（车辆工程专业论文）基于虚拟样机技术的高速汽车侧风稳定性研究.pdf

摘要 随着汽车实际行驶速度的不断提高，汽车的侧风稳定性r 益显得重要。传 统的汽车侧风稳定性研究主要依靠实车试验，不仅耗时耗力，而且具有一定的 危险性。因此高速汽车侧风稳定性仿真研究具有重要的现实意义。 本文首先建立了侧风作用下的三自由度汽车模型，运用此模型分析了风压 中心位置对车辆稳态横摆角速度增益的影响。 然后运用多体动力学理论，在a d 蝴s 软件平台上，建立了侧风环境下的 整车多体动力学模型，运用此模型进行了阶跃阵风作用下的汽车直线行驶仿真 试验，研究分析了风压中心位置及车速等因素对侧风稳定性的影响。 最后，运用a d a m s i n s i g h t 模块分析了车辆的部分设计参数对整车侧风响 应特性的影响程度，初步筛选出了一些重要参数，为后续优化汽车结构、提高 侧风稳定性奠定了基础。 综合来说，本文揭示了侧风对高速汽车操纵稳定性的影响规律，在此基础 上提出了一些改善汽车侧风稳定性的措施；并为汽车侧风稳定性的优化工作筛 选出了一些重要的设计变量。 关键词：侧风稳定性，三自由度，a d a m s ，风压中心，设计参数 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n go fv e h i c l er u n n i n gs p e e d ，t h ee f f e c to fc r o s s w i n do n t h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a l r e s e a r c ho nc r o s s w i n ds t a b i l i t ym a i n l yd e p e n d so nr e a lv e h i c l ee x p e r i m e n t s ；i ti s d a n g e r o u sa n dc o s ta1 0 to fm o n e ya n dt i m e s ot h er e s e a r c ho nc r o s s w i n ds t a b i l i t y o fh i g h - s p e e dv e h i c l eb a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o ni ss i g n i f i c a n t l yh e l p f u l f i r s t l yt h i sp a p e rb u i l d sa3d o fv e h i c l em o d e lw h i c hi su n d e rt h ee f f e c to f c r o s s w i n d ，a n dt h e nt h i sm o d e l i su s e dt oa n a l y z et h ei m p a c to fw i n dp r e s s u r ec e n t e r p o s i t i o no nt h es t e a d y - s t a t eg a i no fv e h i c l ey a w v e l o c i t y t h e n ，am u l t i b o d yv e h i c l ed y n a m i c sm o d e le x p o s e dt oc r o s s - w i n di se s t a b l i s h e di n t h ea d a m ss o f t w a r ep l a t f o r m t h ee f f e c t so fs t e pg u s to nas t r a i g h tl i n ed r i v i n g v e h i c l ea r es i m u l a t e dw i t ht h i sm o d e l ，a n ds o m ec o n c l u s i o nh a sb e e nm a d ea b o u th o w t h ec r o s s w i n da f f e c t sv e h i c l e s t a b i l i t y a tl a s t ，c r o s s w i n ds e n s i t i v i t i e so fs o m ev e h i c l ed e s i g np a r a m e t e r sa r es t u d i e d ，a n d s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sh a v eb e e ns i n g l e do u t ，w h i c ho f f e ri m p o r t a n tr e f e r e n c e d a t af o ro p t i m i z i n gv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yu n d e rc r o s s w i n d i nc o n c l u s i o n ，s o m ei n h e r e n tr u l e sa n dr e l a t i o n so fh i g h - s p e e dv e h i c l es t a b i l i t ya r e r e v e a l e di nt h i s p a p e r f u r t h e r m o r e ，s o m em e a s u r e sf o rt h ei m p r o v e m e n t so f c r o s s w i n ds t a b i l i t ya r eo b t a i n e d a n dt h er e s u l t so f f e ri m p o r t a n tr e f e r e n c ed a t af o r o p t i m i z i n gv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yu n d e rt h ee f f e c to fc r o s s w i n d k e yw o r d ：c r o s s w i n ds t a b i l i t y , 3d o f , a d a m s ，c e n t e ro fp r e s s u r e ，d e s i g n p a r a m e t e r s 独创性声明 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：j 数日期：幽l 学位论文使用授权书 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。本人授权武汉理工 大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师c 签孙钳 日期妒芦3 ) 武汉理。r 大学硕十学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 随着高速公路的不断发展和汽车车速的提高，汽车的空气动力学特性同益 受到人们的关注，侧风作用下汽车的操纵稳定性问题也日益显得重要。高速行 驶中的汽车经常会受到侧风的干扰，而侧风所产生的气动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，对汽车的操纵稳定性产生很大的影 响。这种偏离需要驾驶员调整转向量来修正，连续调整转向盘，会导致驾驶员 疲劳，增加行车危险。 近年来，交通事故与日俱增，为人类社会带来了巨大的灾害。汽车工业最 为发达的美国，被喻为是一个建立在车轮上的国家，它从世纪年代中期到年期 间，因为交通事故死亡的人数累计已经超过2 0 0 万人，比美国建国以来历次战 争阵亡人员的总和还要多，经济损失占其国民生产总值的1 2 。我国的交通安 全形势也十分严峻，尤其是近年来尤为突出，交通事故死亡人数居高不下，仅 在2 0 0 4 年一年间就发生道路交通事故5 6 7 7 5 3 起，造成9 9 2 1 7 人死亡、4 5 1 8 1 0 人受份，直接经济损失2 7 7 亿元人民币。而根据大量的数据统计，不少交通事 故正是由于汽车高速行驶时，受侧风影响产生了非稳态转向，驾驶员难以及时 或没有足够的经验消除侧风的影响而产生不正确的反应，致使汽车行驶稳定性 失控所造成的。因此，研究高速汽车在侧风作用下的操纵稳定性，以提高汽车 的主动安全，具有极其重要的工程应用价值u 叫。 以往的研究，多采用人工阵j x l 模拟器产生阵风的方法，做汽车侧风稳定性 方面的道路试验。但侧风道路试验具有相当大的危险性，而且投资大，试验结 果容易受主、客观因素的影响和制约。随着计算机技术的发展，各种相应软件 的开发研制，计算机仿真技术己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了快速预 武汉理j ：人学硕士学位论文 估汽车空气动力学性能的手段u ”1 。 总而言之，由于侧风稳定性直接关系到乘员和车辆的安全，有必要在高速 汽车的设计阶段对其加以预测和确定，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。目前汽车的高速行驶稳定性和瞬态转向特性己成为世界各 大汽车公司研发新车型的关键技术之一。而我国在汽车空气动力学中有关侧风 对汽车响应特性影响的研究还比较缺乏。研究高速汽车在侧风作用下的操纵稳 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。 1 2 国内外汽车侧风稳定性研究概况 侧风作用下汽车响应特性的研究，主要针对整个汽车系统的侧风稳定进行 分析，它属于汽车操纵稳定性研究的方向之一。早期的汽车由于速度较低，侧 风稳定性问题还没引起研究者的重视。最早提出汽车侧风稳定性问题，是针对 具有较高车速的赛车。国外有关该方面的研究可追溯到2 0 世纪3 0 年代，但 研究成果的取得大多是在2 0 世纪5 0 年代以后。 1 9 3 0 年由卡姆教授领导的德国斯图加特车辆科学研究所，首次进行了汽车 稳定性和直线行驶能力的研究。他在其研究中指出，对于大阻力的带棱角的车 型气动阻力系数随侧偏角的增加变化很小，而对于流线型汽车，随着侧偏角变 化，阻力系数有很大变化，即低阻汽车侧风稳定性差u 。 1 9 5 0 年，在联邦德国的斯图加特进行了采用人工阵风模拟器产生侧风来研 究汽车侧风稳定性的第一步尝试。试验中使用单台航空喷气发动机，令其喷出 的气体横吹过试验场以模拟风速阶跃。试验车辆上安装着测量相对于三个坐标 轴的线加速度和角加速度的实验仪器。由于此试验的阵风体积有限，使得记录 仪器的反应时间相对于阵风模拟器所产生阵风的持续时间显得过长，因此后来 的研究常常采用的是多台喷气发动机u b 。 1 9 6 8 年，l a c o v o n idh 采用三自由度汽车模型，对人工产生的侧风干扰进 行固定控制，通过与试验数据的对比分析，证明了对闭环系统中驾驶员控制因 素的数字模拟的可行性，为车辆驾驶员系统的性能优化提供了有效的手段。 研究中外界瞬时气动侧力是通过一个高压空气喷射系统产生的人工阵风来模拟 的，产生的侧向力大小约为1 5 0 磅( 约6 6 6 7 8 n ) 。安装的方法是使喷射系统的喷 嘴轴线垂直于汽车的纵向对称面，并位于估计的风压中心处u 引。 2 武汉理t ：大学硕十学位论文 1 9 7 3 年，h u c h owh 和e m m e l m a n nhj 对侧向阵风环境下车辆气动导数进 行了理论研究引。研究指出，影响汽车侧风敏感性的气动导数主要是气动侧力 系数和横摆气动力矩系数。他们运用细长体理论首先计算了静态条件下的气动 侧力和横摆气动力矩，计算结果与在大众公司做的全尺寸风洞试验具有合理的 一致性。接着将该理论用于瞬态侧向阵风下的气动导数计算，建立的数学模型 体现了行进中的汽车的气流流动及瞬态效应，结果显示阶跃阵风下的气动导数 值比静态气动导数值要高。 赛伯一里尔斯基( s c i b o r - r y l s k iaj ) 和m i l i k e nwf 于1 9 7 5 年前后对汽车 的空气动力特性做了大量的理论分析，并对前人工作做了系统的总结，为汽车 侧风稳定性的研究做出了卓越的贡献u 。 1 9 7 9 年，美国的a l e x a n d e r a a 和b r i s a nsr 等人在维吉尼亚州立综合大学 的驾驶模拟器上，就不足转向量、控制灵敏度、风压中心位置对人一车系统操 纵性能的影响做了较系统的研究1 。选取的试验人员以前从未有过驾驶模拟器 的体验，更无随机阵风和阶跃阵风中驾驶的专门经验。根据试验者的主观评价 及试验记录的数据显示，相比不足转向量与控制灵敏度两个因素，风压中心位 置的改变对车辆操纵性能的影响起主导作用。 1 9 8 0 年，r i c h a r dhk 和j e f f r e yrh 对本田雅阁轿车、雪佛兰旅行车、福特 的e c o n o l i n e 载货车、大众面包车、福特皮卡露营者五种具有典型代表意义的 车型高速汽车侧风响应特性的虚拟实现与改善措施研究进行了一系列的侧风响 应试验引。所采用的侧风发生器能产生3 5 英里小时的风速，侧风带宽度1 2 0 英尺。试验结果显示，除后两种车型在风速较大时会有侧风敏感性问题外，另 三种车型都满足侧风敏感性的要求。并指出，影响侧风作用下汽车横摆响应灵 敏度的主要参数为：风压中心到四个车轮合力作用点的距离、轮胎回正力矩、气 动侧力。 1 9 8 5 年，u f f e l m a n nf 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，并考虑了驾驶员的反应，提出了在侧风条件下可以由风敏因子w s 作为 评价指标来综合评价汽车的操纵性u 引。 1 9 8 8 年，n o b u ok 和m i n u r oy 采用比例模型及数字仿真研究了侧风带来的 车辆系统不稳定的原因，通过车身外表面的气流显示和压力分布测量，为横摆 力矩峰值出现在汽车驶入侧风带某一特定位置时的现象找到了科学的解释旧。 1 9 9 0 年，c o l e m a nsa 和b a k e rcj 就车辆在侧风环境下行经斜拉桥时的空 3 武汉理一r ：人学硕士学位论文 气动力学特性进行了研究。研究成果基于一铰接牵引拖车1 5 0 比例模型的系列 风洞试验“。模型固定在桥梁面板上。试验在低速湍流下进行，通过放置在风 洞工作段入口处的一个栅格产生气流扰动来模拟低速湍流。试验内容包括湍流 下车辆所受力和力矩、表面压力的测量，以及汽车周围的流态显示。结果表明， 气流扰动对车辆的空气动力特性有一定的影响，尤其会导致在车顶靠下的区域 升力的显著增大，同时表明对气流扰动的模拟还有助于事故风险的评估。2 年后， 为探索降低大风中行驶的铰接牵引拖车事故风险的有效方法，他俩在前面的研 究基础上进行了更深入的风洞试验研究。结果显示，安装有阻风板的车辆，气 动力会大大降低，事故风险显著下降，而对于拖车边沿的圆角设计只能使事故 风险适当降低。1 9 9 4 年，他俩做了大量车身表面流态显示的油膜试验，并测量 了各气动力系数和气动力矩系数。非定长流测量结果显示侧向力的扰动很大程 度上是由于周围空气紊流扰动造成的，同时升力的扰动是由尾流分离导致的大 范围的气流不稳定造成的。 1 9 9 4 年，t r a i lvt 提出了一种改善车辆侧风稳定性的侧风前馈控制方法， 初步探讨了瞬态侧风对车辆动态稳定性的影响曙引。通过车辆主动前轮转向控制 的实例分析，阐释了侧风前馈控制理论。仿真分析结果证实了前轮转向、后轮 转向以及四轮转向的频域前馈控制分析的正确性。他在其研究中指出，对于前 轮转向，侧风对车辆运动变量( 侧向加速度或横摆角速度) 的影响完全可以通过 动态前馈控制来补偿对于后轮转向，只可能通过动态前馈控制补偿横摆角速度 在改善车辆的侧风稳定性方面，主动前轮控制比主动后轮控制的效果要好。 1 9 9 6 年，h o w e l ljp 在英国的米拉全尺寸风洞里对罗孚8 0 0 轿车做了风洞试 验，通过在车身不同部位布点的方式获取了车身表面各处的气动载荷分布情况， 根据试验结果推断出了气动侧力和横摆力矩的分布u 副。 2 0 0 1 年，w a l l e n t o w i t zh 等人提出了一种评估在自然侧风条件下车辆运动特 性的方法，并依据试验结果对驾驶员的行为进行了数字的模拟，建立的模型被 用来研究驾驶员和车辆之间的闭环特性比引。这些研究可作为进一步研究驾驶员 行为以及开发在车辆设计的初始阶段就能考虑驾驶员的行为和感受的工具的基 础。同时他们指出，主动动态控制器的引入将为解决流线型好的汽车往往侧风 稳定性差的问题提供可能。 在道路试验方面，世界各大汽车公司和一些研究所都用侧风发生器进行过 侧风稳定性的测试与研究，如奔驰、大众、通用、丰田、菲亚特、荷兰陆上车 4 武汉理一i ：人学硕士学位论文 辆研究所、日本汽车研究所等6 。通常这些试验的投资费用昂贵，因此在2 0 世 纪9 0 年代出现了用计算机来模拟该类试验，并对汽车高速行驶侧j x l 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 了自己的虚拟现实丌发中心，原英国的劳斯莱斯、法国雷诺、只本丰用、意大 利菲亚特以及瑞典沃尔沃等汽车公司，正在积极开展有关工作，以期解决上述 问题，但仍处于起步阶段比“。 国内对汽车侧风稳定性的研究起步较晚，目前在理论和实践上均处于探索 阶段。湖南大学的谷正气教授于1 9 9 3 年就气动力对汽车性能影响的研究，拉开 了国内该领域研究的序幕比引。在接下来的十几年间，他领导的科研小组持续进 行了非稳态侧向风对高速汽车瞬态转向特性的影响研究，并在汽车控制、侧风 风谱的建立、计算机模拟方面取得了一系列研究成果，填补了国内研究的空白 2 9 ，3 0 o 1 9 9 4 年，郭孔辉院士分别采用二自由度和四自由度汽车模型，对a u d i l 0 0 轿车在转向盘固定条件下的侧风响应进行了仿真分析，并研究了结构参数对侧 风稳定性的影响引。1 9 9 7 年，原吉林工业大学的傅立敏教授对红旗c a 7 7 4 轿车 1 3 种改型方案的空气动力特性进行了分析比较，提出了一些提高车辆高速行驶 时的直进性和侧风稳定性的措施u “。2 0 0 2 年，同济大学的江浩等人就风力对跨 海大桥上行驶车辆的安全性进行了分析，通过计算求得了行车安全的极限风速 副。2 0 0 4 年，中南大学高速列车研究中心的周丹、高广军等人采用流场数值模 拟计算方法，研究了侧风作用下双层集装箱平车的气动特性及行驶稳定性 硼。 1 3 虚拟样机技术简介5 1 1 9 9 0 年1 0 月2 9 日，美国波音公司正式启动波音7 7 7 飞机研制计划，采用 一种全新的设计与制造方式，4 年半之后，于1 9 9 4 年6 月1 2 日直接进行了第l 架波音7 7 7 的首次试飞。波音7 7 7 飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术， 整机外型、结构件和整机飞机系统1 0 0 采用三维数字化定义，1 0 0 应用数字化 预装配，整个设计制造过程无需模型和样机，一次成功，首次实现了整机数字 化设计、数字化制造和数字化协调。对比以往的飞机研制，波音7 7 7 成本降低 了2 5 9 6 ，出错返工率减少了7 5 9 6 ，制造周期缩短了5 0 。波音7 7 7 的研制成为现 代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发 5 武汉理l f k 学硕l 学 _ ：论文 ( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t v p d ) ，应用的，f 发技术称之为虚拟样机技术 ( v i r t u a lp r o t o t y p i n g v p ) 。 借助于虚拟样机技术，1 稃师们u t 以往计算机卜建立机械系统的模型，伴 之以二i 维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真 结果精化和优化系统的设计- ，过程。 虚拟样机技术的应用贯串在整个没计过程当巾。它可以用在概念设计和方 案论证巾，设计师- 以把自己的经验与想象结合在计算机址的虚拟模型- n 让 想象力和创造力得到充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验证啦计时，” 发间期缩短，设计质量和效率得到了提高。如图1l 所示，在虚拟产品丌发过 虚枞产品 发洗 圈1 - l 传统产晶开发丁虚拟产品开发流程比较 程中，起到核心作用的是虚拟样机( v i r t u a l p r o t o t y p e ) ，它统一了产品丌发过程 中的产品设计样机建造测试评估过程。 武汉理l ：人硕士学位论文 虚拟模型技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力 学建模理论及其技术实现。作为应用数学得一个分支的数值算法及时地提供了 求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发 展为这项技术提供了友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟模型技术 的应用提供了技术环境。 国外虚拟模型技术的商品化过程早已完成。目l j 有二十多家公司在这个日 益增长的市场上竞争。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 。a d a m s 占据了市场的7 0 。 本文后续也将运用机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，建立在侧向风作用下的汽车多自由度 动力学模型，并进行操纵稳定性方面的虚拟试验。 1 4 本课题的主要研究内容 本文的研究涉及到以下几个方面： ( 1 ) 提出实际侧风问题，并对侧风进行分类和模拟。 ( 2 ) 建立侧风作用下三自由度汽车动力学模型。该模型相较传统的二自由 度模型，考虑了侧倾运动，可以较精确的反映侧风作用下汽车的运动状况。通 过该模型研究侧风作用下汽车的稳态横摆角速度。 ( 3 ) 应用虚拟样机技术，通过分析整车的简化步骤及建模原理，建立整车 虚拟样机模型，并在模型上加载侧风作用。 ( 4 ) 运用虚拟样机模型进行侧风稳定性仿真试验，研究汽车在直线行驶工 况下的侧风稳定性，从飙压中心前后位置、高低位置、车速等方面来考察汽车 侧风稳定性的影响因素。 ( 6 ) 运用a d a m s i n s i g h t 模块分析汽车设计参数对其侧风稳定性的影响， 以期从众多参数中找出对侧风稳定性影响较大的，以便后续进行优化设计的时 候减小工作量，提高效率。 7 武汉理下大学硕十学位论文 第2 章汽车的空气动力学特性 汽车行驶时，受到复杂的力的作用。除了受到来自于地面的力外，还受到 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、汽车周围环境和自然风决定。 2 1 影响汽车操纵稳定性的气动六分力 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“圳。在对称气流( 横摆角= 0 ) 作用时，阻力e 和升力f 同 时存在，另外还有纵倾力矩m ，( 对y 轴) ，三个分量f 、f 、m 。完全决定了产 生气动力的矢量。在有侧风的情况下( 横摆角0 ) ，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f ，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 、f ，、f 和m 。、m m ，决定了总的气动力矢量。这 图2 - 1 汽车空气动力学坐标系 8 武汉理t 大学硕+ 学位论文 三个气动力的合力在汽车上的作用点，我们通常叫做风压中心( c e n t e ro fa i r p r e s s u r e ) 。记作c p ，由于汽车外型的对称性，风压中心在汽车的对称平面内， 但它不一定与重心( c g ) 重合。 影响汽车操纵稳定性的气动力可分为四组： 1 气动阻力：关系到燃油经济性和动力性； 2 气动升力和纵倾力矩：关系到附着力和牵引力； 3 侧倾力矩：关系到侧向稳定性： 4 侧向力和横摆力矩：关系到侧风稳定性和直线行驶性。 2 1 1 气动阻力 气动阻力f 是与汽车运动方向相反的空气力，通常可用以下公式表示： e = i 1 彳眠2 e ( 2 1 ) z 式中4 一汽车迎风面投影面积； k 一合成气流相对速度，也叫来流速度； p 一空气密度，标准状态下其值为1 2 2 5 堙m 3 ； c 。一空气阻力系数，由风洞试验确定。当汽车受侧风作用时，气动阻 力系数有增大趋势。 空气阻力对操纵稳定性的影响首先通过驱动力表现出来，因为空气阻力是 靠驱动力来平衡的。空气阻力的增大意味着驱动轮上发出的驱动力也必须相应 增大，在增大了的驱动力作用下，驱动轮的侧向有效附着系数和侧偏刚性将会 降低，从而使高速时驱动轮的侧偏角急剧增大。 2 1 2 气动升力与纵倾力矩 由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： e = i 1 彳肌2 c z ( 2 2 ) 式中 e 一气动升力系数。 空气纵倾力矩的计算公式如下： 9 武汉理- j ：大学硕士学位论文 m y = 彳lp v 。2 c m ， ( 2 3 ) 二 式中 c 盯，一纵倾力矩系数； 三一轴距。 升力和纵倾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二次曲线式的增加趋势，对侧 风稳定性的影响很大。 2 1 3 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x 轴的侧倾力矩。侧倾力 矩的表达式为： 1 m 。= 4 l p v 。2 c m ， ( 2 4 ) 二 式中 c m ，侧倾力矩系数。 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 1 4 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 ，二是外界自然风与汽车的行驶路线斜交时。侧向力的表达公式为： 1 = 5 a p v 。2 c ， ( 2 5 ) 二 。 式中，c v 獭0 向力系数，指的是汽车外形对侧风的敏感性。侧向力系数c ，近似 的与横摆角成正比，即d c 。d p = 常数k ，称k 为外形系数。 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： 1 0 武汉理丁大学硕十学位论文 m ：= a l p v , o2 c ，： ( 2 6 ) 二 式中 c m ：一横摆力矩系数 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z 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 2 侧风对汽车操纵稳定性的影响 2 2 1 侧风干扰 汽车在行驶中，常常受到侧风的干扰，如果驾驶时不及时转动方向盘，汽 车将向顺风方向偏移。侧向气动力将引起轮胎侧偏角，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 增加行驶危险性瞄“。 汽车被推向顺风方向的偏移距离称为侧向偏移，它是评价汽车侧风稳定性 的主要参数。侧向偏移与侧向风风力大小有关，还与汽车外形、重心位置、悬 架与轮胎等有关。图2 2 是一项关于侧向偏移的研究，对车前部和后部分别附 加侧板。由计算及实验值可见，前者与基本车型相比侧向偏移变化较大，而后 者无多大差异，这就说明前部体积较大的汽车不如后部体积较大的汽车的方向 稳定性好。 2 毫 协 ei 蠢 n 图2 - 2 汽车形状与侧向偏移 fj ，。? ， 钐 钐 o1 02 03 04 05 06 07 0 行走距离( m ) 图2 - 3 阻力系数与侧向偏移 引起侧向偏移的主要力是侧向力和横摆力矩，与之相对应的气动力系数是 c 和c 肘：。气动阻力系数e 与侧向偏移亦有关系，一般来说，e 值较低的汽 3 2 ， 暑v浍毯墨罨 武汉理：i ：人学硕十学位论文 车对侧风比较敏感，如图2 3 所示。 2 2 2 实际侧风问题 实际侧风并不是稳定的，而是受环境影响不断变化的，这将导致作用在汽 车上的相对气流速度随时会发生变化。 汽车上的气动力将随相对气流速度的变化而变化。相对气流速度的变化可 能来自汽车本身的运动，也可能来自外界，这种外界原因通常是自然阵风和人 工阵风，当相对气流的速度大小和方向发生变化时，就会引起作用在汽车上的 气动力产生变化比圳。 1 自然阵风 自然阵风的风向和风速都可能随时问而无舰则地变化。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。 对自然阵风的研究表明，风速的变化曲线稍微有些呈正弦波特性，但多半是线 性的。 阵风的持续时间和它相对于汽车的大小对汽车的驾驶十分重要。当阵风持 续时间和它的范围远小于汽车的大小时，汽车可以疾驶而过，驾驶员对短暂的 气动力变化无须做出反应。当阵风的持续时间较长且它的范围比汽车大小大许 多倍时，汽车受气动力变化影响的时间长，驾驶员必须进行相应的操作来加以 修正。 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 力的变化。图2 - 4 中列出了汽车在桥头附近道路上行驶时，由于桥头建筑物的 影响所造成的侧风速度的变化情况。 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l o 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。 1 2 武汉理t 大学硕十学位论文 ( 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。因此，轿车驾驶员在超车时必须加倍小心，否则就会酿成事故。图2 5 中显示出了超车时，作用在小轿车上的横摆力矩的变化。 由图可以看出，随着超越距离的变化，作用在轿车上的横摆力矩有着不小 的变化。因此，汽车驾驶员必须及时地做出必要的修正动作以保证会车的安全。 ： 、? ；ll ；夕 罡固 i - , i p 划l ；ii l 。口a 口 图2 - 4 桥头建筑物引起的阵风图2 - 5 超车过程中的横摆力矩变化 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j x l 稳定性的研究主要以阵风为主。实验研究时， 一般用侧风发生器来模拟阵风，通过人一车系统的动态测试分析操纵稳定性。 阵风是一种自然现象，常常无规则发生。阵风的主要特点是风速在有限的 时间内突然加大，无限猛烈的阵风在自然界是不可能存在的，同样，风速持续 不变的稳念侧风也是不存在的。风速一般是从零或者很小的初速增大起来的。 对自然界的研究似乎说明，风速的变化曲线稍微有些呈正弦波，但多半是线性 的( 特别是强大、剧烈，并且持续时间较长的阵风，而且可以描述为较圆滑的 平缓过渡) 。 估测阵风的持续时间和它相对于汽车的大小是十分重要的，当阵风持续时 间和它的范围远小于汽车的大小时，汽车可以疾驶过阵风，而对瞬时改变的状 况无需做出反应。另一方面，如阵风持续时间和它的范围为汽车大小的许多倍， 汽车受空气动力影响的时间较长，行驶状况相应要做出改变。 1 3 武汉理t 大学硕+ 学位论文 于是，对瞬时气动力的分析研究就不得不集中在研究外界“速度阶跃 是 如何影响汽车运动的。每次阵风均由正向速度阶跃、阵风持续和负向速度阶跃 三个阶段组成。与此类似，当一辆汽车每次驶入其他一些车辆的尾流区时，它 0a 阶跃变化的阵风t 0b - - l 缓增人的阶风t 只 0c 止弦波形阵风t 0d 随即阵风t 图2 - 6典型阵风形态 先要经过一个负向速度阶跃，随后再是正向速度阶跃。在这两个速度阶跃之间 所经历的时间是十分重要的，因为这段时间就是驾驶员做出转向反应和汽车自 动响应的时间，从而是或者获得良好的阻尼，或者使摆动进一步增大。 本小节模拟的侧风共有四种形式：变化迅速( 阶跃) 的阵风、平缓增大的 阵风、呈正弦波型的阵风、在一定范围内随机变化的阵风u 饥驯1 。其中随机变化 的阵风主要根据实际风谱数据系列进行模拟的。阶跃变化的阵风在自然界很少， 而平缓增大的阵风，往往是出现在汽车经过建筑物旁边时，而正弦波型的阵风 则是对自然界常见阵风的简化和模拟，这种j 下弦波趋势由图2 - 6 d 可以看出，随 1 4 武汉理j ：火学硕士学位论文 机变化的阵风足自然界最常见的阵风形式。 2 3 本章小结 本章详细介绍了汽车在行驶过程中所受到的气动力和气动力矩，包括阻力、 升力、侧向力、纵倾力矩、侧倾力矩、横摆力矩。从侧风干扰和实际侧风问题 两个方面分析了侧风力及力矩对汽车操纵稳定性的影响。提出实际侧风问题， 并对侧风进行了分类和模拟，把实际侧风分为自然阵风和人工阵风，通过对实 际阵风数据的分析，将阵风模拟为四种形式：阶跃变化阵风、平缓过渡阵风、 正弦变化阵风和随机变化阵风。 1 5 武汉理一r ：大学硕士学位论文 第3 章侧风作用下汽车动力学模型的建立与分析 对汽车在侧风作用下操纵稳定性能进行仿真，分析汽车在各种侧向气动力 作用下的操纵稳定性能，需要建立汽车动力学模型。本章建立考虑汽车侧向气 动力作用的三自由度汽车动力学模型，得出了车辆稳态转向特性的评价指标( 稳 态横摆角速度增益、侧向速度增益和侧倾角增益) 与气动力的关系，并分析气动 力对车辆稳态转向特性的影响。 3 1 三自由度模型建立 3 1 1 坐标系选择 取套固定于汽车上的相对坐标系统，以汽车静止时的重心沿铅垂线与侧 倾轴的交点为原点，以汽车纵向水平轴为x 轴，以前进方向为正。在x 轴所在 的水平面上，过原点与轴垂直方向为y 轴，以汽车左侧方向为正。过原点与x 、 y 轴垂直方向为z 轴，以向上方向为正3 8 圳。 z 、 k x r 7殛一。 雌 j ：i ；，心 f 厂、 1 厂、 c 口b 图3 1三自由度车辆模型 1 6 武汉理- 大学硕十学位论文 图3 1 为简化的三自由度车辆模型。车辆坐标系的原点与车辆质心重合，这 样，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 为常数模型中忽略转向系统的影响，直接以前轮转角6 作为输入，车辆的运动 为沿y 轴的侧向运动、绕z 轴的横摆运动和绕x 轴的侧倾运动，共三个自由度。 相对于传统的两自由度的模型，三自由度模型记入了悬架对汽车侧风稳定 性的影响，考虑了悬架上质量的侧倾运动。保证模型分析结果无论是在定性还 是定量上面都有一定的准确性。同时系统做如下假设： ( 1 ) 汽车没有垂直方向的振动。 ( 2 ) 汽车没有绕y 轴的俯仰运动。 ( 3 ) 不及转向系的弹性和间隙，认定方向盘转角与前轮转角成比例关系，且 两前轮转角相同。 ( 4 ) 忽略汽车在x 方向即行驶方向的空气动力学阻力特性。 ( 5 ) 不考虑z 方向上的空气动力作用。 ( 6 ) 汽车的侧向加速度限定在0 4 9 以下，汽车轮胎的侧偏特性处于线性范围 内，各轮胎机械特性相同。同时驱动力不大，不考虑地面的侧向力对轮胎的侧 偏特性的影响。 3 1 2 模型的运动微分方程 根据上面的模型，可以列出如下的运动微分方程： 汽车沿y 轴方向力平衡，有： 只+ r 一= 锄( + 缈，) 一m ，矗缈 ( 3 一1 ) 汽车绕z 轴力矩平衡，有： 嵋一色巴+ d 0 = i ：，+ i 船伊 ( 3 2 ) 汽车绕x 轴力矩平衡，有： b e = ( q + 皿) 伊+ ( q 1 + 巳2 一m ，砂) 缈+ i x 矿+ q m ，h u ( p + q ) ( 3 3 ) 1 7 武汉理1 ：大学硕十学位论文 3 1 3 符号说明 m 一整车质量： m 。一悬挂质量，包括车架、发动机、汽车的主体车身和乘客； ，一整车绕z 轴转动惯量； ，z 悬挂质量绕x 轴转动惯量； i x z 一悬架上质量绕x ，z 轴惯性积； 口一汽车质心到前轴的距离； 易一汽车质心到后轴的距离； c 一汽车质心到风压中心的距离，本文规定风压中心在质心后为正； 乃一侧倾力臂； 办侧风作用力臂； 巳，一前悬架侧倾刚度； c 。：一后悬架侧倾刚度； d ，一前悬架侧倾阻尼； d ，悬架侧倾阻尼； k ，记入转向系综合刚度的前轴轮胎有效侧偏刚度； k ，一后轴轮胎的侧偏刚度； 一汽车质心处的侧偏角； c o 。一汽车横摆角速度； 缈一汽车的侧倾角； 列一汽车沿x 轴的前进速度，视为不变； 万一前轮转角； 、口：一汽车前后轮的侧偏角； e 一侧风在汽车风压中心的作用力，根据上一章的内容，侧风作用力可表 示为：c = 去彳眠2 c ， e 、e 一地面对前、后轴轮胎的侧向反作用力，即侧偏力。 3 2 轮胎特性的线性化处理 侧偏力的大小取决于侧偏角，侧偏角与汽车的运动参数有关，如图3 - 1 ，汽 1 8 武汉理i ：人学硕七学位论文 车的前后轴中点速度为h ，、秘：，侧偏角为口，、口：，质心处的侧偏角为，孝是“， 与x 轴的夹角，其值为：孝：+ a c o r “ 根据坐标系的规定及几何关系，前后轮侧偏角分别为： 口：+ a o ) r 一万，口：一b o r “材 在汽车操纵稳定性的计算动态仿真中，轮胎特性是一个关键问题。由于轮 胎的侧偏特性除了与轮胎的结构、气压等因素有关外，还与汽车运动中车轮的 负荷转移、车轮倾角以及轮胎与路面的附着情况等有关。这些因素造成了轮胎 侧偏的非线性，在侧向加速度很小时，这些因素的影响不明显。当汽车运动的 初态与终态的向心加速度系数产与路面的附着系数够相比不太小的情况下，轮 胎的侧偏特性己非完全线性，但非线性的程度不是很严重，只要采取适当的线 性化方法，就可把汽车近似地看成相应的线性系统，并有较好的近似程度。 由于转向系与悬架不是绝对刚性的，故在侧向力的作用下，前后轮有附加 转角。这种附加转角可以看成是与所受的侧向力成正比，而且可以忽略其与侧 向力的相位差。因此，可将由前后轮侧向力造成的附加转角与前后轮胎侧偏角 合在一起，看成是总的“有效侧偏角”与口，。 前后轮受到侧向力分别为 e ：k 。( + 堡一万) “ 最：k ：( 一与 甜 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 将上两式代入式( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) ，整理后得三自由度汽车运动微分 方程式为： 一e + ( k l + k 2 ) , f l + ( k l a a 彻一k 2 b ) 缈r k l 万：m u 1 3 一m ，五； ( 3 6 ) 。 u u 以+ ( 口k ，一b k ：) + ( 生+ 壁) q 一口k 1 万：易毒+ k ； ( 3 7 ) “u 办。e + m ，h u e ) ，一( 巳l + q 2 一m 。劝) 伊= 一m ， “+ i x z 力，+ ( d ，+ d ，) 缈+ ，x 妒 1 9 ( 3 - 8 ) 武汉理t 大学硕十学位论文 3 3 稳态方程 当车辆达到稳态后，横摆角速度国，为定值，此时= 0 ，彩，= 0 ，缈= 0 ， 够= 0 ；另有： e = i 1 彳肌2 q = 三彳肌2 k p 将以上带回式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) ，得到 ( k 。+ k ：一i i 肌2 彳k ) 詈+ ( a k i b k 2 ) c o ， ( 啦一般：+ 丢。2 彳) 三+ 口2 墨+ 6 2 k 2 一墨万= m u c o ， ( 3 9 ) ( - 0 ，= a k l 万 ( 3 1 0