（车辆工程专业论文）基于虚拟样机试验技术对汽车操纵稳定性评价指标的研究.pdf

摘要 摘要 汽车的操纵稳定性是影响汽车主动安全性的最重要的因素，它不仅影响汽 车的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车行驶安全的一个要素，人们亦称之 为“高速车辆的生命线”。因此，如何评价和设计汽车的操纵稳定性、获得良好 的主动安全性一直是关于汽车的最重要的课题。 汽车的操纵稳定性由于受研究目的、驾驶任务、驾驶员主观感觉、汽车结 构、道路环境以及试验的复杂性等多种因素的影响，使其研究和评价错综复杂。 迄今为止，关于汽车操纵稳定性还没有公认的明确的定义，还没有找出公认的 客观定量评价操纵稳定性的好方法，今天的汽车工业仍然以对样车的主观评价 作为最终的开发手段。 近年来，随着科学技术的进步和计算机技术的迅猛发展，特别是多体动力 学理论、虚拟样机技术以及虚拟试验技术的崛起，为对汽车性能的试验研究提 供了更多的手段和有力的技术支持，使得对汽车操纵稳定性的现代设计成为可 能，为汽车工程的发展注入了活力。 本文在综述目前国内外对汽车操纵稳定性研究与评价方法的基础上，将重 点集中在基于虚拟样机试验技术对汽车操纵稳定性评价指标的研究上，主要工 作内容如下： 首先，根据汽车操纵稳定性试验分析的要求和特点，利用a d a m s c a r 软件 建立汽车整车三维参数化实体结构模型，包括前后悬架系统、转向系统、制动 系统、轮胎及车身等结构。同时，对如何在a d a m s c a r 中修改车型的结构型式 或结构参数以获得性能对比试验所需要各种变型车的方法进行研究。从而将虚 拟样机技术引入对汽车操纵稳定性评价指标研究的领域。 其次，根据a d a m s 的闭坏仿真控制原理，结合i s o 汽车操纵稳定性道路试 验试验方法和中华人民共和固相关国家标准，参照整车操纵稳定性试验分析的 要求，采用闭环评价试验中的任务性能方法作为整车操纵稳定性的综合评价方 法，重点分析两种试验道路( 双移线和蛇行线) 上1 5 种车型在三种车速( 6 5 k m h 、 9 0 k m h 、ll o k m h ) 下的操纵稳定性。对试验所需的仿真控制文件、试验车辆 方案和虚拟试验方法进行设计。完成闭环仿真试验后对试验结果进行分析，以 验证试验方案的合理性和正确性。 摘要 最后，利用虚拟样机闭环仿真试验所获得各车型在不同工况下的主要参数 变化信息，根据闭环总方差综合评价指标，对影响整车操纵稳定性的若干因素 进行综合分析和研究。从而确定各项评价指标与实车结构参数之| 日j 的关系，以 找到通过优化汽车结构型式或结构参数来提高操纵稳定性的具体途径，可以指 导汽车设计参数的优化，改进汽车的性能，提高汽车的主动安全性。 评价的目的是为了改进汽车设计。在传统的汽车设计过程中，必须边设计、 边试制、边试验、边改进，产品开发成本较高，周期长。虚拟样机试验技术的 运用，可以大大节约建模时问，极大地方便了结构参数的修改，大幅缩短性能 评价周期，大量减少产品丌发成本，明显提高产品的质量，获得最优化的设计 方案。在车辆操纵稳定性的评价、分析、改进以及优化等方面不仅具有深刻的 理论价值而且具有巨大的实际意义。 关键词：虚拟样机试验、操纵稳定性、评价指标 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yi st h em o s tc r i t i c a lf a c t o ra f f e c t i n gt h ea c t i v e s a f e t yo fv e h i c l e s ，w h i c hd e c i d e sn o to n l yt h eh a n d l i n gc o n v e n i e n c eb u ta l s ot h e s a f e t yo fh i g hs p e e dv e h i c l e s ，a n di sc a l l e d l i f e l i n eo fh i g hs p e e dv e h i c l e t h e r e b y i ta l w a y si st h em o s ti m p o r t a n tt a s ko fv e h i c l et h a th o w t oe v a l u a t ea n dd e s i g nv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n dw i n n i c e ra c t i v es a f e t y t h es t u d ya n de v a l u a t i o na b o u tv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yi sc o m p l i c a t e d b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c ef r o mm a n yf a c t o r s ，s u c ha ss t u d yp u r p o s e ，d r i v i n gt a s k ， d r i v e r ss u b j e c t i v ef e e l i n g ，v e h i c l es t r u c t u r e ，r o a d sc o n d i t i o na n dt e s tc o m p l i c a c y s o f a r , t h e r ee v e ni s n te x p l i c i td e f i n i t i o no fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , t h ea c c e p t e d m e t h o d st oo b j e c t i v e l ye v a l u a t eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yi sn o ta v a i l a b l et o o n o w a d a y s s u b j e c t i v ee v a l u a t i o ni ss t i l lt h ef i n a lr e s e a r c hm e a n si nv e h i c l ei n d u s t r y r e c e n t l y , w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c e & t e c h n o l o g ya n dt h er a p i da d v a n c eo f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h eu p g r a d eo fm u l t i - b o d yd y n a m i c st h e o r y , v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g ya n dv i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g y , w h i c hp r o v i d em o r em e a l l s a n dr e l i a b l et e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt e s t i n ga n ds t u d y i n gv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，t h e d e v e l o p m e n to fv e h i c l ee n g i n e e r i n g i sb o o s t i n ga n dt h em o d e m i z a t i o no fv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yd e s i g ni sc o m i n g t r u e t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e c e n ts t u d ya n de v a l u a t i o nm e t h o d so fv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yw h i c hi n c l u d eb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，a n de m p h a s i z e so n t h es t u d yo ne v a l u a t i o ni n d e xo fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yb a s e do nv i r t u a l e x p e r i m e n t t h em a j o rr e s e a r c hi t e m sa r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l eh a n d l i n g a n ds t a b i l i t yt e s ta n a l y s i s ，s o m et h r e e d i m e n s i o np a r a m e t e r i z e dm o d e l so fw h o l e v e h i c l ea r eb u i l ti na d a m s c a r , w h i c hi n c l u d ef r o n t & r e a rs u s p e n s i o ns u b s y s t e m s ， s t e e r i n gs u b s y s t e m ，b r a k es u b s y s t e m ，f r o n t & r e a rw h e e ls u b s y s t e m s a n db o d y s u b s y s t e me t c m o r e o v e r ，t h em e t h o d so fh o w t om o d i f yt h es t r u c t u r et y p e sa n d p a r a m e t e r so fv e h i c l ei na d a m s c a rt og e tas e r i e s o fr e m o d e l e dv e h i c l e sf o r 1 i i a b s t r a c t p e r f o r m a n c ec o m p a r et e s t sa r er e s e a r c h e d b yt h i sw a y , v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y i si n t r o d u c e di n t ot h ef i e l ds t u d y i n ge v a l u a t i o ni n d e 曩【o fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fa d a m sc l o s e d l o o pc o n t r o l ，i s o v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yr o a dt e s tm e t h o d sa n dn a t i o n a ls t a n d a r d so fp r c ， r e f e r r i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yt e s ta n a l y s i s ，t h i sp a p e r a d o p t st a s kp e r f o r m a n c em e t h o da sc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o do fv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , a n da n a l y z e st h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo f15t y p e so fv e h i c l e s o nt w ok i n d so ft e s tr o a d s d o u b l el a n ec h a n g ea n dp y l o nc o u r s es l a l o m u n d e r t h r e ek i n d so f s p e e d 6 5k m h 、9 0 k m h 、l l o k m h ，a n dd e s i g n sr e q u i r e ds i m u l a t i o n c o n t r o lf i l e s ，r e m o d e l e dv e h i c l es c h e m ea n dv i r t u a le x p e r i m e n tm e t h o d a n a l y z i n g t h et e s td a t aa n dg r a p h sa f t e rf i n i s h i n ga l lc l o s e d l o o ps i m u l a t i o n s ，t h er e s u l tp r o v e s t h a tt h ev i r t u a le x p e r i m e n tp r o g r a mi sr e a s o n a b l ea n dc o r r e c t ： f i n a l l y , r e f e r r i n gt ot h ep a r a m e t e r s f l u c t u a t i n gc l u e sf r o mv i r t u a le x p e r i m e n t s o fv a r i o u sv e h i c l e su n d e rv a r i o u s c i r c u m s t a n c e s ，a c c o r d i n g t o c l o s e d - l o o p c 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 ，s o m ef a c t o r sw h oa f f e c tv e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t y a r es t u d i e da n da n a l y z e d c o n s e q u e n t l yt h er e l a t i o n sb e t w e e ne a c h e v a l u a t i o ni n d e xa n dv e h i c l es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ee m e 唱e d ，w h a th e l p st of i n do u t t h em e t h o d st oi m p l ：o v eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yb yo p t i m i z i n gv e h i c l es t r u c t u r et y p e s o r p a r a m e t e r s t h e s em a yd i r e c t v e h i c l ed e s i g no p t i m i z a t i o na n dp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t t ou p g r a d ei t sa c t i v es a f e t y t h em o t i v eo fe v a l u a t i o ni st op e r f e c tv e h i c l ed e s i g n d u r i n gt h ee a r l i e rv e h i c l e d e s i g n ，w em u s td e s i g n ，t r i a l p r o d u c e ，t e s ta n dm e n da g a i na n da g a i n ，w h i c hb o o s t r e s e a r c hc o s ta n dp r o l o n gd e s i g np e r i o d t h eu s eo fv i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g y c a l lg r e a t l ys a v em o d e l i n gt i m e ，f a i r l yc o n v e n i e n c em o d i f y i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ， c o n s i d e r a b l ys h o r t e ne v a l u a t i n gp e r i o d ，n u m e r o u s l yc u td o w nr e s e a r c hc o s t ，v i s i b l y i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y , a n da c h i e v et h eo p t i m i z e dd e s i g n i th a sd e e p l yt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lv a l u et ot h ee v a l u a t i o n ，a n a l y s i s ，i m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o no f v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ，h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ，e v a l u a t i o ni n d e x 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论储签名玩乡复够 z 肋勿年弓月侈日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 繇彳哆堂吵 2 伊多年弓。月侈日 第1 章引言 第1 章引言 1 1汽车操纵稳定性的研究与评价综述 随着社会的发展和汽车技术的进步，交通运输业呈现出车辆高速化、驾驶 人员非职业化和汽车密集化的趋势。与此同时，交通事故剧增使交通安全成为 一个受到广泛关注的社会问题，有效地抑制事故的发生具有十分重要意义。为 此，汽车必须具有良好的主动安全性n 3 。汽车的操纵稳定性是影响其主动安全性 的主要性能之一，因此，如何评价和设计汽车的操纵稳定性、获得良好的汽车 主动安全性一直是关于汽车的重要课题。 目前，对操纵稳定性的研究和评价主要从以下几个方面进行d 1 ： 通过试验( 包括道路试验和虚拟试验) 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，并对此进行研究和评价； 通过试验中驾驶员的主观感觉，对汽车的特性进行研究和评价； 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 1 1汽车操纵稳定性的研究和评价方法 对汽车操纵稳定性的评价有两种不同的研究方法：开环方法和闭环方法。 开环方法是将汽车操纵稳定性作为汽车自身的固有性能，它仅仅由汽车的 结构和性能参数来决定，不包括驾驶员特性。这种方法是把汽车本身看作一个 控制系统，如图1 1 所示 i ，按照对控制系统稳定性、稳态品质和瞬态响应特性 的一般要求束分析和研究汽车的运动特性。 型叫汽车吟 i 一j 图1 1 汽车开环系统 汽车的性能是通过人的操纵来实现的，因而，汽车的操纵稳定性与驾驶员 特性是紧密相关的，为了更全面透彻地研究和评价汽车的操纵稳定性，就应该 综合考虑到驾驶员特性与汽车特性的配合问题，如图1 2 所示。即把汽车作为 第l 章引言 驾驶员一汽车闭环系统的被控环节，根据对整个闭环系统特性的分析和综合， 来对汽车的操纵稳定性进行研究和评价，这种方法称为闭环方法。 r 倒 l 压丽一 图1 2 人一车 i j 环系统 汽车操纵稳定性评价的另类方法是客观评价法和主观评价法。客观评价 法能用于开、闭环系统，而主观评价法只能用于闭环系统。 所谓客观评价就是通过实车试验，测试一些与操纵稳定性有关的汽车运动 量，再与相应的标准比较而进行的评价。主观评价则是驾驶员根据任务要求操 纵汽车时，依据对操纵动作难易程度的感觉来评价汽车操纵稳定性。显然，客 观评价是一种定量评价，若评价指标能够确定的话，则无需进行主观评价，但 由于汽车的操纵稳定性受多种因素影响，其客观定量评价指标很难确定，因此 主观评价在汽车操纵稳定性的评价中一直占重要地位。 上面介绍了作为研究和评价方法的两个方面，汽车操纵稳定性研究和评价 还有其它一些分类方法，如按汽车操纵稳定性定义可分为指令反应评价和扰动 反应评价：按汽车各部分的力学特性是否在线性范围内可分为线性区内评价和 非线性区内评价；按驾驶员操纵输入可分为力输入反应评价和角输入反应评价； 按汽车的运动是否达到平衡状态可分为稳态评价和动态评价。 目前为止，国内外已开发了与上述评价方法相对应的各种试验方法。按汽 车的主要行驶状况，将常用测试方法列于表1 1h 1 。 1 1 2 汽车操纵稳定性的客观测量评价 客观测量评价是在实车试验的基础上进行的，主要包括e s v ( 实验安全车) 和i s o ( 国际标准化组织) 两种评价方法。 1 1 2 1 e s v 的汽车操纵稳定性评价方法 系统地整理操纵稳定性评价基准的设想最初是在1 9 6 9 年发表的美国实验安 全车( e s v ，后来发展成为研究安全车，r e s e a r c hs a f e t yv e h i c l e ，r s v ) 的操 纵稳定性研究中提出的。e s v 是以安全性为研究目标，除了提出被动安全性要表 2 第1 章引言 1 1 目前所用测试方法 闭环开环系统 测试项目 系统 转向盘同定转向盘自由预先设定转向盘转角 直线行驶一轨迹保持住 微曲率弯道行驶特性 直 弯道撒手脚正性 线 载倚变换反应x 行 驶 滑路面f ：的直线保持性 x 特直线行驶制动 性 微风敏感性 高速行驶浮力 x 路面1 if 敏感度 转向盘阶跃转角输入 转向盘单乖弦转角输入 转向盘连续正弦转角输入 x 瞬 转向盘三角脉冲输入 一 态 响转向盘随机转角输入 应 驶入网刷 特 性 驶出圆f 爿 自动i n i 正特性 单次变道 _ 二次变道 稳态网岗行驶 1 f 稳态圆周行驶 曲线行风周行驶的载荷变换反应 驶特性 转向操纵失灵 曲线行驶制动 滑路面i 二的曲线行驶 变道行 蛇形穿杆行驶 驶特性 变道探纵 加速转向【口j 正性 倾覆稳定性 总特性 避让试验 求之外，同时对汽车的主动安全性也提出了很高的要求。第一次用准确的极限 规定了行驶特性的项目，包括驾驶安全性的要求。e s v 计划的实施使人们研究出 一种实用的方法，用在汽车设计中，以提高其操纵稳定性。根据大量的试验和 理论分析，确定以响应参数作为评价汽车固有特性的指标。并提出了稳态响应 特性、瞬态响应特性、回正特性、侧风稳定性及路面不平敏感性的安全允许范 围或极限瞒】。如图1 3 、1 4 、1 5 、1 6 、1 7 。 由于汽车的响应参数可以通过设计参数为基础的数学模型求出，所以它很 第l 章引言 适用于车辆的开发。至今仍有很多人提出各种反应参数作为评价汽车操纵稳定 性的评价指标。 图1 3 稳态响应特性的允许范同 时间( g ) 时阊( $ ) 图1 4 瞬态响应特性的允许范同 图1 5 【亓l 止特性的允许范同 车速( h h ) 图1 6 侧风稳定性的允许范围 1 1 2 2is 0 的试验评价方法 图1 7 路面不平敏感性的允许范闱 对于操纵稳定性的研究，与e s v 计划相平行的还有i s o ( 国际标准化组织) t c 2 2 s c 9 ( s u b c o m m i t e e 9 ) 汽车操纵稳定性分委员会的研究工作。其目的是制 4 6 6 4 3 2 l 0 。一蠢磐辑拯 之。v斟躐辣舞 墙 加 5 0 v援掣椒分量 0 5 0 5 o 毛 - ： l 仉 i)砸罩缀密 第1 章引言 定统一的汽车操纵稳定性检测方法。目前已有许多i s o 标准及技术报告。 ( 1 ) 稳态圆周试验 稳态圆周行驶是操纵稳定性中一种最古老的测试方法。它为汽车的开发提 供了基本的比较数据。其主要目的是测试车辆的行驶动态参数与侧向加速度的 关系，并由此确定汽车的稳态转向特性( 不足转向或过度转向) 。汽车的稳态转 向特性在汽车的方向控制中有重要意义，即过度转向和过大的不足转向的汽车 难于控制。 实际要求做四条曲线，即转向盘转角氐、转向盘力矩m 。、侧倾角办和侧 偏角口与侧向加速度口，的关系曲线。 ( 2 ) 瞬态响应试验 汽车对方向盘角输入的响应是评价汽车操纵性的重要准则。瞬态响应试验 的主要目的是测定汽车的瞬态响应特性。需要用时域和频域的特征值和特征函 数两方面来表示。 在时域里进行评价时，主要的评价指标有以下六种： 方向盘转角与侧向加速度或横摆角速度的时间滞后； 侧向加速度或横摆角速度的反应时间； 侧向加速度或横摆角速度增益( ! ，譬) ； d d 侧向加速度或横摆角速度超调量； 因子乃值； 总方差。 总方差是我国著名工程院院士郭孔辉教授提出的一种有效的操纵稳定性综 合评价指标n 3 。 在频域旱进行评价时，主要的评价指标有： 不同频率下，侧向加速度和横摆角速度对转向盘转角的增益； 不同频率下，侧向加速度和横摆角速度对转向盘转角的相位。 作为操纵输入，在时域里有阶跃、单j 下弦两种；在频域中有阶跃、脉冲、 连续正弦和随机输入四种。 随机输入的优点是手工转向只需较小的场地，测量可在一般的道路上进行， 并且通过传递线性领域的大量信息来减少驾驶员问的差异。脉冲输入和随机输 5 第1 章引言 入之间有较好的相关性。连续正弦输入则可以提供最可靠的统计结果。单正弦 输入主要适合于确定不同变量之间的时间延迟。阶跃输入则可涉及从线性区到 非线性区的很广范围，与主观评价也容易建立对应关系，它还是系统动力学中 的重要测试函数，因此阶跃试验应用最广。 ( 3 ) 双移线试验及蛇行试验 双移线试验是综合测定人一车一环境系统操纵稳定性的闭环试验，如同稳 定区域的圆周行驶试验一样，在非稳定区域中双移线试验属于最古老的测试方 法。该项测试用于测定与交通事故有关的闭环行驶特性。它模拟汽车超车后并 随之很快地返回到j 下确的车道上，此试验对于评价实际行驶条件下的人一车一 环境闭环系统非常重要。1 9 7 5 年出版了关于双移线道路试验规程的i s o t r 技术 报告哺1 。为了研究非稳态行驶特性，除测量“通过时间外，还常记录的其它行 驶动态量包括：转向盘转角万，、转向盘力矩m 删、侧向加速度口，、横摆角速度 彩，、行驶速度甜、航向角和侧倾角矽，等。 一种双移线试验的改型是蛇行试验( p y l o nc o u r s es l a l o mt e s t ) 。这罩标 杆以相等的距离( 通常为3 0 m ) 排成一条直线，且至少设置7 根标杆。汽车要尽 可能快地在一个方向上或者来回地通过测试段而不触及标杆。可用行驶通过时 间或闭环评价指标进行评价。 1 1 2 3 我国汽车操纵稳定性的试验评价方法 参照国外标准，结合具体国情，我国制定了一系列汽车操纵稳定性试验方法 的国家标准，包括：g b t6 3 2 3 1 蛇行试验h 1 ：g b t6 3 2 3 2 转向瞬态响 应试验( 转向盘转角阶跃输入) 1 ；g b t6 3 2 3 3 转向瞬态响应试验( 转向盘转 角脉冲输入) 归1 ；g b t6 3 2 3 4 转向回正性能试验n0 i ；g b t6 3 2 3 5 转向 轻便性试验n 1 1 ；q b t6 3 2 3 6 稳态回转试验n 羽；以及q c t4 8 0 汽车操纵 稳定性指标限值与评价方法u 引。 目前，我国的汽车生产厂家用于整车操纵稳定性的试验评价方法基本上都 是客观评价方法。依据的国家标准中包含了诸多我国独有的内容，如评分标准、 试验数据处理及高速试验方法等。 1 1 3 汽车操纵稳定性的主观评价 汽车是由人来控制的，所以对人来说汽车应具有易操纵性。这种易操纵性 是人为感觉，它与驾驶任务、环境条件以及人的生理和心理因素有关，所以不 6 第1 章引言 能象汽车的其它性能那样用单一的评价参数来评价汽车的操纵稳定性，而是先 让操纵者主观地去评价汽车的操纵性，然后再把此操纵性与系统中可测量的物 理参数进行联系。 1 1 3 1 汽车操纵稳定性的主观评价方法 主观评价是驾驶员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操纵稳定性进行评价。 由于个体的生理和心理都存在着很大的差异，因此，不同的驾驶员对同一 汽车某一特性的评价可能大不相同，使所得结果产生很大的离散性。为了减小 离散性，通常要指定一组评价者，一般为1 0 2 5 名，而且应对评价者的评价能 力提出较高的要求。选择的评价者必须具有良好的记忆力和分辨能力，并尽可 能地排除一些干扰因素：此外j 为避免评价者利用技术知识弥补观察的不足， 在比较各种具体结果时应当保证被测车对于评价者来说是未知的。 汽车操纵稳定性的主观评价包含不同驾驶任务的多项目评价和总评价。重 要的评价项目有：直线行驶特性( 包括转向回正能力、侧风敏感性、路面不平 敏感性等) 、行车变道的操纵性、转弯稳定性( 包括转向的准确性、固有转向特 性、转弯制动特性等) 以及操纵负荷等。此外还常常在多弯道路段上评价总的 特性。 1 1 3 2 主观评价的定性和定量评价问题 “ 汽车领域中的主观评价一般包括定性评价和定量评价。定性评价是一种对 多种汽车车型的相对排序。定量评价有两种方法，一种是采用相对分数法，即 首先确定一参考样车，其它车型的主观评价分数是相对于样车而言的；另一种 是采用绝对分数法，即把主观评价的内容用数值化的评分等级( r a t i n gs c a l e ) 表示出来。在航空领域里开发并广泛使用的是被称为l o o p e r h a r p e rr a t i n g s c a l e 的l o 点评分方法。目前汽车操纵稳定性的主观评价方法及等级是参考航 空领域的方法制定的，如日本和加拿大采用的是1 0 点评分等级，l 3 5 点为最 佳至满足，3 5 6 5 点表示虽能满足性能但驾驶员负担过重，6 5 1 0 点表示 既不能满足性能又驾驶员负担过重；而美国则采用o 1 0 的1 l 点评分等级，所 用的主观评价方法和术语也不尽相同。 1 1 3 3 主观评价与客观测量参数的相关性研究 研究汽车操纵稳定性的目的是为了改善操纵稳定性，以减少由于操纵稳定 7 第1 章引言 性不良而引发的交通事故。在实际行驶中，驾驶员如何适应汽车的操纵稳定性 只能通过主观评价来确定：为了找到测量值( 汽车响应参数) 与主观评价之间 的联系，各国研究者进行了大量相关方面的研究。 对开环系统参数与主观评价之间的相关性研究表明，主观评价与刀：环系统 的下列参数有关：转向盘转角与侧向加速度或横摆角速度的时间滞后；侧 向加速度或横摆角速度的反应时问：侧向加速度或横摆角速度增益；侧 向加速度或横摆角速度超调量；因子t b 值等。相关系数最大只能达到o 8 、，一 c 4 】【1 4 】 1 5 】 亡徊。 对闭环系统参数与主观评价之间的相关性研究表明，主观评价与闭环系统 参数的相关性更好，相关系数可以达到0 9 以上。 1 1 3 4 影响主观评价的因素 如果能够明确驾驶员的主观评价被什么样的物理量所左右，就能在汽车的 设计阶段预测其操纵性。关于汽车的反应参数和主观评价之间的关系方面已经 进行了很多研究。但是对于由人操纵汽车这样一个复杂闭环系统而言，讨论操 纵稳定性只靠反应参数是不充分的，必须连同驾驶员特性一起研究。因此，影 响主观评价的因素分为两大类：其一是闭环系统的控制效果；其二是驾驶员的 作业负担。 闭环系统的控制效果表示系统相对于目标值所达到的物理量。通常用汽车 的实际行驶轨迹与目标值( 理想轨迹) 偏差的大小来表示。 驾驶员的作业负担分为精神作业负担和体力作业负担。精神作业负担是指 相对于控制对象的动特性，操作者本人的动特性要进行调节，以求达到闭环系 统的稳态和瞬态特性良好。精神作业负担就是为此进行的补偿动作而造成的， 它正比于操作者有必要处理的信息量，受驾驶气氛、松弛感、危机感等精神方 面的影响。目前关于精神负担的模型化还处在探索阶段。 体力作业负担是驾驶员操纵控制装置时肉体所承担的负荷，具体地可以考 虑控制装置的幅值、操纵速度或角速度、操纵力或力矩及操纵频率等确定。若 采用动力转向装置，驾驶员的体力作业负担则轻于精神作业负担。此时，精神 负担的模型化更为重要。 1 1 4 汽车操纵稳定性的理论研究和闭环评价方法 2 0 世纪6 0 年代以前，对汽车操纵稳定性的研究主要是利用二自由度汽车 8 第1 章引言 模型( 横摆和侧向) 进行的开环研究。此后，运动方程式通过各种研究修正得 越来越精密，其它很多影响如轮胎的动特性、转向特性、悬架特性、影响非线 性的加减速度等因素，常常通过等效侧偏刚度简化为二自由度系统进行分析处 理。为更详细地分析汽车的各种性能，自由度越来越多的动力学模型也不断地 被提出。利用计算机仿真技术，汽车的各项运动性能在设计之初就可以得到详 细的预知，同时提出了各种评价指标来评价汽车的操纵稳定性。这些研究表明 研究者们一直试图在开环内解决汽车操纵稳定性的评价和研究问题。但是，关 键的问题是不同评价体系之间所得出的结论通常并不一致，甚至相互抵触。无 论多么精巧的数学模型都或多或少是建立在对汽车进行了理想化假设的基础之 上的，这种理想的假设条件与实际汽车之间不可避免地存在着差异，有时差异 还十分明显。大量研究表明，客观评价指标是将汽车看作一个控制系统在开环 条件下提出的；而主观评价是驾驶员按照一定的跟随要求操纵汽车时对操纵动 作难易程度的感觉。这种感觉不仅取决于汽车本身的特性，还取决于人的行为 特性，对道路跟踪的要求。因此，汽车操纵稳定性的研究和评价必须是包括驾 驶员在内的人一车一路闭环系统操纵稳定性的研究和评价。 主观评价和客观评价之间关系的研究是从理论和试验两个方面着手进行 的。理论上，一些研究者开始进行驾驶员模型和人一车闭环系统的研究，但早 期的研究基本是把飞行员一飞机闭环控制系统应用到汽车上，这些驾驶员模型 不是忽略了驾驶员的前视作用，就是其参数很难确定。因此，很大程度上限制 了其在闭环系统研究中的应用。 上世纪8 0 年代以来，研究者们重新开始了对驾驶员行为特性的研究，并提 出了各种驾驶员方向控制模型。其中较具代表性的是m a c a d a m 的“最优预瞄控 制模型 n 7 1 和郭孔辉教授提出的“最优预瞄加速度模型 1 8 o 作为最优控制理 论在预瞄跟踪策略方面的应用，“最优预瞄控制模型”为描述驾驶员行为特性提 供了一个有效而又直接的方法。该模型的参数可以直接从汽车操纵特性和驾驶 员的预瞄时间等基本特性参数导出。这使驾驶员方向控制模型在走向闭环设计 方面迈进了一大步。因为这一模型参数不必象以往的预瞄模型那样依靠实车试 验确定，而是在样车试制前就能够对整个闭环系统的运动进行分析和预测，进 而对汽车操纵性进行评价和改进。最优加速度模型由于引入微分校正( 对汽车 特性的逆估) 可增加跟随阶数，因此除上述优点外还具有跟随效果好、物理概 念清晰、运算简单且适用于大角度转向和非线性汽车模型的闭环仿真，更利于 9 第1 章引言 在汽车设计中应用n 8 | 。 驾驶员模型的提出，使人们能在理论上对汽车的操纵稳定性进行闭环预测 和客观评价，进而从理论上对汽车动态特性进行优化设计；并且解决了主观评 价和客观评价不一致的矛盾。 近年来，日本学者安部正人和原田宏先后在人一车闭环系统的理论研究和 定量评价方面做了很多的研究工作n 引，从理论上建立了人一车闭环系统模型， 提出了理论预测汽车易操纵性的方法及定量客观评价人一车闭环系统的评价指 标，但他们的理论存在以下主要问题啪3 ： 由于安部正人的车辆模型和驾驶员模型均采用线性模型，并且是在 6 0 k m h 移线运动上建立起来的，因此汽车的高速、非线性区以及其它任务行驶， 理论预测是否有效有待于考证。 尽管原田宏对汽车高速和其它任务行驶的情况进行了验证，但所采用的 驾驶员模型仍是线性模型。 作为综合评价指标的以考虑因素不全面。 安部正人和原田宏对理论预测结果和主观评价的相关性验证只进行了 定性说明。 1 9 8 1 年以来，郭孔辉教授在驾驶员模型、人一牟闭环系统特性及人一车闭 环系统的定量评价方面做了大量研究工作n 儿墉1 。提出了物理概念清晰、适应于汽 车非线性、考虑多方面因素的驾驶员模型和定量评价人_ 车闭环系统的综合评 价指标。在双移线和蛇行输入下，综合评价指标与驾驶员主观评价的相关系数 达到0 9 9 以上。 1 2a d a m s 仿真分析软件介绍 1 2 1a d a m s 分析软件及其特点 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 全称是机 械系统自动动力学分析软件，它是目前世界上应用最广泛且最具权威性的多体 系统动力学仿真分析软件口1 l 。它采用虚拟样机技术，将多体系统动力学的建模 方法与大位移、非线性分析的求解功能相结合：建立并测试虚拟样机，能分析 二维、三维、开环或闭环系统的运动学、动力学问题，实现在计算机上仿真分 1 0 第1 章引言 析复杂机械系统的运动学和动力学性能幢1 | 。 只要用户输入具体多体系统的模型参数，a d a m s 软件就可以根据多体系统 动力学原理自动建立动力学方程，并用数值分析的方法求解这个动力学方程， 这就给多体系统的计算分析带来了方便。而且，a d a m s 软件建模仿真的精度和可 靠性在现在所有的动力学分析软件中是最好的。 a d a m s 分析软件具有如下显著特点啦乜引： 玲可利用交互式图形环境和零部件库、约束库、力库等，以模块化的方式 建立机械系统的三维参数化模型。 分析类型包括运动学、静力学、准静力学、动力学分析，以及线性和完 全非线性分析，包含刚体和柔性体分析。其静平衡法包括多种级别积分，当一 种积分方法失败后，软件就自动开始进行第二种积分。 蛉具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，其动力学数值积分有极强 的适应性，使求解快速、准确。 ”具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型在某一个过程变化的能 力，提供多种“虚拟样机 方案。 玲具有一个强大的函数库，供用户自定义约束、力和运动发生器。 羚具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 ”具有与大多数c a d 、f e a 和控制系统设计软件之间的双向通讯接口。 ”通过采用全局定位图识别约束系统，功能更强，精度更高。 表面接触功能可自动检测接触是否发生并做出响应。 自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线 图形。 玲可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、峰值载荷以及计算有限元的 输入载荷