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基于m o d e l i c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 摘要 汽车操纵稳定性是评判汽车行驶安全的重要标准，在汽车各项子系统 中对操纵稳定性能影响权重最大的是转向系统，因此建立准确、合理的转 向系统动力学模型是准确预测汽车操纵稳定性能的关键。 为研究某低速货车液压助力转向系统的转向性能，首先在对其进行系 统动力学分析的基础上，分别建立了转向系统模型、力矩计算模型、非线 性轮胎模型及整车模型。本文采用多领域统一建模语言m o d e l i c a 在仿真平 台d y m o l a 环境下，将以上模块按照相互作用关系搭建了汽车动力学模型， 通过模型解算可获得各项用于评价汽车操纵稳定性能的结果。 其次，为获得所建模型的待定参数，针对低速货车液压助力转向系统 搭建了“汽车转向系统参数测量试验台”。设计相应的台架试验获取该系统 的各项特性参数曲线，通过m a t l a b 后处理获得各组件的角传动比、刚度、 干摩擦等特性参数。同时，通过实际测量计算和查阅手册等方式确定其余 待定参数。 再次，设计了台架实验、实车原地转向实验及转向轻便性实验三类实 验以验证本文所建模型。实验数据与仿真结果的对比表明，所建模型能够 较准确地反映车辆转向性能。 最后，参照汽车中心区操纵稳定性评价指标，通过参数灵敏度仿真分 析方法研究转向系统角传动比、刚度、干摩擦、主销后倾等参数的改变对 于车辆高速行驶时操纵性能的影响。针对厂家提出的实际问题，通过模型 仿真给出合理的建议与解决措施。 关键词：转向系统多领域建模m o d e l i c a台架实验灵敏度分析 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f a u t o m o t i v es t e e r i n gs y s t e m b a s e d o nm o d e l i c a 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 ei m p o r t a n te v a l u a t i o ns t a n d a r do ft h e d r i v i n gs a f e t y a m o n gt h ev e h i c l es u b s y s t e m s ，t h es t e e r i n gs y s t e mh a st h eg r e a t i n f l u e n c eo nt h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y t h e r e f o r e ，e s t a b l i s h i n ga na c c u r a t e a n dr e a s o n a b l es t e e r i n gs y s t e md y n a m i c sm o d e li st h ek e yp o i n tt oa c c u r a t e l y p r e d i c tt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，t oi n v e s t i g a t et h es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mi nt h el o w - s p e e dt r u c k ，am o d e l i c a - b a s e dm o d e l i n ga p p r o a c h i s p r o p o s e d o nt h eb a s i so fd y n a m i c sa n a l y s i s ，s t e e r i n gs y s t e mm o d u l e ，t o r q u e c a l c u l a t i o nm o d u l e ，n o n 1 i n e a rt i r em o d u l ea n dv e h i c l em o d u l ea r em o d e l e di n m u l t i d o m a i nu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e - - m o d e l i c a i nt h es i m u l a t i o np l a t f o r m o fd y r n o l a ，t h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e li sc o n s t r u c t e db yc o n n e c t i n gt h o s e m o d u l e sa c c o r d i n gt ot h e i ri n t e r a c t i o n a lr e l a t i o n s t h ee v a l u a t i o nr e s u l t so f v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c ec a nb eg e n e r a t e db yt h em o d e l s i m u l a t i o n i na d d i t i o n ，s i n c et h eb u i l tm o d e lc o n t a i n san u m b e ro fu n d e t e r m i n e d p a r a m e t e r , a na u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e mt e s t b e n c hi ss e tu pf o rp a r a m e t e r s i d e n t i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e ss u c ha st r a n s m i s s i o nr a t i o ，s t i f f n e s s a n d d r yf r i c t i o n a r ee s t i m a t e db yb e n c ht e s t a t t h es a m et i m e ，b ya c t u a l m e a s u r e m e n tc a l c u l a t i o na n di n s p e c t i o nm a n u a l st o d e t e r m i n et h er e s to ft h e p e n d i n gp a r a m e t e r s f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt ov a l i d a t i n gt h ep r o p o s e dm o d e l ，t h ev e h i c l es t e e r i n g p e r f o r m a n c e sa r em e a s u r e di nt h eb e n c ht e s ta n d i nt h ef i e l de x p e r i m e n t sw h i c h t e s tm a n e u v e r si n c l u d et h ep a r k i n g l o ts t e e r i n ga n dt h el e m n i s c a t e s h a p ep a t h f o l l o w i n g b yd r i v i n gt h em o d e lw i t hs t e e r i n gw h e e la n g l es i g n a l sm e a s u r e di n t e s t s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d ee s t i m a t e dp e r f o r m a n c eo ft h eh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n td a t aa n ds i m u l a t i o n r e s u l t sv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l ，a n dd e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f p r o p o s e da p p r o a c h , a tl a s t ，i no r d e rt o i n v e s t i g a t ea n di m p r o v et h e o n c e n t e rh a n d l i n g p e r f o r m a n c eo fl o w - s p e e dt r u c k ，t h ep a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa p p r o a c hi s p r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h eo n c e n t e rh a n d l i n gp e r f o r m a n c e se v a l u a t i o n ，s t e e r i n g r a t i o ，s t i f f n e s s ，d r yf r i c t i o na n dk i n g p i nc a s t e ro ft h es t e e r i n gs y s t e mm o d e lw e r e a d j u s t e dt oi n v e s t i g a t et h e i ri n f l u e n c e so nt h eo n c e n t e rh a n d l i n gp e r f o r m a n c e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s m e t h o d f i n a l l y , t h er e a s o n a b l ea d v i c ea n ds o l u t i o ni sp r o p o s e dt os o l v et h e p r a c t i c a li s s u eo ft h em a n u f a c t u r e r s k e y w o r d s ：s t e e r i n gs y s t e m ，m u l t i d o m a i nm o d e l i n g ，m o d e l i c a ，t e s tb e n c h o n - c e n t e r h a n d l i n gp e r f o r m a n c e ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 广西大学硕士学位论文 基于m o d e li c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 1 1 研究背景与研究意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早强y 匕 本课题来源于广西科学研究与技术开发项目“具有前后轮驱动和两级变速系统的新 型低速货车开发”( 桂科攻1 0 9 9 0 0 6 ) 和“广西汽车零部件研发与检测公共服务平台建设” ( 桂科能1 0 1 0 0 0 2 6 ) 。 低速货车原名是四轮农用运输车【1 1 ，在国家标准中，低速货车被定义为最高设计车 速小于7 0 k m h ，具有四个车轮的货车，主要用于农村道路上的中、短途客货运输乜1 。由 于低速货车适应农村的道路条件和农民购买力水平，且随着我国汽车制造业总体水平的 提高近几年得以迅速发展。 虽然低速货车近几年发展速度较快，但是由于其定位在农用货车，受到生产成本和 销售价格的制约，其设计理念较为落后且制造工艺较为粗糙，因此其驾驶的舒适性及操 纵稳定性能远远无法达到乘用车的要求。此外，由于低速货车长期在重载、恶劣的路况 下行驶，如果车辆出现操纵失稳现象，将会引发侧翻等严重的交通事故，所以低速货车 的操纵性能越来越受到生产厂商和用户的关注【3 。在低速货车市场竞争加剧的同时，提 高产品的综合性能则成为企业竞争取胜的关键，而在整车各项予系统中对操纵稳定性影 响最大的则是转向系统 4 1 ，因此针对转向系统的性能分析及参数优化就显得尤为重要。 1 1 2 研究意义 在汽车行驶过程中，转向是其最基本的运动，驾驶员通过操纵方向盘来控制汽车的 行驶方向，实现汽车转向意图。汽车转向系统是用来改变或保持车辆行驶方向的机构， 其性能优劣直接影响到汽车的操纵稳定性及行驶安全性【5 】。转向系统模型则是汽车动力 学模型中重要组成部分，其模型建立的准确性对于汽车动力学仿真精度具有重要影响【6 1 。 当前，汽车转向系统已发展成为涉及电气、控制、液压、机械等多个学科领域的复 杂耦合系统，而现有转向系统的设计主要是从机械系统动力学方面独立进行，人为地割 裂了各学科间的相互作用，未能从总体系统的角度去综合考虑其控制、液压、电气等方 面的问题 7 】。在我国低速货车市场竞争越来越激烈的同时，对于提高其产品设计能力和 水平显得极为迫切。因此本文引入了多领域统一建模与仿真技术【8 1 ，探讨转向系统对整 1 广西大学硕士学位论文 基于m o d e lic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 车操纵稳定性能的影响，这项研究对提升低速货车转向系统自主研发能力，提高设计质 量和设计效率，具有重要的现实意义。 本课题研究目的是优化低速货车现有的转向系统，使之与实际车型相匹配，并使整 车具有良好的操纵性能。因此本文根据厂家提出的“高速发飘”的问题，针对低速货车 的液压助力转向系统，采用多领域统一建模仿真语言m o d e l i c a 在d y m o l a 环境下建立汽 车动力学模型，并搭建试验台架测量转向系统的各项特性参数。据此，所建模型能够预 测车辆在指定输入条件下的各项转向性能指标，并提供参数优化与灵敏度分析的手段。 与此同时，利用模型的仿真结果，针对企业所提问题，提出合理的建议与解决措施。 1 2 国内外研究现状、水平与发展趋势 1 2 1 转向系统发展现状 转向系统的发展历程如图1 1 所示，由早期的纯机械式转向系统过渡到液压助力转 向系统，并随着电子控制技术的发展，相继出现了电控液压助力转向系统、电动助力转 向系统以及线控转向系统钔。 ：液压助力转向系统- ： + 电控液压助力转向系统 - 0 电动助力转向系统： r i 。_ 线控转向系统 图1 1 转向系统发展历程 f i g 1 1t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h es t e e r i n gs y s t e m 机械式转向系统的特点是结构简单、成本低廉，但是由于其完全依赖人力驱动，长 时间行驶易使驾驶员疲劳，特别在载重汽车上，由于轮胎的转向阻力很大，单纯用手力 驱动难以转动方向盘。因此，转向系统引入了液压助力转向技术( h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称h p s ) i o 】，该项技术解决了转向沉重的问题，方案成熟且成本较低，目 前依然在载重汽车上大规模使用。但是由于其助力特性不易调节，汽车直线行驶时转向 油泵依然在工作，能量损耗较大，燃油经济性不好。由此催生了电控液压助力转向系统 广西大学硕士学位论文基于m o d e1ic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 ( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) ，实现了车速感应型变助力特性。但是， 由于在原有液压系统基础上增加了电控系统，使得系统更加复杂且成本增加。电动助力 转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 主要用于乘用车，具有转向轻便、路感 强烈和回正稳定等良好优点，但由于驱动力矩来源于电机，达不到液压助力的扭矩，无 法应用于载重汽车【1 1 1 。线控转向系统( s t e e r i n gb yw i r e ，简称s b w ) 代表了转向系统 未来发展的方向，但是因为其取消了方向盘和轮胎之间的机械连接，可靠性成为该技术 普及的一个关键难题，现仍处于设计研究阶段f 1 2 】。 转向系统是保证汽车行驶安全的关键部件，其良好的助力特性能够减小驾驶员的操 舵力矩，并且具有合适的路感【13 1 。由于液压助力转向系统发展时间较长，技术方案成熟， 成本较为低廉，同时具有转向轻便、稳定安全、维护方便等优点。因此，液压助力依然 是重型载货汽车上应用最为广泛的助力转向形式。 1 2 2 转向系统建模仿真技术发展现状 转向系统模型是汽车动力学模型中的重要组成部分，因此在这里有必要简要介绍汽 车动力学模型的发展历程。随着汽车结构的不断完善以及仿真技术的日渐成熟，各国学 者对汽车动力学的认知不断加深，并提出了多种类型的汽车动力学模型【l4 1 。 1 9 3 0 1 9 6 0 年间出现的动力学模型主要为线性模型，通过试验或人为设定的方法用 拟合参数来代替轮胎、悬架等子系统的各项特性，通过局部线性化的方法将汽车简化为 基于总成特性的线性动态系统。1 9 3 0 年，德国人f r o m m 和法国人b r o u l h i e t 发现了汽车 轮胎的侧偏现象。1 9 4 0 年，在轮胎侧偏力学研究的基础上，r i e k e r t 和s c h u n c k 建立了 线性二自由度车辆模型，该模型成为汽车动力学的基础。随着研究的逐步深入，依次出 现了3 自由度( d e g r e eo f f r e e d o m s ，简称d o f s ) 、5 d o f s 、7 d o f s 、1 0 d o f s 等经典模型。 2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，随着计算机仿真技术的高速发展，各国学者开始建立复 杂的非线性动力学模型，提出了“基于侧倾中心”的建模理论。这个阶段出现的有代表 性的模型包括d j s e g a l 建立的15 自由度模型【1 5 】，美国密歇根大学g j h e y d i n g e r 等建 立的1 7 自由度模型【1 6 】，m ws a y e r s 建立的1 8 自由度模型 1 7 】。此阶段模型的重要特征 是采用分段线性手段或多项式拟合方法来描述各项子系统的非线性特性，所以无需求解 汽车各组成元件的运动微分方程，适合计算机进行实时仿真求解。这类模型的应用逐渐 走向商业化，此阶段推出的商业软件包括c a r s i m 、t r u c k s i m 、v d a n l 等。 广西大掌硕士掌位论文 基于m o d e li c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 近3 0 年来，由于工业界对汽车模型仿真精度的要求越来越高，因此多体系统动力 学开始被应用于汽车建模与仿真分析方面【1 8 】。这种基于总成结构的汽车动力学模型，由 于定义了汽车各项零部件之问的连接约束关系，可以较全面的描述汽车各子系统间相互 耦合作用，获得更加精确的仿真结果。比较流行的多体动力学分析软件主要有a d a m s 、 d a d s 一r e c u r d y n 等，应用此类软件进行仿真可以自动生成运动微分方程；并采用软件 内部集成的求解器进行仿真运算【1 9 】。虽然基于总成结构的汽车动力学模型具有精度较高 的优点，但是其缺点同样不容忽视。多体模型需要的几何尺寸和其它特性参数的数据较 多，如果本身非设计人员难以得到所有数据。此外，有些特性参数很难准确测量，如果 输入假定参数，反而导致模型仿真精度达不到预期效果。此外，由于汽车各零部件之间 质量相差巨大，使得动力学模型必定是刚性非常大的代数微分方程组，只能采用变步长 的迭代算法求解，因此求解一个动力学仿真工况耗时较长。 我国在汽车动力学领域的研究起步较晚，但国内学者注重借鉴并消化吸收国外相关 领域的研究成果，目前己取得较大进展。为分析转弯制动问题，郭孔辉教授于8 0 年代 建立了1 2 d o f s 整车模型 2 0 】。随后吉林大学在开发型驾驶模拟器建设过程中，对各组成 部件进行精细化建模并将此模型不断扩展，从1 7 d o f s 、1 9 d o f s 、2 9 d o f s 发展到如今 4 2 d o f s 的a s c l 汽车动力学模型【2 1 1 。根据相关文献介绍，此模型可以达到8 0 以上的 逼真度，说明我国在汽车动力学建模方面己达到世界先进水平【2 2 1 。 在以上介绍的各种汽车动力学模型中，由于各国学者建模思想各异，所建转向系统 模型也形式不一j 其中比较有代表性的转向系统模型有美国通用汽车公司的w k a d a m s 与r w t o p p i n g 建立的s c f s 通用模型【2 3 】；华沙工业大学z l o z i a 与d z a r d e c k i 建立的齿 轮齿条转向系统模型 2 4 】；美国密歇根大学m i c h a e ls a y e r s 等人开发的车辆动力学软件 c a r s i m 中的转向系统模型 17 ；美国s t i 公司建立的非线性汽车动力学模型 v d a n l ( v e h i c l ed y n a m i c sa n a l y s i s ，n o nl i n e a r ) 中的转向系统模型【2 习；美国m s c 公司多 体动力学软件a d a m s c a r 中的转向系统模型 2 6 ；吉林大学开发型汽车性能模拟器内置 a s c l 汽车动力学实时仿真模型中的转向系统模型【27 ；美国高速公路安全管理局 ( n h t s a ) 建立的车辆动力学模型n a d s d y n a 中的转向模型 2 8 ，2 9 ，3 0 】；瑞典皇家工程学院 的j o h a n a n d r e a s s o n 博士在多领域仿真软件d y m o l a 平台上建立的汽车动力学库( v e h i c l e d y n a m i c sl i b r a r y ，简称v d l ) 中转向系统模型【3 。 广西大掌硕士掌位论文基于m o d e1ic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 上述模型均能在一定程度上仿真汽车转向系统的动态特性，且各有其特点。在汽车 建模仿真技术中，由于转向系统模型形式众多，在此挑选几类最具代表性的模型阐述如 下： ( 1 ) 华沙模型 华沙工业大学的d z a r d e c k i 以函数l u z ( x ，a ) 与t a r ( x ，a ) 应用在描述转向系统的间隙和 干摩擦等非线性特性，z l o z i a 采用这类函数建立了齿轮齿条式的转向系统模型 2 4 1 。等 效模型如图1 2 所示，建模思想是将转向系统各部件等效为集中转动惯量，将部件之间 的连接方式等效为弹簧阻尼系统，由此建立方向盘齿轮齿条车轮之间的动 力学联系。 m 母l 图1 - 2 转向系统等效模型 f i g 1 - 2t h ee q u i v a l e n tp h y s i c a ls t e e r i n gs y s t e mm o d e l 5 广西大掌硕士掌位论文 慕于m o d e l i c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 ( 2 ) a d a m s c a r 中的转向系统模型 a d a m s c a r 是美国m s c 公司与各大汽车厂商联合开发的汽车设计软件，集成了汽 车生产厂商在整车设计与开发方面的宝贵经验，用户仅需调用软件中内置的模板根据实 测数据进行修改便可应用于仿真研究，因此大大加速和简化了建模的步骤【3 2 】。该软件以 多体系统动力学为基础；一j 包含车辆系统中几乎所有的结构细节，转向系统模型结构如图 1 _ 3 所示，该模型通过引入转向扭杆环节实现方向盘角输入到力输入的转变，根据系统 运动学和动力学方程的计算，可获得车轮转角和反馈作用在方向盘上的回正力矩。其优 点在于建模简单、仿真精度高。缺点是软件内部的方程对于用户来说是“黑箱”，无法 全面掌握模型的建模细节：而且由于模型求解过程中采用变步长的积分算法去计算大刚 性代数微分方程组，因此模型仿真耗时较长，仿真分析效率较低。 嚣毒嚣糊? 熏r 绣稍r h e e l 图1 3a d a m s c a r 中转向系统模型 f i g 1 - 3t h es t e e r i n gs y s t e mm o d e li na d a m s c a r 广西大学硕士学位论文 基于m o d e1ic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 ( 3 ) 吉林大学a s c l 汽车动力学实时仿真模型中的转向系统模型 国内吉林大学在汽车转向系统方建模仿真分析方面进行了大量工作，在郭孔辉院士 领导下，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室建立了中国首台开发型汽车性能模拟 器。其模拟器内置的a s c l 整车动力学模型中的转向系统模型是参照桑塔纳2 0 0 0 车型 的实际结构，综合考虑转向系统的弹性、阻尼、干摩擦等特性建立的力输入实时仿真模 型p 引。如图1 4 所示，该转向系统模型将内部运动等效为齿条的平移运动与车轮绕主销 的旋转运动，可较准确地计算方向盘的回正力矩及轮胎转过角度，并能够抵抗外界输入 的微小干扰【3 4 1 。但是由于其结构形式为齿轮齿条式转向系统，而没有针对循环球式转向 系统进行结构分析，因此无法用于本课题低速货车循环球式转向系统的建模。 图l 一4 a s c l 转向系统模型 f i g 1 - 4a s c ls t e e r i n gs y s t e mm o d e l ( 4 ) 多领域仿真平台d y m o l a 中汽车动力学库的转向系统模型 多领域仿真平台d y m o l a 中汽车动力学库( v d l ) 由瑞典皇家工程学院( t h er o y a l i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 汽车动力学分部的j a n d r e a s s o n 博士开发，v d l 由整车、底盘、 悬架、零部件这样的层次结构组成 3 5 1 。在统一的仿真平台框架下综合来自各个学科领域 的元件模型，在机械系统模型上可以方便地添加电子、液压、气动、控制等来自其他不 同领域的元件，而不必进行多学科软件的联合仿真，这为高精高效地进行转向系统的多 领域建模与仿真实验提供了条件。 广西大掌硕士掌位论文 基于m o d e l i c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 v d l 中转向系统模型如图1 5 所示，其理论基础是多体系统动力学，刚度、阻尼、 干摩擦等特性参数根据实验数据拟合曲线输入，在模型求解方面，d y m o t a 内置的变步 长积分算法可以将d a e ( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n ) 问题自动转化为o d e ( o r d i n a r y d i f f e r e n t i a le q u a t i o n ) 进行求解，因此在仿真的精度与速度之间取得平衡 36 | 。由于m o d e l i c a 一一语言基于广义基尔霍夫定律，通过定义模块问的连接器，支持在一个模型中包含来自多 个领域的模型组件，因此转向系统模型的机械部分可以方便的连接来自液压库的液压元 件、电子库的e c u 控制模块等，从而实现了不同领域模型之间的无缝集成和数据交换。 甍 零 图1 5 汽车动力学库中的转向系统模型 f i g 1 - 5s t e e r i n gs y s t e mm o d e lo f t h ev e h i c l ed y n a m i c sl i b r a r y 基于m o d e l i c a 的仿真模型可以快捷实现机械、电子、液压与控制等模块问的通讯， 提高了建模效率，可以方便快捷地对变量参数进行控制，因此非常适合于汽车这类高度 耦合复杂系统性能分析及仿真优化【37 1 。由于现代汽车的转向系统已经逐步向机电液一体 化的方向发展，从转向系统的建模仿真技术来看，多领域统一建模与仿真技术代表了其 未来发展的方向。 厂西大学硕士学位论文 基于m o d e1ic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 i 2 3 多领域统一建模仿真技术发展现状 随着汽车工业的高速发展，汽车已由早期的纯机械式结构，发展成为集机械、电子、 液压、气动、控制等多学科领域的功能单元于一体的复杂耦合系统。但是由于其涉及多 个学科领域的问题，也给汽车的性能仿真分析带来了不小的困难，具体表现为：在产品 的建模与仿真分析过程中，由于各个领域的功能单元需要使用不同的建模方式，因此无 法在a d a m s 、c a r s i m 、m a t l a b 这类单一领域的软件中进行不同领域的建模。若通过联合 仿真的方法【3 引，模型的通用性与可重用性又将大打折扣，因此多学科领域的建模仿真方 法及仿真工具成为汽车建模仿真技术中急需解决的技术难题。 瑞典学者e l m q v i s t 于1 9 7 8 年在其博士论文工作中，提出了第一个多领域混合建模 仿真语言d y m o l a ( d y n a m i cm o d e l i n gl a n g u a g e ) ，采用公式和模型框图操作相结合的方 法，将d a e 问题化为o d e 求解【3 9 1 。此后经历2 0 余年的发展，各种多领域建模仿真语 言如雨后春笋般涌现出来，但是众多建模语言各有优缺点并互不兼容。为此，欧洲仿真 协会e u r o s i m 开始致力于为多领域建模语言制定统一标准，在1 9 9 7 年推出了一种全 新的多领域统一建模语言m o d e l i c a 4 0 1 。它综合了先前多种建模语言的优点，支持多种建 模方式，其内核采用了面向对象的封装与继承技术，因此模型可重用性较好。由于语言 本身具有多领域建模的优良特性，m o d e l i c a 在欧洲仿真界应用广泛，目前已经发展成为 多领域建模语言的标准。从推出到现在的短短十五年间，基于m o d e l i c a 的各领域模型库 得到了迅猛增长，世界各地的研究人员均可在m o d e l i c a 协会的网站下载免费的共享模型 库和付费的专业领域库 4 1 1 ，应用于自己所建的模型当中。目前m o d e l i c a 的版本已经更 新至3 2 ，在美国机动车工程师学会( s a e ) 及m o d e l i c a 年会上已有大量基于m o d e l i c a 的车辆仿真分析文章发表。 为实现多领域工程系统的建模与仿真，需要有相应的平台提供建模仿真与编译求解 功能，到目前为止，己经有多个工具完整支持基于m o d e l i c a 的建模与仿真。如法国达索 系统的d y m o l a ，瑞典林雪平大学的o p e n m o d e l i c a ，瑞典m o d e l o n 公司的j m o d e l i c a ，德 国i t i 公司的s i m u l a t i o n x 以及华中科技大学开发的m w o r k s 等。以上所述仿真平台各有 其特点，其中以d y m o l a 功能最为突出，其程序架构如图1 - 6 所示。该仿真平台全面且 完整的支持了基于m o d e l i c a 的建模、仿真、编译、求解及后处理等功能，并可导入其他 数据文件和图形文件，导出代码以支持硬件在环仿真技术，由于其强大的功能也成为本 课题所选用的仿真平台。 广西大学硕士学位论文 基于m o d e li c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 口 c o 口 。 塞 c o 噶 ： c c 坤 量詈 西 耋善 图i - 6d y m o l a 程序架构框图 f i g 1 6a r c h i t e c t u r eo fd y m o l a m o d e l i c a 白其诞生以来发展迅速，由于其支持非因果的数学描述方式【4 2 1 ，工程人员 在使用时能够将精力更集中于物理系统本质特性的描述而更少地关注其数学求解方式， 因此在工程界应用越来越广泛。斯堪尼亚、福特、采埃孚、丰田、中国重汽集团大同齿 轮有限公司、奇瑞等国内外知名企业均已采用m o d e l i c a 进行复杂物理系统的仿真应用。 瑞典斯堪尼亚公司采用m o d e l i c a 语言在d y m o l a 环境下针对重型载货汽车进行建模，以 评估不同控制策略对于燃料消耗的影响【4 3 】；德国采埃孚公司采用s i m u l a t i o n x 进行建模 与仿真以分析变速箱和行星变速箱中摩擦力的影响【删；大众福特针对混合动力汽车基于 m o d e l i c a 进行建模与仿真已评估发动机对动力传动系统振动的影响【4 5 】；日本丰田公司采 用m o d e l i c a 进行整车建模与仿真，并将d y m o l a 平台中的混合模式积分算法成功应用于 发动机模型的硬件在环仿真实验【4 6 】；奇瑞公司利用m o d e l i c a 在m w o r k s 平台上建立了乘 用车多领域模型库，实现了机械、液压、控制等多领域耦合系统的建模与仿真。 目前国内的高校与研究所应用m o d e l i c a 进行汽车动力学仿真分析方面的研究还处 在起步阶段，如华北工学院的李炯采用m o d e l i c a 在d y m o l a 环境下针对发动机进行系统 建模与动态仿真，对发动机性能进行预测 4 7 】；华中科技大学的陈小国在仿真平台 s i m u l a t i o n x 下对混合动力车辆进行建模与仿真测试研究，通过仿真验证了所建模型的 广西大学硕士学位论文 基于m o d elic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 正确性 4 8 】；中北大学的董亮针对电动助力转向系统在d y m o l a 中建立机械部分，在 s i m u l i n k 中建立控制部分，并将这两者结合起来按照国家操纵稳定性试验标准针对模型 进行联合仿真分析【4 9 】；吉林大学的陈舒平对汽车液压助力转向系统采用m o d e l i c a 语言 进行建模与仿真分析【5 0 】；华中科技大学的何力博士以多领域统一建模理论为基础，在 m w o r k s 中建立用于分析重型卡车制动系统的动态模型，并对其进行了仿真优化【5 1 1 ；中 山大学的熊会元等人基于m o d e l i c a 语言建立了太阳能电动汽车电机、电池、电控等系统 模型与层次化整车模型，并针对模型进行动力性能仿真，验证了此方法与模型的正确性 5 2 1 o 目前对于复杂物理系统建模方法通常是采用各领域仿真软件进行该学科领域内的 建模，然后将不同领域的模型通过软件接口进行数据交换，从而实现多学科耦合复杂系 统的联合仿真。例如：合肥工业大学的陈无畏等人采用m a t l a b 建立e p s 控制系统，在 a d a m s c a r 中建立整车模型，通过软件接口通信将控制系统与整车模型进行联合仿真 【3 2 1 。北京理工大学的晋兵营等人在a m e s i m 软件平台上构建了e p s 系统的仿真模型， 在m a t l a b 中设计控制器模型，进行联合仿真【5 3 1 。吉林大学的周金等人基于 m a t l a b s i m u l i n k 建立了转向系动力学模型，并将其与试验样车的c a r s i m 整车动力学模 型连接，进行联合仿真【5 4 】。上述这些多领域复杂系统联合仿真方法能够获得较准确的结 果，但是存在如下缺陷：一是建模工具的不统一，不能在统一的建模环境下完成整体系 统建模及仿真；二是模型表达机制的不统一，由于各专业领域的建模工具数据表达机制 并不统一，导致不同领域的模型难于进行数据交换。上述联合仿真的方法不仅在数据交 换方面受到软件接口的限制，且在理论建模方面不具备开放性和可扩充性。 从以上分析来看，多领域、多学科的交叉融合己成为汽车性能仿真分析中的发展趋 势，各国学者及工业界均采用m o d e l i c a 在汽车建模与仿真分析方面做了大量的工作。随 着多领域统一建模仿真技术的推广应用，汽车转向系统建模与仿真分析方面必将获得新 的突破。 1 3 研究内容与本文结构 1 3 1 研究内容 根据课题要求，本文针对某企业生产的白卸式低速货车的液压助力转向系统进行研 究，采用多领域统一建模语言m o d e l i c a 在仿真半台d y m o l a 环境下建立了用于操纵稳定 广西大掌硕士学位论文 基于m o d e l i c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 性能分析的汽车动力学模型。该模型包括转向系统模块、整车模块、轮胎模块及力矩计 算模块，输入为实际方向盘的转角信号与车速信号，通过模型解算可以获得用于评价汽 车操纵稳定性能的各项结果。 由于模型中包含大量特性参数，因此作者针对低速货车的液压助力转向系统搭建了 “汽车转向系统参数测量试验台，通过台架试验及数据处理获得实际系统各部件的角 传动比、刚度、干摩擦等各项特性参数。针对不同工况，确定各项参数输入模型中进行 仿真计算，通过台架实验与实车实验验证所建模型，结果表明仿真模型能较准确地反映 车辆的转向性能。模型验证之后，针对厂家提出“高速发飘”的问题，通过分析转向系 统角传动比、刚度、干摩擦、主销定位参数的变化对中心区操纵特性的影响，对试验样 车进行评估和优化，给出合理建议与解决措施，并提出改善汽车高速操纵稳定性能的方 法。 1 3 2 本文结构 第一章：论述本文研究背景与研究意义，并简要介绍汽车转向系统发展历程、转向 系统建模仿真技术发展现状与多领域统一建模建模仿真技术发展趋势。 第二章：提出本文用于操纵稳定性能分析的汽车动力学模型，包括转向系统、整车、 轮胎及力矩计算等多个模块，给出汽车动力学仿真模型总体架构，并在d y m o l a 中采用 m o d e l i c a 语言编程实现。 第三章：搭建汽车转向系统参数测量试验台架，介绍各组成部件的设计与数据采集 程序的编制。 第四章：设计实验获取转向系统的角传动比、刚度、干摩擦等各部件的特性参数。 第五章：通过台架实验和实车实验对模型进行验证，并分析仿真结果。 第六章：针对模型参数进行灵敏度分析，并根据企业提出的实际问题给出合理的建 议与解决措施。 第七章：总结全文所做的工作，并提出未来可以继续加以研究的方向。 广西大学硕士学位论文基于m o d e1ic a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 第二章基于m o d e l i c a 的转向系统模型搭建 从复杂机械系统的组成来看，汽车转向系统由许多质量、惯性元件及弹簧、阻尼器、 摩擦元件等组成【5 5 l 。本文依据转向系统的物理模型采用降阶建模方法来列写转向系统的 动力学微分方程，该模型综合考虑转向系统内部各元件的转动惯量、角传动比、刚度、 阻尼及干摩擦等因素的影响。 基于上述考虑，本文采用m o d e l i e a 语言在d y m o l a 环境下针对该自卸式低速货车的 液压助力转向系统进行建模与仿真分析。首先进行转向系统动力学建模，同时对转向系 统内部各类力矩进行分析与计算，并加入轮胎模型与整车模型，最终构造出用于汽车操 纵稳定性能分析的汽车动力学模型。 2 1 转向系统动力学模型搭建 2 1 1 模型框图及参数定义 本课题的研究对象是自卸式低速货车的循环球式转向系统，其结构形式见图2 - 1 。 髓隧横羧耪 图2 1 循环球式液压助力转向系统 5 6 】 f i g 2 1r e c i r c u l a t i n gb a l lt y p eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 根据降阶建模思想将该系统划分为具有四个集中转动惯量的系统 5 4 1 ，即方向盘组件 转动惯量厶，转向摇臂的旋转惯量i e 以及左、右侧转向前轮组件绕其主销的转动惯量 i k e 。、k ：。该模型具有六个转动自由度，描述这六个自由度的运动变量分别是：方向 盘转角瓯，转向柱转角& ，转向扭杆转角4 ，转向摇臂转角讳，左、右侧转向前轮 1 广西大学硕士学位论文基于m o d e li c a 的汽车转向系统实验建模与仿真研究 组件绕其相应转向主销的转角、：。分别对每个组件进行受力分析，采用牛顿第 二定律建立该组件的动力学方程，然后将各组件的动力学方程综合起来便得到整个转向 系统的动力学微分方程组。 图2 2 液压助力转向系统模型框图 f i g 2 - 2h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mm o d e ls c h e m a t i c 表2 1 、表2 2 分别为转向系统模型中各项静态测量参数与动态仿真变量。 表2 1 转向系统模型静态测量参数 t a b l e2 - 1s t a t i cm e a s u r