt h ew a yb a s e do nt h ev i r t u a lp r o t o t y p es o f t w a r ea d a m s n e x t , t h ei n f l u e n c et o t h ei n d e xc a u s e db yt h er o a da d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n dt h er e a c t i o no ft h ed r i v e rw a se l a b o r a t e da n dt h e l a wo fe a c hs i n g l ei n d e xa n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e x 埘mt h ev a r i a t i o no fs p e e do nb o t h e a r t hr o a da n da s p h a l t i cr o a dw a sa n a l y z e d f i n a l l y , s p e e dr a n g eo fc a r sf o rt h eb e s tc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ni n d e xw a sf o u n d 4 t h ep a r a m e t e r i z e dm o d e lo fc o a c hw a se s t a b l i s h e db ya d a m s c o m b i n e do p t i m u md e s i g n t h e o r y , o p t i m i z a t i o nw 雒a c h i v e da n dt h em a t c h i n gs c h e m eo ft h ec o a c hs l x u c t u r ep a r a m e t e r sw e r eg o t , w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c et oi m p r o v ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s s e r t a t i o ns o l v e dt h ed o m i n a n tp r o b l e m st h a th a v eb e e nh i n d e r e dv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t ye v a l u a t i o n t h u s ，t h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l ec a nb ei m p r o v e da n da c t i v es a f e t y o fv e h i c l ec a l lb ee n h a n c e d w h a t sm o r e ，i tc o u l da l s os i g n i f i c a n t l ys h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l ea n d r e d u c ec o s t s t h a ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o ru st o 砌l a n c et h el e v e lo f v e h i c l ed e s i g n k e y w o r d s ：h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n , v e h i c l es a f e t y ，v i r t u a lp r o t o t y p e ， o p t i m i z a t i o n 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究目的和意义1 1 1 3 研究必要性和重要性2 1 2 现状分析与发展方向。3 1 2 1 研究现状3 1 2 2 发展方向。6 1 3 主要研究工作6 第二章汽车操纵稳定性综合评价与设计方法7 2 1汽车操纵稳定性评价体系- 7 2 1 1 引言7 2 1 2 各单项指标8 2 1 3 驾驶员模型1 0 2 1 4 综合评价指标1 l 2 1 5 多个试验评价l l 2 1 6 指标权重确定1 1 2 2序关系指标权重确定法1 2 2 2 1 引言1 2 2 2 2 步骤。：。1 2 2 3汽车操纵稳定性设计方法1 3 2 3 1 设计内容。1 3 2 3 2 步骤与方法1 5 2 4基于交通安全的汽车操纵稳定性设计方法1 6 2 4 1 引言。1 6 2 4 2 车速与综合评价1 7 2 4 3 车速与交通安全1 7 2 4 4 基于交通安全的汽车操纵稳定性设计方法1 8 2 5 本章总结2 0 第三章综合评价方法在a d a m s 上的实现2 1 l l i 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 3 1 虚拟样机技术2 1 3 1 1 仿真流程2 l 3 1 2 仿真试验。2 1 3 2模型建立2 2 3 - 3 实例分析。2 2 3 3 1 单项评价指标分析2 2 3 3 2 综合评价指标分析。2 6 3 3 3 基于交通安全的汽车操纵稳定性综合评价2 7 3 4 本章总结2 8 第四章综合评价方法在大客车操纵稳定性优化设计中的应用2 9 4 1 优化设计2 9 4 1 1 引言。2 9 4 1 2 a d j 蝴s 与优化设计3 0 4 1 3 描述大客车操纵稳定性的参数分析3 0 4 2 试验优化3 1 4 2 1 引言3 1 4 2 2 步骤3 2 4 3 大客车操纵稳定性优化设计实例3 2 4 3 1 优化设计3 2 4 3 2 期望车速下的优化设计3 4 4 3 1 3 整个车速范围内的优化设计3 5 4 3 4 优化方案的验证3 6 4 4 大客车操纵稳定性系统参数匹配的设计原则3 7 ， 4 4 1 参数分析原则。3 7 4 4 2 匹配设计原则。3 7 4 5 本章总结3 8 五章总结与展望3 9 5 1全文总结3 9 5 2 工作展望4 0 参考文献4 1 j ! 贮谢4 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文。4 8 i v 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 2 图4 3 图4 4 表2 1 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 图表清单 人一车闭环系统的描述3 汽车操纵稳定性评价体系8 驾驶员模型。1 0 车辆操纵稳定性设计1 6 道路交通安全性的影响参量。1 7 高速公路车速与事故率的关系1 8 汽车操纵稳定性仿真评价流程2 l 双移线试验仿真场地2 2 不同车速行驶轨迹与预期路线的比较。2 3 侧向位移误差指标随速度的变化2 3 方向误差指标随速度的变化2 3 车辆轨道跟踪优劣指标随速度的变化2 3 驾驶员忙碌程度指标随速度的变化2 4 驾驶员沉重程度指标随速度的变化2 4 驾驶员负担指标随速度的变化。2 4 考虑侧向加速度指标随速度的变化2 5 考虑侧倾角指标随速度的变化2 5 翻车危险性评价指标随速度的变化2 5 侧滑危险性指标随速度的变化2 6 驾驶员路感指标随速度的变化2 6 综合评价指标随车速的变化曲线2 7 车速分布概率密度曲线2 7 车速分布概率密度曲线3 3 大客车综合评价指标随车速的变化曲线。3 4 综合评价指标随车速的变化曲线。3 6 r k 赋值参考表1 3 基于交通安全的汽车操纵稳定性综合评价。2 8 混合正交表。3 3 试验优化结果3 4 期望车速下极差分析结果3 5 二j i 己表3 5 整个车速范围内极差分析结果3 5 二元表3 6 部分方案与优化方案结果对比3 6 v 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 注释表 侧向位移误差指标 驾驶员的期望路径 轨迹误差标准门槛值 试验时汽车实际轨迹 试验时间 方向误差指标 汽车的纵向速度 横向加速度极限值 汽车质心侧偏角 方向误差标准门槛值 轨道跟踪好坏的误差指标 方向盘角速度 方向盘角速度标准门槛值 驾驶员忙碌程度指标 前、后四个车轮侧向力 前、后四个车轮垂直载荷 考虑驾驶员路感的指标 外界道路 交通法规 有效道路输入 汽车的侧向位移 方向盘转角 汽车操纵稳定性综合评价 有效视程门槛值 多个试验的综合评价 车速分布的概率密度函数 样本的均值 方差 车度 驾驶员沉重程度指标 考虑驾驶员负担的评价指标 方向盘力矩 方向盘力矩标准门槛 考虑翻车危险性的评价指标 。 侧向加速度的考虑 考虑侧滑危险性指标 汽车侧向加速度 汽车侧向加速度标准门槛值 汽车侧倾角 汽车侧倾角标准门槛值 加权值 加权值 考虑侧滑危险性指标 默唰f ) 的标准门槛值 四个车轮的侧滑危险性指标 路感指标的标准门槛值 神经反应滞后时间 操纵反应滞后时间 一 预瞄时间 校正时间 侧向加速度的稳态增益 常数 考虑驾驶员特性的惩罚因子 加权值 校正参数 加权系数 重要程度之比 检验显著性水平 既 。 ： 玩 锄 “ 妈 如矗圳e矗如删彳吟多一矗s一疗幻死易疋劬一g岛飞a 厶们虏妁岛如鳓附p五剐“山删踟垴侧鳓五y甄，抽肛仃m h 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 汽车安全问题已为社会问题【。中国的汽车与交通安全问题已成为公众关注的社会热点之 一【2 】。随着全国道路交通流量、公路里程、机动车保有量和驾驶人数进一步增长，道路交通事 故预防工作的压力将进一步加大【孤。提高汽车的主动安全性可以避免交通事故【4 】。而主动安全 性中一个重要性能就是汽车操纵稳定性。欧美及日本等汽车工业发达国家均很重视与车辆行驶 安全直接相关的操纵稳定性研究5 】【6 】【7 】；而国内近些年对此研究也很积极。据统计，由于车辆因 素所造成的交通事故【1 1 ，在工业发达国家占约5 ，而在我国占约1 0 1 1 1 研究背景 汽车操纵稳定性研究汽车对驾驶员指令的反应和汽车抵抗外界干扰的能力【8 】【9 1 它是现代 汽车行驶安全的重要性能【埘，是决定高速汽车安全行驶的一个主要性甜1 1 】特别是对大客车， 良好的操纵稳定性更能保证车上几十条乘客生命安全。而长期以来，对车辆操纵稳定性研究更 多地局限在轿车与货车上，把它们的研究成果应用到大客车上是不科学的。同时操纵稳定性差 的大客车一旦以较高车速行驶，就会暴露出方向不稳、车轮发飘、车身摇晃等问题，直接危及 行车安全。这不符合目前高速公路和旅游交通的发展要求。 随着汽车现代化设计水平的提高，应用c a e 技术可避免简单的人工重复劳动，快速评价和 优化设计汽车结构参数，从而有效地提高汽车设计的可靠性，缩短设计周别1 2 】。 在现代化的汽车工业环境里，为了更好地解决汽车平顺性和操纵稳定性等问题，工程师不 可避免要利用多体动力学的交互界面来模拟汽车运动【1 3 l 。 1 1 2 研究目的和意义 本文研究目的就是运用人车闭环操纵稳定性综合评价方法，利用机械系统动力学分析软 件a d a m s 提供的虚拟样机技术，研究汽车操纵稳定性能，揭示汽车操纵稳定性的内在规律， 实现大客车操纵稳定性优化设计，为研究和提高汽车特别是大客车操纵稳定性指明方向 本课题研究意义如下： 1 ) 提出了采用人一车闭环操纵稳定性综合评价方法的汽车操纵稳定设计方法，设计操纵稳 定性优良的汽车结构参数，一定程度上提高了汽车的主动安全和运行性能。 2 ) 可以为汽车设计，特别是汽车操纵稳定性设计提供新的途径。另外也可以提高汽车设计 质量，缩短汽车开发周期，降低成本。这对车型改造以及新车型的开发具有重要的意义。因此 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 研究成果可产生巨大的经济和社会效益【。 3 ) 对客车来讲，结合客车特点，考虑操纵稳定性，意义重大。提高客车主动安全，减少客 车交通事故，协调客车技术与公路、运输业和交通安全的要求相一致。 4 ) 本课题研究基于现代大型机械动力学仿真软件，可以进一步推动虚拟样机技术在汽车等 高科技产业的开发和发展。 1 1 3 研究必要性和重要性 随着汽车车速不断提高和交通日益频繁，交通事故不断增加。因此，对汽车性能的评价与 设计提出了越来越高的要求，使得人一车一路闭环操纵稳定性系统的评价与设计的研究课题需 ， 要做大量深入细致的工作，如评价体系的合理性及应用、缩短评价周期、优化设计和先进的科 学技术手段的应用等问题。开展对人一车一路闭环操纵稳定性系统的评价与设计的研究具有极 其重要的理论与实际意义，这种研究可以帮助汽车设计人员合理地控制汽车的结构参数，使之 既适合于驾驶员驾驶又具有足够的主动安全性。 传统的汽车操纵稳定特性调校方法都是在样车试制之后，通过多次、重复的试验来完成。 该方法周期长、效率低、成本高，已经不能满足现代汽车开发速度和开发质量的要求【1 4 1 。为此， 在样车试制前应利用虚拟试验技术分析并预测汽车操纵稳定性。几十年来，如何设计汽车，以 获得良好的操纵稳定性，提高汽车主动安全性，始终是各国学者和设计师们的主要研究方向【i 5 1 。 影响汽车操纵稳定性的因素很多【l l 】。要获得良好的操纵稳定性就涉及操纵稳定性的评价问 题。为了评价操纵稳定性，要从操纵稳定性试验中考察其影响因素。在操纵稳定性国家标准要 求中，操纵稳定性试验有蛇行试验、转向回正性能试验、稳态回转试验、转向轻便性试验和转 向瞬态响应试验等。而且在这些试验中，工作量大，所需时间长。可见，如何全面地评价而又 不减少评价工作量，是一个很重要的问题。人一车闭环操纵稳定性综合评价方法可以综合考虑 多个操纵稳定性影响因素，考虑多个操纵稳定性试验，可以很好地解决上述评价问题。一 从结构和系统动力学的角度考虑，客车与轿车、货车有很大不同。表现在客车的质心位置 高、人体随车摇摆、前后及左右方向的载荷转移大、操纵转向响应时间长、抗侧倾能力弱、迎 风面积大等。目前大部分国产高速客车操稳性较差，如高速行驶时车身摇晃，由此引起的交通 事故也时有发生。为此， l r k 1 。根据上面步骤可以确定各权重分别为阢= 0 0 7 7 9 0 1 ，w 2 = 0 1 6 8 2 6 6 ， - - 0 4 8 4 6 0 7 ，暇= 0 0 9 3 4 8 1 ，- - 0 2 6 9 2 2 6 2 3 汽车操纵稳定性设计方法 2 3 1 设计内容 汽车操纵稳定性设计的目的是希望所设计的汽车在道路行驶中，尽量能在各种工况和较多 1 3 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 车速下，获得较理想的汽车操纵稳定性，满足汽车主动安全的要求。 具体地说，汽车操纵稳定性设计包括以下目的： 1 ) 在初步汽车设计中，根据以往经验和理论成果，来选择和计算汽车结构的运动学和动力 学参数，确定汽车各系统及其零部件的形式、形状和尺寸，以便获得良好的汽车操纵稳定性， 保证汽车能正常可靠地行驶。 2 ) 在完成初步设计后，对所设计的汽车进行虚拟建模或样车生产，进行各种工况试验，研 究各车速下汽车操纵稳定性综合评价，进而对汽车结构参数进行审核、修改或重新设计。 汽车操纵稳定性设计包括两个方面：如何利用操纵稳定性综合评价方法评价汽车结构参数 与如何防止及消除汽车操纵稳定性不足。从运动学和动力学的具体内容来看，汽车操纵稳定性 设计涉及三个方面：车辆多体动力学、虚拟仿真试验设计和汽车操纵稳定性的计算与分析等。 汽车操纵稳定性的设计理论和方法，通常包括以下四个方面的内容： 1 按初步设计图样或事物进行虚拟模型样机建模 在虚拟样机模型建模中，通常要完成下面一些工作： 1 ) 根据实际汽车各系统及零部件的结构特点，简化为可用于动力学分析的虚拟样机模型。 2 ) 根据实际汽车各系统及其零部件实际工况，确定作用于其上的载荷函数。 3 ) 根据实际汽车各系统及其零部件实际工况，定义属性文件。包括弹性元件刚度、减震器 阻尼、发动机和差速器等特性文件；选择适当的轮胎模型，编写轮胎文件等。 4 ) 确立整车虚拟样机模型的装配。 2 按照所确立的虚拟样机模型计算其运动的动态特性并对建模进行初步审核 所谓虚拟样机模型运动的动态特性，是指该模型在运动中，所定义的部件空间位置、连接 方式都符合实际模型工作状态，没有干涉或不正常的变形等出现。 3 实车试验与仿真建模 通常包括以下内容： 一 1 ) 选用适当的虚拟试验方法和选取适当的试验数据。 2 ) 测定仿真试验结果。 3 ) 依据实车试验，判断仿真结果与实验数据是否一致。 4 ) 对汽车虚拟样机模型进行审核。 4 对虚拟样机模型进行修改 根据仿真结果和实车试验数据，对虚拟样机模型进行修改，通常包括以下内容： 1 ) 确定修改准则，找出修改的问题 2 ) 对零部件物理参数进行修改，包括质量、转动惯量、阻尼和刚度等 3 ) 增加摩擦力，对零部件的载荷函数进行修改，包括作用力和作用点。 4 ) 对轮胎模型进行修改。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 5 ) 对动力系统进行修改，包括发动机特性和差速器的限滑转矩特性。 6 ) 定义柔性体和连接。 2 3 2 步骤与方法 汽车操纵稳定性设计的步骤大致包括以下八个方面： 1 ) 动力学参数的计算。 2 ) 虚拟样机建模。 3 ) 属性文件编写 4 ) 其它动力学问题的分析、计算及其属性文件编写。 5 ) 获取实车试验数据。 6 ) 设计虚拟仿真试验，验证虚拟样机模型。 7 ) 找出修改准则及需要修改的问题。 8 ) 对虚拟样机模型进行修改，获取理想汽车操纵稳定性综合评价 完成上面汽车操纵稳定性设计通常采用解析法、c a d i c a e 法和实验法。最理想的是将这 些方法结合起来，做到理论与实际紧密结合。 1 运动学参数的计算 ( 1 ) 前后悬架。需要计算的运动学参数有前轮定位参数、各部件的空间位置、质量、转 动惯量等。前轮定位参数可通过解析法或实际测量获得质量和转动惯量有条件应通过实验手 段获得；其次就是通过c a d q 嗵法获得在c a d i c a e 软件中建立模型，利用其计算功能 获取，如c a t i a 软件；有时也通过简化模型来判断模型质量和转动惯量的数量级。 ( 2 ) 转向系统通过解析法可计算转向力矩转动比。通过试验法获取转向助力特性曲线。 ( 3 ) 钢板弹簧。应先从理论上计算刚度，再确定相关参数，最后可在a d a m s v i e w 里检 测其载荷位移的力学特性 ( 4 ) 轮胎参数。主要有三个获取方法：根据魔术轮胎模型获取所需参数；根据轮胎台架试 验获取；直接利用a d a m s 里已有的轮胎文件。 2 虚拟样机建模 按照实际模型或设计布置要求，建立各零部件的连接方式，定义测量传感器等。 3 属性文件的编写 减震器、弹簧刚度可通过实验法获取其力学特性曲线。由发动机万有曲线可知发动机特性； 差速器的限滑转矩特性可由理论计算获得。 4 其它动力学问题的分析、计算及其属性文件编写 对于汽车操纵稳定性系统来说，还有其它一些动力学特性需要研究，比如转向系统中的转 向间隙，横向稳定杆的扭转特性，刚性连接与柔性连接，其它非线性因素等 1 5 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 5 获取实车试验数据 按照操纵稳定性试验相关要求，进行操纵稳定性实车试验，从而获取试验数据。 6 设计虚拟仿真试验，验证虚拟样机模型 虚拟仿真试验的设计主要有两种方法：根据试验要求设计出仿真路径；选用一部分试验数 据为输入条件来控制仿真试验，比如可用试验中获取的车速、转向盘、档位、离合器、油门开 度等随时间变化的曲线来控制仿真中的车速、转向盘、档位、离合器、油门开度。 7 审核与修改准则 对于所设计的汽车操纵稳定性系统，审核与修改准则与设计准则是相同的。例如所选取的 运动学参数，应能让虚拟模型顺利运行；所选取的动力学参数，应能使得所设计的汽车获得所 需要的运动轨迹和运动物理参数；使所设计的各系统和零部件的运动在许用范围内等。 8 对虚拟样机模型进行修改，获取理想汽车操纵稳定性综合评价 可用设计研究、试验设计和优化分析等方法，修改模型参数，获得良好的汽车操纵稳定性 各单项评价或综合评价。 应用汽车操纵稳定性综合评价为目标函数可以进行汽车设计，具体流程如图2 3 所示。 综合评 价指标 操纵稳定性设计方案 虚拟建模l 一虚拟试验仿真 各单项指标 指标权重确定 设计灵敏 度研究 试验设计 研究 参数匹配 研究 图2 3 车辆操纵稳定性设计 2 4 基于交通安全的汽车操纵稳定性评价与设计 2 4 1 引言 发生交通事故的因素是多方面的。图2 4 所示为道路交通安全的影响参量 4 1 。交通系统是 由人、车和环境构成的动态综合系统【2 1 。通过近百年来的努力，人类分别从汽车工程、交通工 程、道路交通安全和驾驶员的驾驶行为等方面对人、车、路的交通环境体系中进行了广泛的研 究，为保证道路交通安全畅通起到了积极作用，并提供了十分宝贵的基础理论和思路。 1 6 翳堕p 般黪蝴一辙黼塑群 南京航空航天大学硕士学位论文 但是随着汽车保有量迅速增长，高速公路不断发展，交通事故仍不断增加。汽车的安全已 成了严重的公共健康问题。解决这一问题的关键是设计出不易发生交通事故的车辆来。这就 要求在汽车设计中加以考虑交通安全因素6 引。为此，在人一车一路的交通系统中，本文探索基 于交通安全的汽车操纵稳定性综合评价，为评价车辆交通安全和车辆设计提供理论依据。 道路交通安全性 环境 入 登姜鋈i i 霾暮磊i i 墓罢轰l l 嘉雾磊l i 妻鏊i i 萎鍪l l 乘客l | 行人l i 驾驶员规环境l l 程环境态环境i i 程环境l l 安全安全| l ”。l | i l 路 面 质 量蓁0 | | l l 茎l 睡l l 萋l 降l l 尊l l 霾0 剽屡i 睦l i | | | 知 交 通 情 力 图2 4 道路交通安全性的影响参量 交通事故的成因分析主要有驾驶员的因素、车的因素、道路与交通环境的因素分析等对事 故率的影响和交通事故与信息特征等【例。从图2 4 可知影响交通安全的车辆因素主要有操纵部 件、驾驶员的特性和视野状况。故对交通安全，研究人一车一路操纵稳定性闭环系统意义重大 2 4 2 车速与综合评价 车速会影响综合评价指标，主要体现在从两个方面：车速影响驾驶员对交通环境的感知和 汽车的操纵：车速影响汽车运动学和动力学参量，如横摆角速度、侧向加速度等，从而影响各 单项评价指标，进而影响综合评价指标文献【4 0 】和文献【4 l 】分别从车速为8 0 虹l l l 和5 0km b 起研究了闭环操纵稳定性系统综合评价指标随车速的变化，均得出了“车速越高，闭环系统操 纵稳定性综合评价指标越差”的结论：但二者都没有对所有车速下的汽车操纵稳定性进行评价 只有对所有车速下的汽车操纵稳定性评价，综合评价指标与车速的关系才会更全面体现出来。 车速变化会引起综合评价指标的变化，可见车速是综合评价指标的影响因子为了便于分 析，用函数伽i g ( v ) 表示综合评价指标 与车速，的关系。汽车操纵稳定性最佳时所对应的车速 称为汽车操纵稳定性的期望车速。 2 4 3 车速与交通安全 车发生追尾的交通事故，本质上讲就是一个速度快的质量点碰撞上一个速度慢的质量点 可见，车速与交通事故发生有着相关性。研究二者的关系也已经有了大半世纪了。文献【7 0 】分 1 7 基于a d a m s 的某大客车操纵稳定性优化设计 析交通事故的汽车速度样本与均值之间的偏差，得到的结论是：拥有最低的事故率的样本，其 速度分布高于均值的1 5 - - 2 0 之间：当速度偏差大于这个范围时，不论其速度低于还是高于 均值，其都会出现事故率上升的现象。文献【7 1 】从驾驶员的角度研究这个问题，得出的结论是： 其车速越接近均值的驾驶员，具有最低的事故记录：所驾驶的车辆的速度越偏离均值的驾驶员， 他们涉及的事故次数越多。文献 7 2 贝j j 建立了高速公路事故率与运行车速的回归函数关系，如 图2 5 所示。文献 7 3 】根据高速公路的车速标准差和亿车公里事故率的数据建立二者的回归分析 模型，模型表明车速分布越离散，事故率越高。交通事故的多少与道路上的各种车辆行驶速度 的离散程度成正比，即车速太快或太慢均易肇事，而顺应交通流的一般速度则是安全的【6 9 1 。该 车速被称为交通安全的期望车趔7 4 】。 车速是影响汽车和交通安全的直接因素，也是研究汽车安全和交通安全的重要桥梁。特别 地，当车以交通流的一般车速运行时，汽车操纵稳定性最佳，那么此时汽车交通安全更好，也 就是说汽车发生交通安全的可能性更低。因此，统计道路车速，研究道路交通流中一般规律， 在交通安全和汽车操纵稳定性的研究中就显得特别重要。 7 08 09 01 0 0 1 1 01 2 01 3 01 4 0 8 5 百分位车速v k m h 4 图2 5 高速公路车速与事故率的关系 2 4 4 基于交通安全的汽车操纵稳定性评价与设计 以上分析可得出这三个结论：在各个运行车速内能找到最佳汽车操纵稳定性；汽车以交通 安全的期望车速行驶时，汽车是安全的：此时，若汽车操纵稳定性最佳时，即交通安全的期望 车速是汽车操纵稳定性的期望车速时，那么汽车交通安全更好的。利用这些结论可进行基于交 通安全的汽车操纵稳定性评价与设计，提高汽车的主动安全，降低汽车交通事故发生率。比较 不同车速下汽车操纵稳定性综合评价可得到汽车操纵稳定性的期望车速。其它内容具体如下。 1 ) 道路车速统计方法与分布 车速的分布一般为正态分布，其分布特征包括地点车速的样本均值、样本方差和峰值等【7 5 l 。 不同时段中对道路车速影响很大。根据文献【7 l 】得出“车速越接近均值的驾驶员具有最低的事 故记录”的结论，本文引用平均车速来研究交通安全。统计平均车速的方法有：概率平均车速、 时问平均车速和加权平均车速三种。文献【7 6 】采用妒检验法检验大量实测车速数据，得到速度 1 8 6 5 4 3 2 l o 褥辎捧酬对*r陋 南京航空航天大学硕士学位论文 数据均服从正态分布，并给出了车速分布的概率密度函数锨) ，一! 兰= 竺! ： 贴) - 去e2 02(2-23) 式中i i 和盯分别为样本的均值和方差。 文献【7 7 】中统计实测的车速，对比了平均车速的三种统计计算方法，确立加权平均车速统 计方法为平均车速的最佳统计计算方法。 2 ) 加权平均车速统计方法 a 对于某段道路，把车辆行驶的一天时间分成等间隔的若干份分别测量这些段的平均速 度耽，得到样本兄给这些时间段一个0 1 的加权系数岛且这些加权系数和k t - - i ，则加权平 均车速，为： v ：曼 ，f kf(2-24)k v = ，f ， l - l b 统计样本中各平均速度的概率只，用直方图表示，直方图面积大小表示概率。 c 拟合分段中间值的概率分布曲线。 d 估计均值盯和方差, t 。假设上式车速分段中，概率成均匀分布，则取概率分布分段车速 中间值估计整体概率分布的均值和方差。设把速度分成了刀份，则均值o r 和方差肛公式为： ：e ( 工) ：壹b b ( 2 - 2 5 ) 盯2 ：e 一2 ：量毋一2 ( 2 - 2 6 ) e 分析拟合曲线的分布函数。 3 ) 加权平均车速概率密度函数 运用加权平均车速获得的车速分布为对数正态分布， 黼 其概率密度函数为【7 7 l ： 工o ( h x - 一) 2 e 2