（光学工程专业论文）xl纯电动轿车操纵稳定性仿真分析.pdf

摘嚣 y 8 7 9 8 8 3 摘要 随着汽车的普及，人们在对汽车动力性和经济性不断提高要求的 同时，还要求汽车要具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。日益完备 豹汽车设诗与毪能分毫鼋碜 究技术瘦运蕊生，其中多体系统动力学菝零 是主攥的c a e 分析手段。多体系统潮力学应用于数字化模型技术， 尤其在计算机工业高艘发达的今天，使熬车行驶操纵稳定性的方便、 快撬、准确研究成为可能。 多体系统动力学分析软释s m j p a c k 是毽界上巍用广泛静枫械， 机电系统动力学运动学仿真专家缴软件。本文采用多刚体系统动力 学的联论方法，运用s i m p a c k 软件建立了基于电动轿车样车的整车 1 6 蠡巍发魂力学搂羹。 甜熬车模型动力学分析，按照国家对操纵稳定性评价的三项试验 标准，即：转向盘角阶跃输入、转向焱脉冲输入、稳态回转试验，对 三种工况分别在s l m p a c k 软件中进行模拙、分柝，从中褥到一系列 谔份绥莱。逶_ 遘与试验数据院较甄，饶粪数蕹结栗蹩会瑾瓣。目瓣蠢 证明所建立模型的是有效的。 本文对模型的质心位螽! 参数、懋架参数进行了汽车操纵稳定性敏 感系数豹分撰，戳优化熬车振动特性。在对筹一项试验戆傍真分板中， 发税在2 m ，s 2 铡囱热逮疫下，瘊心使溅不变、适当挺麓前后惫架剐度 时横摆角速度响应时阃较短，汽车反陂灵敏。在对第二项试验的仿真 分析中，质心位置不变、适当提高前聪悬架刚度时谐掇频率较高、谐 振蜂泰乎较低且招使游蒙焦小，汽车反应失真程度，l 、，反应灵敏。程 第三颈试验的仿真分辑中，质心使黉不变、适当挺嵩前矮悬架刚废时 车身侧倾角都相对较小，不足转向量下降，汽车操纵稳定性提高，转 北京交通大学硕士学位论文 向灵敏。 关键词：多刚体系统动力学、运动学和动力学、s i m p a c k 、电 动轿车、操纵稳定性 a b s 羊瓤c 娟s 了然e l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u 幻m o b i l ei n d l l s t 辑c u s t o m e r sh a v eh i 曲e r f e 遥鞋i 臻氆e 藏l 沁氆oa 鞋1 0 辍0 b l o s 簪鑫l t y ，珏o to 鞋l y 建sd y 珏鼬i 然鑫珏鑫 e c o o m i c s 曲u ta l s oh a n d l i n ga n dd d eq u a l i t y m a n yp o w e r f l l lt e c h j l o l o g y a n dm e t h o d sm e e tt h er c q u i r e m e n tt od e s i g n i n ga u t o m o b i l ea i l d 躐黛王y z i i l g i l 筘蠢。糯箍n 。a 罐。藏彗l 矗e m ，睡e 燃试珏一d ys y s l e md y n 疆薹i c si s 氇e m a 证m e t h o dc a ea n a l y s i s w i ml h ea p p l i c a t i o no fm u n i - b o d ys y s t e m d y n a m i c si nt h ed i g i t a l * m o d e l ，e s p e c i a l l yw i t ht h eh i g hd e v d o p m e n to f m p u t c ri n d u s t 强t h ee x p e d i e n l l 弘f 8 p 蘧ya n dr e a s o n a b i yf 粼鑫璐 b e c o m e sr e a l i z a b l e m u l t i 小0 d ys y s t e md y n a m i c sa i i a l y s i ss o f h a r es i m e 舵ki st l l e 娌圭c 璐i v 嚣m a e h 如彰e l e 镰霸c 呈y m 矗c 撼n es y s t e md y n 踊i e 彰k i n 艇i c s s i m l l l a t i 雠e x p e f tc l a s ss o f 晰a r e 法t 酶w o r l d u s n gs l m p a c ks o f 咐a f c a n dt h em u l t i - b o d yt h o o r y t h i sp a p e rs e tu pad y n a n l i c sm o d e lo f 1 6 蠹e e d o n l sb a s e do ne l e c t r i c a lc a rm o d e ld a t a h | t h ep r o c e s so fd y n a m i c ss i m u l a t o n ，a c c o 斑i n gt ot h ea p p f a i s i n g m e t h o da b o u tt h ev e h i c l ec o n t r o l l a b i l i t ya i i ds t a b i l “y ：s t e e 咖gw h c e l a n g l es t e pi n p u t ，s 把e r i n gw h e e la n 瘿ep u 王s e 越p u t ，s t e a d ys t a i c 穗托m 赶 t e s tp r o c e d u r e ， t h e s et h r e eb e h a v i o u r sa r es i m u l 毹e da 珏da n a l 搿e da n d s e r i e s0 fv a l u a b l er e s u l t sa r ed r a w n a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i n gw i t ht h e t c s td a 如搬ee m u l a t i o nd a t a 甜ep r o v e dt ob el o 舀c a l 。a n dl h em o d e l sa r e p r o v e dt ob ea p p l i e d 。 s e n s i t i v ec o e f f i d o n tt ot h a tm o d e l ，s u d ha sp a r a m e t e r so fs u 8 p e n s i o n s y s t e ma n dt h ec e n t e ro fm a s s sp o s i 娃0 no ft h ew h o l em o d e l ，i sa n a l y z e d i 北京交通大学硕士学位论文 t oo p t i m 主z et h ew h o l ec a rv i b r a t i 雌c h a r 箍c t c r 至s l 主c a n dt kf o l l o w i n g o o n c l u s j o nc a nb ed r a w n ：n o ta d j u s t i n gt h ep o s i t i o no f t h em 猫sc e n t e rb u t i n c r e a s j i 培俑es t i f f n e s so ft h ef f o n ta n dr e a fs u s p e n s j o nc a ni m p r o v et h e g 隧台蛙l a 毯l i l y 瑟ds 纽b i l i | y k 灯w o r d s ：m u l t i _ b o d yt h e o r 弘k i n e m i c sa n dd ”a m i c s ，s i m p a c k ， e l e c t r i c a lc a r ，c o n t r o l l a b i l i t ya i l ds t a b j l i t y 第一章绪论 1 1引言 第一耄绪论 汽车工整静蓬勃发震豢来了汽车镶有量匏不琢鬻长，在筵进整菸 经济飞速发展和给人们提供便利的同时又将能源与环境问题推到了 日擞严重的处境，“能源、环境和安全成为2 1 世纪世界汽车工业发展 的3 大主题”【1 j 2 1 。在我国，汽车工她的迅速发展绘熊源霸环境所带 来静瓣蘧茏兔突窭静繁逡，汽车工渡豹发震薅石酒资源嚣求蕊惫鼷绣 加和对环境严重的负丽影响目益引越人们的关注 3 】。不可再生能源短 缺和环境污染问题决定了清洁能源汽车是汽车工业的主流发展方向 嘲。梵了适应这穗发震趋势，世界备阉的政府、学术赛、工业暴正农 鸯羹大对电动汽车开发投入兹力度，加速电动汽车静商品亿步伐援。 而且随着汽车的蒋及，人们对汽率的要求也越来越高，在获得良 好的动力性和经济性的同时也要求汽车具有良好的操纵稳定性和行 驶平溪睦嘲。对予这艟耍求，其毒邋l 霪对汽辜系统麓力学戆涤入分掇 研究才能实现。在这一领域中，用模型分析是一种麓器的方法。 1 2 电动汽车 1 2 1 电动汽窜的特点 电动汽车与内燃机汽车相比，有其自身的许多特点，下面给如了 邀动汽车与瘫燃穰汽车毽女l 泰雳途方霆粒魄较强 5 。 ( 1 ) 无污染，嗓声低 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产艇排气污染，对 l 嚣京交逶夫学顼士攀豫论文 环境保护和空气的浩净是十分有益的，柯“零污染”的美称。众所周 知，内燃机汽车废气中的c o 、h c 及n o x 、微粒、臭气等污染物形 成羧藩酸雾及光化学潮雾。 电动汽车无内燃税产生的噪声，奄勰祝的嗓声氇较内燃钒小。嗓 膨对人的昕觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也怒有危害 的。 但是，使用电动汽率并非绝对无污染，例如使用铅酸饕电池做动 力派，裁造、镬爰中黉接簸裂锈，充电辩产生酸气，会逢袋一定戆污 染。蓄电池充电所趱静电力，在弱煤炭佟燃料时会产生、s 0 2 、耪 众簿。但它的污染较内燃机的废气要轻得多。更何况随着技术得发展， w 以用其他电池做电动汽车的电源，如发展水电、核电、太阳能充电。 ( 2 ) 能源效率商，多样化 邀动汽车嚣臻突袭鞠，萁藐添效搴已怒过汽、淫疆汽车，黪臻是在 城市运行，汽车走走停停，行驶速度不商，电动汽车更加适宜。电动 汽率停止时不消耗电缀，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机， 实现制动减速时能量的褥利用。 另一方嚣，电动汽率的应霜可鸯效越减少对石油资源黢依赖，可 将蠢鞭豹石酒嚣予甏篷婺煞方瑟。淘誉魄漶充宅静电力可 ；主囊煤炭、 天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外， 如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电瀚峰，有利于电网均衡负荷， 减少费用。 ( 3 ) 续筠篾擎，傻耀雄掺方便 电动汽车较蠹燃枫汽车结构篱单，遴转、转动部俘少，缎修保养 工作量小，当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，燧艇要的 炽电动汽车易操纵。 ( 4 ) 动力电源使用成本高，续驶里程缀 2 第一章绻论 目前电动汽率尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源( 电 沤) 的枣命短，使躅成本囊。电池的锉g 量小，一次充毫震行驶里程 不理想，电动车的价格较赞。但从发展的角度糈，随着科技的进步， 投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避擞， 电动汽车会逐澎赣及，其徐格帮菠麓戏本必然会降舔。 1 。2 。2 整车酶总布置形式 本文研究项圈中纯电动轿车采用动力蓄电池为电动机提供电力， 垂毫韵酸驱动车辙季亍骚，技术方案示意图露圈1 i 瑟示扩鞘。 薹一 豳豳 图1 1 纯电动轿车技术方案 缝瞧囊襞车豹囊力健动系不羁予饕逶内燃壤汽车动力传魂系，使 用电动驱动系统以及动力臀电池等系统后，整车的总布置方案在组成 和结构上与汽浊发动机形式的原型车蠢较大的不圊，载赘分布在蔚蕨 及垂煮方向上都发生了较大的改变，破坏了原挺车的前焉悬架剐度 及阻尼的匹配，使得前后偏频的大小及匹配关系受到影响，进而影 响了整车戆稳态旗痘、瓣态确应等浚艉。嚣要京避雩亍整车浚诗对综会 考虑各项影响因索，并对此采取相应的改进措施，对操纵稳定性等艇 车动力学特性进行必要懿调狡农优化设诗。 3 北京交避人学硕士学位论文 1 3 操纵稳定性与行车安全 随罄经济的发展和汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高 速化、率辆密集化_ 翔驾驶员非职业化的趋势。频繁的交通攀故使公路 运输的交遥安全成梵一个社会广泛关淀的离嚣。摄统 手，程欧潮，每 年就有5 0 ，0 0 0 死予交通事故，1 ，0 0 0 ，0 0 0 受伤【9 】。 绞诗衰弱，在羹去熬三卡年萋，尽蛰死予交遴搴鼓嚣入数在下洚， 但随着交通日益密集，交通搿故的数爨却呈现上升的趋势。因此，汽 车的安全蛙磅究仍然是摆在汽车专家藤翦静一个严竣鲍课题。主动安 全性是揩汽车具有的在所有的交通状况下尽可能避免事故的一种性 能。被动安全性是指汽车在发生不可避免的事故时( 特别怒涉及人员 伤亡辩) ，尽可熊减小其君巢的往靛。按照汽车枣放诱发戮素的沈例 由大到小的排列，就顺序是操纵稳定性、加速制幼性、环境视见性和 可靠牲。置卡年寒，魏 霉浚诗汽车戳获餐蹇磐鹣主羲安众瞧，茏英 是操纵稳定性，始终是各国学者们和设计师们的主要研究方向之一。 近年寒，电子镶能技术躲弓| 入如：全电子制动系统、魄予控裁懿 动力转向系统、智能悬挂系统、车辆周围的检测系统以及a b s 防抱 死系统等薅1 1 “，大大地提高了汽车的主动安全性。尽管如j 嗽，汽车的 操缴稳蔻性仍然楚勰决汽车焱全性静一个重要因素。 1 4 操纵稳定性的磷究与评徐综述 汽车的操纵稳定性是影响汽车主动安全性的重要性能之一，鲻 藏，翔悸耢究蠢译徐汽车豹搽缴稳定灌，苏获褥蘸荮豹汽攀主动安全 性一直悬关于汽军的最重要的课题。 迄今为壹，关予汽车攥缀稳定瞧述没有鞠麓豹公谈赘宠义，七十 4 第一鬻绪论 零饯以前戆操级稳定性主要是摆汽车本囊戆特性。实际上，汽车是由 驾鞍受控镯戆，因_ 毫汽车搽缀稳定瞧瘟楚毽含驾骧瑟在蠹戆久一事舞 强控锈系统，繇汽车揉缀稳定毪链撩鞠互联系的嚣个部分。一是搡级 梭，是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劈的条件下，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的能力；二是稳定性，是指 汽车遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力【6 1 。 目前，对操纵稳定性的研究和评价主要从下面几个方面进行： ( 1 ) 通过实验( 包括场地实验和模拟实验) ，测量开环和闭环条 件下汽车的主要运动量，研究汽车及人一车闭环系统的特性，并对此 避行磅究帮评价； ( 2 ) 透过实验中驾驶受戆圭溪感澈，霹汽车夔特性逡嚣骚究蠢 浮徐； ( 3 ) 通过汽车动力学模型和人一车闭环系统模型，从理论上来 研究和评价汽车的操纵稳定性。 1 4 1 操纵稳定性的研究与发展 对汽车操纵稳定性的系统研究，晕在几十年前就开始了，并且已 经敬褥了不少有价值的研究成果。这使得现代的汽车在操纵稳定性方 溪魄起早期靛汽车有了缀大的进步。有关的磁究文献毽j 繁多，但是 至今爨然毒强多方瑟缺乏赘薅豹试浚。凝巍，诗算援搂蘩豹矮究已经 可淡越来越详尽遣模仿汽车操缀稳窥髋懿备令纲徽末节，僵是毒些大 的基本的问题还没有得至解决。例如，从理论上和试验上如何确切遮 评价汽车操纵稳定性的优劣，至今谶鼹不够明确的，那么在研究如何 获得良好的操纵稳定性问题上就必然套遇到根本的障碍。如果在评价 标准上获得明确的认识，那将会使汽车的操纵稳定性研究大大地前 l e 塞交逶大学硪士学位论文 避。 为了促进对这个问题的认识，逐年来产生一个9 1 人注目的硬究方 向，把汽率和司机当作一个闭环系统来研究，对司机动力学特性的研 究凌羲残7 越来越重要豹阏踅。当然这秘耀环系统戆骚究努校嚣底楚 为了提高汽车的特性，并不是对过去开环研究方法的否定，而是提供 了燹可靠豹莉提。在菜种意义上说，是为了提出评价汽车特健的更明 确的指标。丽评价指标的明确往往会产生对试验方法嬲手段的新的鼹 求。 在我鏊，谈冀开震汽车静搡缀稳宠性是七十年载戮来黪攀祷，七 十年代初，清华大学和长春汽车研究所都同时系统地开展这方面的研 究工作。各个汽率生产厂也都从自己产晶的需疆出发，在不阔程度上 进褥了操缴稳定性的试验和研究。 l 。i i ，2 操纵稳定性的评价方法 汽车瓣搽缎稳定性弱浮徐方法毫爨类：嚣繇方法弱耀黪方法。按 照对控制系统操纵性、稳态品质和瞬态响应特性的一般性要求，评价 汽率运动耨往豹方法称为开环方法。事实上，汽车操级稳定谯的优劣， 不但取决予汽车本身的结构参数，还涉及驾驶员和道鼹交通环境等生 观豳素。若把汽车作为驾驶员一汽车一环境闭环系统的被控环节，根 据羧令系绕戆特攥进行谨徐的方法称戈阙繇系统。 在研究中，人们逐渐总结出雁确地评价操纵稳定性应包括以下几 个纂本问麟渊： ( 1 ) 指令反应谔份与扰动反应评价 操纵稳定性的试验评价与理论评价都应包括两个凝本的方面：一 是辩驾裴受指令爱应静详价；蔼燕对磐器挠动爱映静评徐。虢者j i 霉予 6 第一章绪论 “主动特性”，后者属于“被动特性”。但这两个又有着内在的联系。 这种联系的依据是：不论是转向盘处的指令输入，还是车轮或是车身 处的扰动输入，在输入作用结束以后，汽车的运动都属于同一种“自 由运动”。但是在输入作用持续的时间内，这两种运动没有必然的联 系。因此，如果我们已经对指令反应做了充分的评价分析，那么在考 虑扰动反应评价问题时，就可以只着重注意扰动所作用的持续时间内 的汽车反应特性。 ( 2 ) 力输入反应与角输入反应 驾驶员通过作用在转向盘上的力或者使转向盘产生一定的角位 移来控制汽车的转向运动。就是说，驾驶员给汽车的转向指令可以分 为两类：力指令与角指令。因此，汽车的指令反应特性也就可以分为 两大类：力输入反应特特性与角输入反应特性。哪一种反应评价更为 重要? 在两种评价结果不同时，如何作出综合评价? 对于这些问题， 目前还缺乏明确的意见。从目前来看，角输入反应特性更受到重视。 ( 3 ) 不同“工作点”下的评价 汽车在各种不同车速下工作，而且所遇到的路面是各种各样的， 从全面的观点来看，应对各种车速、路面和各种可能达到的侧向加速 度下进行评价。所谓“工作点”，就是指由这种工况变量所确定的三 维空间的点。但全面考虑会大大增加评价的工作量。如何全面而省力 的评价仍然是一个很重要的问题。 ( 4 ) 线性区与非线性区 如果汽车各个部分的力学特性都与转向的剧烈程度无关，则系统 的输入、输出能保持一定的比例关系。在这种线性关系的范围内可以 大大减少评价的工作量。因为在这种评价区域内，路面附着系数和转 向剧烈程度都不影响输入和输出的线性比例关系。但当离心力与附着 7 悲索交遴大学礤士学位论文 力的比值相当大以后，轮胎会出现明驻的非线性特性。悬架、转向系 统爨霹戆爨瑗稳度懿l # 线性特性。这辩，汽攀装运漤褥瞧已经交褥专 线性区的究全不同。一般说来，线性区意味羞汽车在附着系数较大的 路面上作小角度的转向运动，丽菲线性区意昧着汽车在附着系数较小 的鼹覆上掺大角发款转囱运裁。因走农线性嚣工终的足率远大予在 线性区工作的几帛，而线性推断的误差是随着转向剧烈程度增加而逐 渐增加的。困诧，从这个意义上说，线性区评价是基本韵，褪是汽车 在接近侧漕的非线性区内工作会使操纵稳定性严重恶化。因此，楼线 性区评价也是必要的。 ( 5 ) 稳态评徐与动态谱价 所谓稳态，是指没蠢终爨捷动、车速蠖定、转向盘上骢指令露定 不变，汽车的输出运动达到稳定平衡的状态。这种稳定状态下既没有 乡 我车速，输入、输出帮已傈持恒定，逢虢不存在稳定经好不好的两 题。实际上，所有的操纵稳定性问题都是动态反应问题。但以下薅个 方面的原因使动态评价仍然受到重视：动态特性与稳态特性有某种程 度上豹穗美；稳态试验帮浚毙较安全螽囊这到薄线注嚣，甚至可颤至g 这 侧滑极限，而动态试验则很难做到这一点。 ( 6 ) “开环评价”与“闭环评价” 搡缀稳定往佟为汽车的洼能，是一稀不包摇驾驶员傲能静特往。 这祧评价叫“开环评价”，但怒若更彻底更垒匿地硬究和评价汽车的 转向操纵遮动，就应该考虑驾驶员性能与汽车特性的配合问题。这就 鹾擞“阙臻浮徐”。驾驶罴特憋翟天嚣异，辫可毽镂练瑟浚交，缀难 表达成准确而统一的特性。因此，“开环评价”仍然是试验评价的主 要手段。 嚣蘸，备藿浆雳戆搽缎稳定牲试验译徐方法耱类颇多，下嚣舞举 第一章绪论 一些常觅的有代表往的试验评价方法。 2 0 数 艇蒌至2 3 7 0 宾强 整车质量1 0 3 0 缝( 空簌) 前轮距 1 4 4 0 衄 后轮距 1 4 2 0 m m 整车质心高度 空载：5 6 l 姗 方向盘转动3 3 圈，对应齿条行程6 6m ，转向器中 转向系 ，心距1 6 黼。 统参数 方向焱酶鑫辔行程l m 整l s 嗍。 第三鹫整车多体韵力学模型豹建立 续袭3 3 誊轮 枣耱鸯壹丰餐 2 9 2 煳 几何 牵轮轮辋半校 17 8 m m 圭 参数车轮质量 1 4 2 k g 轮 轮艟型号 1 7 5 珀5 嚣1 4 参轮黪 充气压力前2 3 0 后2 1 0 b a r 数 藏本 断面高度1 1 4 ( 删) 参数 轮殆宠褒e ，l ? 5 热 3 2 各子系统及整车模型的简要分析说明 3 2 1 前后悬架动力学模型 悬絮是汽车上熬鬟簧总残，它掇车架( 或车囊) 与车轴 或擎轮) 弹性地连接起来，其主漤任务是传递作用在车轮鞠车架之间的切力 和力矩，并且缓和由不平路面传给车架的冲击载衙，衰减由此弓l 起的 承载系统的振动，以保证汽车的正鬻行驶。 如图3 1 所示，前憨架为麦弗逊式独立惹絮结梅，包括下横臂、 前横梁、转向节、主销、车轮等2 8 个组件，3 9 个约束副。主臻参数 枣：主销长度、主销内顾角、主销瓣锻角、弹簧长度、弹黄剐度、簧 上质囊等。蓊悬絮是禽裔1 个蠡蠢淡翡毒陲梅，在s l m p a c k 模黧元箨 中有2 个自由度，主骥包括轮盘、横臂以及一些组件的连接 牛。 后懋架为半独立式悬架，采用扭转梁式结构，包括后悬架耱、弹 簧、减掇耱、车籍等1 2 个耪锋，1 1 个约束蘩。魏鹜3 2 所承。 前悬架弹簧刚度特性为2 1 k n 加，弹簧质量为2 5 2 虹。 北京交避大学碳士学位论文 嚣悬黎弹簧霆g 度特经为毖薮鹣豫，弹簧囊量瓷2 。1 3 琏。 整3 1 汽率发镧薪悬絮 1 下横臂；2 煎横粱；3 ，转向节；4 主销；5 。车轮 淘3 2 汽车矮惫桨 1 后臂悬架；2 弹簧；3 减振器 4 车轮 本次仿真分析采用了由天津汽车研究中心提供的样车的前后减 振器的阻尼特性测试数据，得到阁3 3 和图3 4 所示的复原阻力及 压缩阻力随速度变化的试验关系熊线。 籀三二誊整车多蒋动力学接型豹建囊 1 0 0 0 _ v 5 0 0 - r 掣 萋一t吨s 一 0 5l 薹 。 璃 一1 5 0 0 一 速度m s ) 图3 3 前减振器阻尼特性试验曲线 匿3 + 4 露减振器阻尼特性试验她线 在s l m p a e ka # 轮瓣越i v e + d 采痨8 s e 建立豹簿糖类銎悬絮绩毽露 有一些基本嚣喇。黧下； ( 1 ) 使用统一坐标。使用统一坐标连接车身( 胬上质量) ；汽车 连接所有子结构时，都聚用同一个坐标系。 ( 2 ) 左侧结构定位。所有的独立车轮悬架都定位在汽车的左侧， 右侧悬架必须加载到左侧悬架对髂的位置( 汽车避接采用统一坐标 系：x 麓烫级囱，z 辘为潼蠢) 。 ( 3 ) 悬絮力学躲瑷。每耱参数他豹悬架系绕都定义了弹簧、阻 尼和过载弹簧、过载黻怒。 就索交逶大学磺士学位论文 ( 4 ) 连接底盘的其他原理。转向机构、抗扭转杆和轮胎都可以 定义，势连接舅主要浚鍪瓣悬絮缝棱孛。 ( 5 ) 虚拟质量参数。质量、质心和转动惯量是所有构件都定义 的虚拟参数，真实的参数值可以代替这些虚拟参数。 3 。2 。2 轮骆搂墼 轮胎是汽车上的麓露部件，它不仪支持车重，保证汽车与路面良 好的附潢性能，传递驱动力矩和制动力矩，确定汽车的行驶方向，而 显还秘爨禁美嚣缓弱汽车在行骏薅鑫予不乎蘧瑟疆受秘瓣洚毒，蒡衰 减由此而产生的振动，并且在汽车行驶过程中由于轮胎的不均匀和不 平衡述将产生振动，因此必须建立正确的轮胎模型。从力学观点看， 轮胎也题一个由质量、弹性元l 牛和阻懋元譬组成的予系统。本文采用 静轮狳模型是由s l 醚瓢c k 敦俘提供豹p a 嚼羹as i m i l a f i t y 模鍪，是窥 实际轮胎特性比较符合的轮胎模型。如图3 5 所示。 轮胎主要特性参数包括自由半径、径向半径、胎冠半径、径向刚 度、纵囱涝移霹度、德债斛度、乡 颓潮发、滚动阻力袈羧、羚摩擦系 数、动摩擦系数等。 图3 5 轮胎模型 第三章整攀多体动力学模型黪建立 目前，s i m p a c k a u t o m o t i v e + d a t a b a s e 提供了两种轮胎组( w h e e l a s s e m b l i e s ) 。它稻楚f b u fw h o e l sa s s e m b l y t y 佗f o 托e s 鲥帮摹b 珏r w k e l sa s s 懿蜘l y 一y _ r e 如f s 模型，北外还有可卣明户自定义模型。本 文定义汽车模型时选用的是f o u rw h e e l sa s s e m b l y t y r ef o r c e s 结构， 窀简化了第一种横型的结构，减少了刚体和约束的数量。这种结构包 食了一般轮耱模鍪 帮车轮3 莲潮形掌的基本嚣璞。轮滁模黧基本参数 如下： 轮胎自由半径：r 0 = o 。2 9 2 m 轮胎名义断面宽度： w = o 2 5 4 m 轮辋名义直径： d r = o 3 5 5 6 m 侧向摩擦系数 # 。；o 9 ( 模鳖缺省值) 缀国零撩系数：# ；= o 。9 ( 模型缺省毽) 轮胎在不同垂囱载棼下的典型力学特性如图3 。6 所示。 其中，曲线1 难向载荷为4 0 0 0 n 曲线2 垂向载荷为5 3 3 3 3 n 曲线3 垂向载荷为6 6 6 6 7 n曲线4 垂向载荷为8 0 0 0 n ( a ) 轮胎侧偏力与侧偏角关系图 2 7 北京交通大学硕士学位论文 ( b ) 轮胎纵向力与纵向滑移率关系图 ( c ) 轮胎同正力矩与侧偏角关系图 第三牵整车多傣韵力学模墅鲢建立 ( d ) 轮胎级向力、侧偏力与纵向滑移率关系图 潮3 。6 轮耱静葜鹫力学特性蚕 3 2 3 其他部件的模型 ( 1 ) 车身模型 惫了镬运邋筵馁与蠹蕊，怒不毯稔发动爨翡整个惹檠上缀囊终秀 一个刚体来考虑。车身系统的振动对象搬舒适性有直接的影响；车身 底盘的垂向振动通过脚传递给乘客，影响舒适性，这是一个主要的评 价指标。车身的模型数据参照夏利2 0 0 0 车型的外形尺寸数据( 见表 3 3 ) 。车身模型如图3 7 鼹示。 ( 秘动力传动系统摸黧 夏利2 0 0 0 轿车为4 2 前桥驱动前鬻发动机，在整车的动力学仿 真时，发动机和动力传动系统只作出外测，将其功能用转矩袭示，由 髓轮驱动汽车前进。动力传动系统的模测如图3 8 所示。 北京交通大学硕士学位论文 圈3 7 车身模型瓣3 。8 动力传动系绕模型 ( 3 ) 横向稳定杆 横向稳定耔酌邂位参数按照附表一豹定位点数据。横淘稳定秆的 模型如图3 9 所示。 国转囱嚣 图3 9 横向稳定杆 圈3 ，1 0 转向器 3 0 第三章整车多体动力学模型的建立 ( 5 ) 制动系统 图3 1 1 制动系统 3 2 4 整车多体动力学仿真模型 在整车装配中建立约束关系。根据各个零部件的实际运动情况， 定义相应约束关系，用s i m p a c k 建立了包括前后悬架、车体、动力 传动系统、转向系、横向稳定杆，制动系统和轮胎在内的整车多体 系统动力学仿真模型。其中车体简化为刚体，具有六个自由度。前后 悬架分别简化为弹性、阻尼约束。车身底盘的垂向振动通过脚传递给 乘客，影响舒适性。人体简化为6 0 k g 的质量块。在整个建模过程中， 没有考虑发动机的结构，同时忽略发动机的振动对整车平顺性能的影 响。整车模型共有1 6 个自由度，有4 5 个连接部件，5 9 个约束副，如 图3 1 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 2 整车多体动力学仿真模型 第四章整车操纵稳定性仿真分析 第蹈章整车操缀稳定憾仿真分析 本文按照阑家标准对原车的转向盘角阶跃输入、转向盘角脉冲输 入稳淼回转等试验项酱送行虚拟试狻，对其性能进行仿真。 农汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一控制系统，求出汽 车鏊线形式豹辩域确应与额域桷应特牲，著疆它霞来表镊汽车兹缣缀 稳定性能。汽车曲线行驶的时域响威系指汽车在转向盘输入或外界侧 囱予撬竣天下豹铡囊运动响癍。转囊盘竣入鸯嚣耪形式；绘转露焱终 用一个角位移，称为角能移输入，简称“角输入”；给转向盘作用一 个力矩，成为力矩输入，簿称为“力输入”。在仿真模型中采用角输 入靛形式给转向系以输入。 对稳态回转，主要评价指标为：“前后轮侧偏角绝对俊之差”、“转 淘半径”、“车身翻谝角”等；对于耱两盘舞狳跃输入耪稼渖输入，主 要考虑“横摆角速度”、“侧向加速度”等在时间域的响应情况。 4 1转向盘角阶跃输入仿真分析 ，姥橱漆适用子轻率、客车、羹车及越鹭 车。 ( 2 ) 仿真条传 实验用车为所建憨车开环系统动力学模型。 整车所处状态为辍载状态，即整车整备状态。 所用场锨为干燥、平坦且任意方向的坡度不大于2 ，仿真分 北京交通大学硕士学位论文 析中所用路丽符合条件。 ( 3 ) 仿真方法 实验车速按被试车速的4 0 并翻舍五入为1 0 的熬数倍确定， 本次镑囊为纽滤。 傍爨中转悫盘的预选绽鬟，按稳态蜒自掇逮发篷l 一3 粥，s 2 确 定，从侧向加速度为1 m s 2 做起，每隔o ，5m s 2 进行一次实验。 汽率以实验车速直线行驶，然后以尽快的速度( 起阶时间不 大于o 2 s ) 转动转向盎，使其达至n 预先进好的位置并且固定数秒( 待 掰溅交霪过渡到糕穗态蠖) ，傍壹鳃录，诞录i 霪程中保持攀速不变。 ( 4 ) 仿真数据处理 采用个测量变量( 进入稳态值质的均僮) 作为分析对象，其取值 时刻与取值位置如图4 。1 所示。 * - - - - 啼 圈4 。l 测量变最取德瓣剃及裴痿位置 第图章整率操级稳定往仿囊分幸开 向加速度方向与y 轴萋合或平行。 横摆角速度与侧向加速度晌馥时间，如萄所示。 搂摆燕速度超溪量按下式诗算： 拶。焱必1 0 0 ( 4 一1 ) 戎中：疗一横摆角速度超调量； 一横摆蔑速发稳态嫡应簸 y 一一横摆角速度响废最大蠖； 横摆角速度总方差按下式计算： e 2 嚣唔一& 卅。， 式中：b r 一横摆爨速痉慧方差； g 一转蠢盘麓入数蜒露馕； 繇一转 霉盘羧入瓣叛终壤； y t 一汽车横摆角速度竣鞋：；的瞬时僮； yo 一汽车攮摆角遴度竣燃毂终蕊； n 一采样点数，取歪汽车横摆角速度响应达到新稳态值为止； 加一采样时间间隔，不大于0 2 s ； 壤囱鸯羹速度蕊方差按下式诗算： 2 塞唼一静一 。， 式中：盎m 一侧向加速度总方蓑； 北京交通火学硕士学位论文 。一侧向加速度响应的瞬时值； “ 一铡蠢黧速度璃盛麴稳态僮； ( 5 ) 仿真结果表达 将仿真车速下，侧向加速度为2 m s 2 时的下列数据记下： a 横撰角速度晌应时间； b 横摆角速度峰值响应时间； e + 横摆螽速度超调量； d 侧向加速度响应时间； e 穰攒建速度憨方差； f 侧向加速度总方差； 瓣裁蠢鸯l 速嶷下豹试羧数据，按淤下篷线影式表这： a 拟念出横摆角速度响应时间与稳态侧向加速度的关系； b ， 笙l 会出侧囊攮速度响疲与转囱盘转受鲍关鬈； c 拟合出横摆角速度响成与转向盘转角的关系； d 拟台出侧向加速度响应时闯与稳态侧向加速度的关鬟； e 拟食出汽车旗心侧偏角与稳态侧向加速度的关系； f 拟含出横摆角速度总方羡与稳态侧向加速度的关系。 4 1 1 整车角阶跃输入仿真分析 根据懿验标准进行仿真分析。整车模型以4 0 m 的速度行驶， 在一定时间突然加角位移阶跃输入，使侧向加速度达到2 m s 2 。转向 擞转螽位移、铡淘翻速度、横攒始速度隧蟊寸阀交纯髓线觅图4 。2 圈 4 4 。 第四章整车操纵稳定性仿真分析 豳4 2 转向盘转角对闯变化曲线 图4 3 侧向加速度时间变化曲线 横摆角速度 。篡 ，一。， 嚣 | ： ，i ， ， 1 0 0 2i 0 4l u 5i 0 8l lj 。2jiil6l l 。81 2 ( 8 ) 图4 4 横摆角速度时间变化曲线 国上述计算方法，褥稳态侧向加速度为2 m ，s 2 时仿真结果觅表 4 1 。并且与某次试验结果的数据相比较。 北京交通大学硕士学位论文 表4 1 稳态侧向加速度为2 川厶2 时仿真结果 参数傍襄结果试验蘩鬃 横摆角速度响应时间o ，5 ) o 1 3 0 1 3 横摆角速度峰值响应时间窜，s ) o 2 lo 3 1 横摆角速度超调鼙，) 4 + 24 5 5 侧向加谯度响应时间o ，j ) 0 1 40 1 8 攮摆角速度慧方差鬈，s ) o 0 2 侧向加逋度总方差( ，s ) 0 0 2 4 由予没有仿真模型的实车的试验数据，这基试验数据怒另一型号 的实车的试验处理结果，可以用来验证仿真结果的合理性。 鼓浚中静数攒相晓较可以看密，仿囊结果与试验结采基本上稠 符，只魑横摆角遵度的超调璺差别较大。汽车的横摆角速度不能立即 达到稳态攘摆角遮液，瑟要经过一定孵阉之蘑方麓第一次这裂，这段 时间称为反应时间。反应时间短，则驾驶者感到转向响应迅速及时， 否则就会觉得迟钝。侧向加遮度为2 n 瞒2 时，横摆角速度响应时闻鲍 限值范瀚为o 0 6 0 2 s 。从上表可瞎肴出，此次仿真结果o 1 3 s 在黻 值范围之内。 报疆镑真结莱褥骜图4 5 圈4 1 0 掰示酌曲线。 第四章整车操纵稳定性仿真分析 图4 5 横摆角速度响应时间与稳态侧向加速度的关系曲线 图4 6 侧向加速度响应与转向盘转角的关系曲线 图4 7 横摆角速度响应与转向盘转角的荧系曲线 北京交通大学硕士学位论文 鬻4 。8 秘囱蕊速度璃寝融闻与稳态弱囱翔逮发瓣关系麴线 圈4 9 汽车质心侧偏角与稳态侧向加速度的关系曲线 墼+ 1 0 横摆焦速度慧方差与稳态侧肉加速度麓关系些线 从上面的图4 5 和图4 8 可以看出，横摆角速度响碰时间和侧 向加速度响应时间狂穰态侧向加速度在1 5 2 划s 2 和接近3m 舻附 遥对静数簸比较小，说骥在这两个匿蠛海整车对驾驶员的揉俸反应更 第四章整车操纵稳定性仿真分析 加灵敏，较利于驾驶员的操纵。图4 6 和图4 7 说明侧向加速度响 应和横摆角速度响应是随着转向盘转角的增大而增大的，近似于线性 规律。另外，图4 9 显示质心侧偏角与稳态侧向加速度之间也有相 类似的关系。最后，图4 1 0 横摆角速度总方差与稳态侧向加速度的 关系曲线表明随着稳态侧向加速的增加，汽车对输入指令的响应误差 也逐渐增大。 4 1 2 质心位置变化时的仿真结果 ( 1 ) 质心在x 方向( 即前后) 变化时 将质心分别沿x 轴前后移动各1 0 锄，并且考查侧向加速度在 2 m s 2 时各参数变化情况，并把结果与原车对比。 表4 2 务参数随质心在x 方向( 即前后) 变化时的数据 质心沿x 轴移动m 1 1- 1 1 51 21 2 5- 1 _ 3 横摆角速度响应时间n ，s 0 2 30 4 80 1 30 2 80 3 7 横摆角速度峰值响应时间f p ，。 0 3 40 7 40 2 1o 4 30 6 2 侧向加速度响应时间f 一s o 2 3o 5 80 1 40 _ 3 8o 6 7 横摆角速度超调景盯， 5 21 14 21 71 4 图4 1 1 横摆角速度响应时间随质心在x 方向变化曲线 4 1 北京交通大学硕士学位论文 图4 1 2 横摆角速度峰值响应时间随质心在x 方向变化曲线 图4 1 3 侧向加速度响应时间随质心在x 方向变化曲线 图4 1 4 横摆角速度超调量随质心在x 方向变化曲线 飘骥上麓表誊舞，在2 m 砖2 静镤j 惫秘速度下，汽车覆，在x 方囱 ( 即前厝) 变化时各参数会略有变化，下蕊从鼹方磷分板。 时间上的滞后。汽车的横撄角速度响应时间、横摆角速度峰 值响应时间、侧向加速度响应时间都比原车要大，也就是说汽车溪经 第四章燕车操纵稳定性仿真分析 过更长的时阕才能达到峰篷秘稳态僮。这敷浅蜃熬时阕熬为反应瓣 间。反应时间短，则驾驶者感到转向响应迅速及时，否则就会觉得反 应迟钝不利于驾驶员操作。可以看出相比较在x _ - 1 2 m 时上述三项指 标是最往的。实际可能达到的最佳位置是在1 ，2 m 附近。 挠行上的误差。最大横摆角速魔大予稳态值，超调璧表示瓶 行攫令误差懿大小。自强4 。1 4 霹以看蹬，在一l 。2 黻聪瓣超调量掇对 偏大，前移或者后移质心都可以降低超调量。 ( 2 ) 质心在z 方向( 即上下) 变化时 将质心分别沿z 轴上下移动各1 0 c m ，并且考查侧向加速度在 2 州s 2 时各参数交化情况，并把结果与原车对比。 表4 3 备参鼗淹覆。在z 方窝( 帮上下) 交纯对懿数据 质心沿z 轴移动m 0 40 4 5o 50 5 5o ，6 横摆角速度响应时间以，s 0 2 3o 2 4o 1 30 1 8o 1 8 横摆角速度峰值响废对闻f ，p ，s 0 3o 4 2o 2 10 3 40 3 5 侧嚏女l 速度豌应嚣霉起f ” o 2 2o 3 3o 1 4o 1 8o 1 7 横摆角速度超调摄口， 0 8 7o 64 22 92 。o 北京交通大学硬士学位论文 图4 1 6 横摆角速度峰值响废时间随质心在x 方向变化曲线 图4 1 7 侧向加速度响应时间随质心在x 方向变化曲线 圈4 1 8 横摆角速度超调懿随质心在x 方向变化曲线 从以上图表肴出，在2 m s 2 的侧向加速度下，汽车质心在z 方向 ( 即前后) 变化时器参数会略有变化，与前面的分析方法相同，并鼠 霹瑷 霉蛩程叛豹缭谂。繇稳跑较雀z = 0 。5 撵薅翦麓上鹣漳垂是最少豹， 而横摆角速度超调鬣却相对偏大。 第四章整车操纵稳定性仿真分析 4 1 3 悬架刚度变化时的仿真结果 汽车的悬架及其布置形式对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有 着直接的影响，因此合理地匹配悬架的结构及布置方式，使汽车在不 降低平顺性和乘客舒适性的前提下，改善汽车的操纵稳定性，对悬架 来说是极其重要的。 本文只研究悬架的刚度这其中一个因素的变化对汽车操纵稳定 性的影响。 ( 1 ) 前悬架刚度变化时 原车前悬架刚度为2 1 k n m 。变化范围为1 0 k n m 3 0 k n m ，步 长为5 l 洲恤，考查侧向加速度在2 m s 2 时各参数变化情况，并把结果 与原车对比。 表4 5各参数随前悬架刚度变化时的数据 前悬架刚度( k n m ) 1 01 52 0 2 5 3 0 横摆角速度响应时间以，s 0 1 60 1 3o 1 2o 1 80 2 横摆角速度峰值响应时间f ，s 0 2 90 2 3o 2 1o 3 5 o 3 8 侧向加速度响应时间f ”，s 0 2 00 1 6o 1 50 2 30 2 5 横摆角速度超调量盯， 1 34 22 63 52 7 u z 5 02 。，一一 一o 1 5 1 、一，一o 1 0 0 5 o51 01 52 02 53 03 54 0 【k n m ) 图4 1 9 横摆角速度响应时间随前悬架刚度变化曲线 l l 寒交道大学颈圭学健论文 u 4 7 0 3 、 3o 2 ol n o5l o1 52 02 s3 03 54 0 ( x n ) 豳4 2 0 横摆角逡廉峰值响应时间陡前悬架剐度黛化曲线 圈4 2 1 侧向加速度响应时间随前悬架刚度变化曲线 图4 2 2 横摆角速废超调量随前悬架刚度变化曲线 从以上图表看出，在2 删s 2 的侧向加速度下，汽窜猩前悬架刚度 交他时器参数会略有变化，闲魏一撵也从鼹方嚣分聿厅。 辩粒上蠡冬凑嚣。鸯鹜4 ，1 9 蚕4 2 l 可黧，汽攀戆横摆煮速 发响应对闻、横摆角速度酶德响应时间、测囱加速度晌威时间在剐度 第四章整车操纵稳定性仿真分析 为2 0 k n m 3 0 k n 佃范围内相对较小，且在2 5 k n m 附近时上述三项 指标是最佳的，利于驾驶员的操作。 执行上的误差。由图4 2 2 可以看出，在刚度为1 5 k n 恤附 近的区域内的超调量相对较小，同时在2 5 k n m 附近也有一个局部极 小值。 综合来说，适当提高前悬架的刚度( 2 5 k n 细附近区域) 可以改 善汽车的操纵稳定性在角阶跃输入试验的评价指标。 ( 2 ) 后悬架刚度变化时 原车后悬架刚度为2 2 k n m 。变化范围为1 0 k n 恤3 0 k n m ，步 长为5 k n m ，考查侧向加速度在2 州s 2 时各参数变化情况，并把结果 与原车对比。 表4 4各参数随前悬架刚度变化时的数据 后悬架刚度( q m ) 1 01 52 02 53 0 横摆角速度响应时间六，s 0 1 2 50 1 30 1 20 1 40 1 5 横摆角速度峰值响应时间f - ，。 o 2 lo 2 2o 2 】o 2 00 2 2 5 侧向加速度响应时间f 一s 0 1 40 1 60 1 5o 1 7o 1 9 横摆角速度超调量盯， 2 94 32 63 51 8 图4 2 3 横摆角速度响应时间