（光学工程专业论文）转向系统综合刚度知识模型的建立与应用.pdf

摘要 摘要 论文首先论述了国内卡车与国外的差距，不是功率或其他宏观上的，而是 在可靠性、耐久性、电子化及与人主观感受如操纵性等全方位的差距。要赶上 这些差距，就需要细节方面的努力，在设计与匹配上面精益求精，这就必须要 有依据地进行设计，而非关注的自主开发，外界认为仅仅是外形设计加品牌营 销这么简单。因此，本文将汽车的操纵稳定性的工程应用定为研究课题。 然后，就4 x 2 卡车建立转向系统综合刚度计算模型，就其计算原理和应用 特性进行了论述，为在实际应用铺垫基础。 转向系统的操纵稳定性，是一个复杂的问题，理论模型的计算，必须要有 实验数据的支撑，理论的模型才有应用的意义与可行性。反过来一些经验数据 也可以积累起来，使设计水平逐步提高。因此，本文建立了转向系统综合刚度 试验模型。 最后进行实例应用。总之，本文对如何从根本上提升我们的自主开发设计 能力，有一定的借鉴作用。 关键词：汽车操纵稳定性转向系统 v a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e rf i r s te l a b o r a t e dt h ed o m e s t i ct r u c ka n dt h eo v e r s e a sd i s p a r i t y , i sn o tt h e p o w e ro ro t h e rm a c r o s c o p i co n , b u ti si nt h er e l i a b i l i t y , t h ed u r a b i l i t y , e l e c t r o na n d s u b j e c t i v e l yf e e l sl i k em a n e u v e r a b l ya n ds oo i lw i t ht h eh u m a nt h eo m n i - d i r e c t i o n a l d i s p a r i t y m u s tc a t c hu pw i t l lt h e s ed i s p a r i t i e s n e e d st h ed e t a i la s p e c tt h ee n d e a v o r , s t r i v e sf o rp e r f e c t i o na b o v et h ed e s i g na n dt h em a t c h , t h i sm u s th a v et oh a v et h eb a s i s t oc a r r yo nt h ed e s i g n , b u tt h en o n - a t t e n t i o ni n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t , t h eo u t s i d e t h o u g h ti sm e r e l yt h ec o n t o u rd e s i g na d d st h eb r a n dm a r k e t i n gt ob es u c hs i m p l e t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ed e c i d e sa st h ea u t o m o b i l eo p e r a t i o ns t a b l ep r o j e c ta p p l i c a t i o n t h er e s e a r c ht o p i c t h e n , t h e4 x 2t r u c ke s t a b l i s h m e n ts t e e r i n gs y s t e ms y n t h e s i sr i g i d i t yc o m p u t a t i o n m o d e l ，i t sc o m p u t a t i o np r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a v ec a r r i e do nt h e e l a b o r a t i o n , f o ri np r a c t i c a la p p l i c a t i o nu p h o l s t e r yf o u n d a t i o n t h es t e e r i n gs y s t e mo p e r a t i o ns t a b i l i t y , i sac o m p l e xq u e s t i o n , t h et h e o r e t i c a l m o d e lc o m p u t a t i o n , m u s th a v et oh a v et h ee m p i r i c a ld a t u mt h es t r u t , t h et h e o r y m o d e lo n l yt h e nh a st h ea p p l i c a t i o nt h es i g n i f i c a n c ea n dt h ef e a s i b i l i t y i nt u r ns o m e e m p i r i c a ld a m sa l s om a ya c c u m u l a t e ，m a k e st h ed e s i g nl e v e lt oe n h a n c eg r a d l l a l l y t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l e h a se s t a b l i s h e dt h e s t e e r i n gs y s t e ms y n t h e s i sr i g i d i t y e x p e r i m e n tm o d e l f i n a l l yc a r r i e so l lt h ee x a m p l ea p p l i c a t i o n i nb r i e f , h o wd o e st h i sa r t i c l et o f u n d a m e n t a l l yp r o m o t eo u ri n d e p e n d e n td e v e l o p m e n td e s i g n e dc a p a c i t y , h a st h e c e r t a i nm o d e lf u n c t i o n k e yw o r d s ：a u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e mo p e r a t i o ns t a b i l i t y v i 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。 学位论文作者签名： 年月日 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 i i i 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。 签名： 年月 日 第1 章问题的提出及其背景分析 第1 章问题的提出及其背分析 1 1述 当今世界汽车工业迅猛发展，汽车已经成为人们日常生活和工农业生产中 不可缺少的重要交通运输工具。而随着汽车的普及，人们对汽车的要求也越来 越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求汽车具有良好的操纵稳定 性。汽车的操纵稳定性一方面决定汽车驾驶员的操纵方便性，另一方面也决定 汽车行驶的安全性。由于汽车的操纵稳定性不好，导致车毁人亡的交通事故在 世界各地屡有发生。要想提高汽车的操纵稳定性，只有通过对汽车系统动力学 的深入研究才能实现。 随着我国国民经济的快速稳步增长，高速公路里程不断增长，货运行业快 速发展起来，卡车制造行业的竞争也日趋激烈，国内外各大卡车厂家纷纷参与 了这场竞争，高速重载卡车竞争尤为激烈。国内企业在带挂车的重载牵引车方 面的经验积累较少，一般通过技术引进或合资来弥补技术上的不足从而能够获 取进一步参与竞争的机会，否则又陷入了同轿车相似的技术落后，落后再技术 引进的怪圈，但相对于轿车而言，我国卡车设计技术与国际先进水平差距较小， 在此基础上开展消化吸收并创新是可能的。 为适应市场需求，通过消化吸收、优化嫁接，引进了国外先进汽车技术， 在此基础上设计开发生产适合我国市场的重型卡车，在样车性能评价及后续的 技术消化过程中将需要对整车各系统进行深入分析，作为技术难度最高的牵引 车是重点分析的对象，本课题正是在这样的背景下提出来的。 1 2 论文工作的提出 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，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，且当遇到外界干扰时，汽 车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。它不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程 度，而且也是决定高速汽车安全行使的一个主要性能，人们称之为。高速车辆 的生命线”，随着道路状况的不断改善，汽车车速往往都大于1 0 0 k h ，有的轿 第l 章问题的提出及其背景分析 车甚至可以超过3 0 0k m h ，汽车的操纵稳定性日益受到重视，成为现代汽车的 重要使用性能之一。不少汽车存在“高速发飘”的问题在高速时司机往往 感到难以控制汽车的行驶方向。但有的汽车，尽管车速很高，司机对汽车行驶 方向的准确控制却感到很有信心。一般的汽车，行驶车速越高，操纵稳定性问 题也越突出，造成事故的性质也越严重。然而，这不等于说速度低的汽车就没 有操纵稳定性问题，实际上有些载重车、吉普车、旅行车等，在较低的车速下 ( 例如4 0 k m h 左右) ，也出现过不少因方向失控( 多数是甩尾) 而造成安全事故 的例子。 对汽车操纵稳定性的系统研究，早在四十年前就已经开始了，并且已经取 得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面比起早期的汽 车有了很大的进步，有关的研究文献也非常之多，但是至今仍然有许多方面还 缺乏明确的认识。现在，计算机仿真的研究已经可以越来越详尽地模拟汽车操 纵特性的各种细微末节，但是仍然有些大的蓦本问题并没有根本解决。例如， 从理论和试验上如何确切的评价汽车操纵稳定性的优劣，至今还是不够明确 的。 由于精力及能力有限，本文只讨论二轴卡车( 以牵引车为例子) 的操纵稳 定性，在多自由度理论模型的基础上，建立试验模型，并进行实际应用。 在高速牵引卡车领域，现在多向挂车或半挂车方向发展，从结构特征上来 看，牵引头可以看作是一个短轴距的卡车，牵引车最高时速往往大于l o o k m h ， 因此良好的操纵稳定性对于车速较高的重载牵引车至关重要，是现代重载牵引 车设计所追求的目标。 转向系统的各零部件尤其是一些杆件、支架均具有一定的弹性，这使得转 向轮的实际转角要比驾驶员转动方向盘并按转向系角传动比换算成转向轮的 转角要小，这样就会有不足转向的趋势。作为操纵稳定性计算力学建摸时所需 要输入的参数之一的转向系统综合刚度( 包括转向管柱、转向器的固定支架、 传动杆系的刚度) 对整车操纵稳定性影响较大，如转向系统综合刚度不足会引 起汽车高速行驶时发摆、发飘，转向系统综合刚度对轮胎的侧偏刚度影响也很 大，假设为不考虑转向系统综合刚度时的轮胎的侧偏刚度，而c 二为考虑转 向系统综合刚度时的轮胎的侧偏刚度( 俗称等价刚度) ，则有以下关系： 2 第1 章问题的提出及其背景分析 c 口2 函c a ( 1 2 - 1 ) c 墨 式中b 为拖后距( 后倾拖距与轮胎拖距之和) ，c s 为转向系统刚度，为不 考虑转向系统综合刚度时的轮胎的侧偏刚度。 由上式可见：当c 殖很大时，m ，当仍值很小时，前轮的侧偏刚度 为以，且巴 c ，后者表明：如果转向系统综合刚度不足，则会使前轮的 侧偏刚度减小，并且会导致汽车不足转向倾向的加剧，使汽车的转向灵敏性变 差。 为了获得良好的路感，转向系的刚度应高一些。特别是在转向盘中间位置 小转角范围内应有尽可能高的刚度。 因整车悬架型式可分为独立悬架和非独立悬架两种型式，对于非独立悬架 汽车由于其轮轴是一体的，当支撑轮轴使车轮离地时，转向系统各零件之间的 结构关系基本保持不变，所以可以在此种工况下对转向系统刚度进行测量。而 独立悬架汽车当支起底盘时车轮及转向系统的位置将大大偏离其工作时的位 置，所测参数将没有实际意义，所以独立悬架汽车必须将车轮置于浮盘上才能 有效地对其转向系统刚度进行测量。另外对于独立悬架汽车而言；由于悬架下 摆臂的纵向摆动会引起转向轮的纵向位移和所谓的顺从性转向，所以在对独立 悬架汽车转向系统剐度的测量中还应涉及悬架下摆臂纵向摆动刚度及纵向摆 动角刚度的测量。独立悬架汽车比非独立悬架的悬架一转向系统更为复杂，也 给实际测量带来了更多困难。故本课题研究的范围只针对作者所从事研究的非 独立悬架型式的车辆。 本课题结合作者在研究某型4 x 2 重型牵引车操纵稳定性的过程中对转向系 统综合刚度的设计计算方法作相关的研究与分析，对如何进行试验测试作探讨 与优化，并对实际开发的牵引车运用优化测试方法进行试验得出相关数据与曲 线并评价。希望通过本课题的研究，能为相关工程设计人员或试验人员提供参 考。 因为轮胎本身是一个复杂的弹性体，对操纵稳定性影响很大，有关轮胎有 比较经典成熟的模型，所以本文研究的对象是除去轮胎后的整个转向系统综合 刚度。 第1 章问题的提出及其背景分析 1 3 论文的贡献 目前的专家、学者们建立了很多复杂的多自由度整车动力学模型，并利用 这些模型来对转向系统进行了各种理论方面的研究，但这些理论很少被用到实 际的工程实践当中。现有的对转向系统的评价还主要是靠试制出样车以后，再 进行路试来进行，这种方法延长了开发周期也增加了开发风险。 本篇论文通过对多自由度整车动力学模型的分析，建立了转向系统综合刚 度的计算模型，用于开发前期的设计计算，可以让设计人员在初步设计筛选中 排除那些与最优结果相距较大的方案降低开发风险。然后，在转向系统综合刚 度计算模型的基础上建立了几种测量转向系统综合刚度的试验模型，并通过对 比，确定了最佳的试验方法。为试制之后的产品定型工作提供了有实用价值和 指导性的试验方法。 1 4 论文结构 下图为本论文的结构： 图1 1 论文章节组织结构 4 第2 章相关述评 第2 章相关述评 2 1 操纵稳定性的研究现状 汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，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，且当遇到外界干扰时， 汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。操纵稳定性是汽车的重要的基本性能 之一。 对汽车操纵稳定性的系统研究，早在四十年前就已经开始了，并且已经取 得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面比起早期的汽 车有了很大的进步，有关的研究文献也非常之多，但是至今仍然有许多方面还 缺乏明确的认识。现在，计算机仿真的研究已经可以越来越详尽地模拟汽车操 纵特性的各种细微末节，但是仍然有些大的基本问题并没有根本解决。例如， 从理论和试验上如何确切的评价汽车操纵稳定性的优劣，至今还是不够明确 的。如果评价汽车操纵稳定性优劣的标准模糊，那么，在研究如何获得良好性 能的问题上就势必遇到根本的障碍。 如果在评价标准问题上能获得明确的认识，那将会使汽车操纵稳定性的研 究大大前进一步。为了促进对这个问题的认识，近年来产生了一个引人关注的 研究方向，即把汽车和司机一起当作一个闭环系统来研究。同时，对司机的动 力学特性的研究也就成了越来越重要的问题。当然，这种对汽车闭环系统的研 究，归根到底还是为了获得有良好特性的汽车。因此，这种闭环系统的研究不 是对开环系统( 即只研究汽车本身的特性) 研究方法的否定，而是为其提供了更 可靠的前提。在某种意义上说，是为了提出评价汽车特性的更确切的指标。而 这些评价指标研究的结果往往会产生对试验方法和手段的新要求。 2 1 1 备类软件在研究中的应用 国内外大多数汽车设计公司或整车制造厂家在设计开发新车型的过程中， 都需要对整车各系统及整车总体匹配作各种各样的设计计算并模拟试验，这需 要相应的设计开发软件，包括通用的和专用的软件，由于汽车的操纵稳定性对 于一个新车型开发来讲至关重要，国内外很多科研院校、研究单位对此都投入 了大量的人力物力，开发出了诸如a d a m s 、d a d s 等通用软件，通用软件使 用稳定，可维护性好，对软件使用者的专业知识及经验要求不高，因此，使用 第2 章相关述评 范围较广，但其价格较贵，且无法了解软件在数值求解过程中的核心计算方法， 对数学模型的要求较严格，建模时需要输入详尽的参数，常常会因为某个数据 引起整个计算结果的发散。目前，许多专业的汽车设计公司或院校针对操纵稳 定性的特点，在通用软件的基础上经过二次开发，开发出了如c a r s i m 、a r c s i m 等专用软件，有的还可以继续进行三次或多次开发，来满足使用需求。 2 。1 2 操纵稳定性的主观评价法 用主观评价法评价汽车的操纵稳定性，主要是驾驶员驾驶车辆时对车辆响 应的主观感觉。 在研究中，人们不断地总结经验，得出许多有价值的结论。人们发现操纵 稳定性不好的汽车，通常有如下的表现： ( 1 ) 驾驶员并未发出指令，而汽车自己却不断的改变行驶的方向，使人感 到漂浮。 ( 2 ) 有时汽车就像受惊的马，突然地忽东忽西，不听驾驶员操纵。 ( 3 ) 驾驶员转向指令虽然已发出相当时间，但汽车还没有转向反应，或转 向过程完成地过慢。 ( 4 ) 驾驶员给出稳定的转向指令，但汽车却左右摇摆，行驶方向难以稳定。 这样的汽车在受到路面不平或突然阵风的扰动时，也会出现这种摇摆。 ( 5 ) 正常汽车的转弯程度，会通过转向盘在驾驶员的手上产生相应的感觉。 有些操纵性能不好的汽车，特别是在车速较高时或转向较剧时会丧失 这种感觉。这会增加驾驶员的操纵困难程度或影响驾驶员作出正确的 判断。 ( 6 ) 某些汽车在车速超过某一个临界值之后或向心加速度超过一定值之 后，驾驶员完全不能控制汽车的行驶方向。 上面只是列举了几种基本现象，都是属于感性认认识，还不是科学的描述。 操纵稳定性好的车辆应该有如下性质： ( 1 ) 应该容易控制( 对驾驶员要求不应过高) ； ( 2 ) 在出现扰动时，不应使驾驶员感到突然和意外； ( 3 ) 操纵稳定性的行驶极限应能清楚地辨别。 所用的操纵稳定性评价准则亦应能概括上述这几点。 对于汽车操纵稳定性主要是通过模拟以及实际交通工况的比较，以及研究 6 第2 章相关述评 工程师的主观判断去描述和评价。在研究中，人们逐渐认识到制定一个科学合 理的评价指标对操纵稳定性的研究尤为重要。 目前，有代表性的各国采用的操纵稳定性试验评价方法，种类颇多，下面 列举下一些常见的试验评价方法： ( 一) 角阶跃输入试验 方法是，当汽车已恒定车速直线行驶时，突然将方向盘转过一定角度，使 汽车进入转弯运动状态，同时记录汽车的运动状态横摆角速度、重心侧偏 角、车身侧倾角、侧向加速度等运动参数的变化过程。通常最主要的评价依据 是横摆角速度的反应。 ( 二) 角脉冲输入试验 它与角阶跃输入试验类似，不过，转向盘的角输入波形不是“阶跃”形的， 而是“脉冲”形的。这种试验通常用来做频率特性分析。 ( 三) 正弦角输入试验 与前两种试验不同之处在于将转向盘输入波形改为正弦波形。用不同频率 的正弦波输入，可以得到不同频率下输出与输入的幅值之比幅频特性和不 同频率下的输出与输入的相位差相频特性。 ( 四) “回正性”试验 按美国e s v 规定，汽车作等速圆周行驶，稳定后突然撤开方向盘，测定横 摆角速度与重心侧偏角的变化过程。 ( 五) “撒手稳定性”试验 汽车以一定车速直线行驶，突然转动方向盘并立即撒手。以横摆角速度的 自然频率和衰减率作为评价指标。 ( 六) “蛇行”绕桩试验 汽车反复穿过按一定形式摆设的标杆，越快地穿过全程就说明汽车的蛇行 绕桩能力越强。通常用穿越全程的时间作为评价指标。以不碰杆和不翻车作为 能力的极限。 2 1 3 人一车环境的闭环仿真模型简介 目前，在评价整车的操纵稳定性能时，多数是采用主观评价法，道路试验 花费了大量的时间和金钱，且由于是试验员的主观感觉，不同的人有不同的观 念，而且，该种方法是在实车路试时进行，不能在研发过程中及时发现问题， 7 第2 章相关述评 既浪费了资金又浪费了开发周期，影响了新车的上市时间。 所以，开发人车环境的闭环仿真模型就显得尤为重要。该模型将计算机 三维仿真技术应用于该系统中，在可视的仿真环境下动态显示车辆的操纵稳定 性，如吉林大学汽车动态试验室建立的在世界上属于领先水平的人车- 环境的 闭环仿真模型。 人车环境的闭环操纵稳定性仿真模型中主要用到的数学模型包括整车动 外形参数 图2 - 1 人- 车环境闭环仿真各模型关系 力学模型、轮胎模型、驾驶员模型、道路模型等，各模型之间的关系如下图 2 - l 所示。 2 2 整车动力学模型 由前一小节的论述可知，整车动力学模型是整个仿真的核心部分，仿真的 最终结果取决于整车动力学模型。整车动力学模型包括最简单的二自由度到复 杂的十一自由度模型，复杂的动力学模型可以得到更精确的仿真结果，但所需 要的输入参数也多。经过学者们的努力，力学模型逐渐由线性模型发展到非线 性复合参数模型( n o n - l i n e a rc o m p o s i t em o d e l ) ，模型的自由度由两个自由度发 展到十几个自由度。比较具有代表性的是；d j s eg a l 建立的十五自由度模型， 美国密西根大学建立的十七自由度模型，m i c h a e ls a y e r s 建立的十八自由度模 2 章相关述评 型。d j s e g a l 立的十五自由度型，这十五个自由度分别为： 质六个：沿三个坐标轴的动和三个坐标轴的动； 前向轮五个：上下动、主的 、轴的 ； 后轮四个：上下动、轴的 。 这些型的共同点是将车化成三个集中质子系： 质( 车 身) ，前非质( 前架、前轴、前轮总成) ，后非黄质( 后架、后 轴、后轮总成) ，并对轮胎和架的非性性进行了不同程度的化述。 在对受力和运动合分析的基础上，利用拉格朗日( l a g r a n g e ) 或( n e w t o n ) 力学方 法立动力学分方程，后在计机上迸行值求。型中采用少的易 测和易估计的复合参来述架性，短仿真前处理时间， 低了测 架参的难度，也免了求复杂的运动学、动力学方程。此外，用不同 的参组相当于改变了架形式，因而保证了型的用性。但是，这类 型中，许多总成是过试或人为地化，用一组拟和参来代和表达的。 得的这些参一是系的态和准态试参，与汽车实际运动状态 中的动态参有一定的误差，这样，必对计度有所响。所以，要得 到高度的型，要经过反复试，修改和证，工作周长。近二十年 发展来的多体系动力学理论为立多自由度汽车动力学型供了一个 有力工具。应用多体系动力学的仿真型将汽车架系的每一个部件看作 是刚性体或性体，同时也包括刚体的所有节点。个型自由度非常多( 可达 到上百个) ，更全面地述了汽车各个子系的运动及相互合作用，可用于汽 车纵定性、动力性、动性的研究。以多体系动力学理论为基 础写的大型用软件为工程技术人员供了方便的手。应用大型用 软件自动生成运动学和动力学方程，并利用软件内部的学求准的求 ，不要人工立和求方程，写程序，因而节省大的时间和人力 物力，高工作效。 由于这些参大多是基础试得的，因此研究车纵定性是一个 迸的过程，可以根据不同阶，不同的要求不同的型，从而得所 要的仿真结果。 2 2 1 二自由度动力学模型 在该力学型中( 见图2 - 2 ) ，设条件为； 9 第2 章相关述评 1 忽略转向系的影响，以前轮转角作为输入； 2 汽车只进行平行于地面的平面运动，而忽略悬架的作用； 3 汽车前进( 纵轴) 速度不变，只有沿y 轴的侧向速度和绕z 轴的横摆运 动( 秒 o 4 9 ) ； 4 驱动力不大，对侧偏特性无影响； 5 忽略空气阻力； 6 忽略左右轮胎因载荷变化引起轮胎特性的变化； 7 忽略回正力矩的变化 8 悬架系统与转向系统的侧倾转向角、侧向力转角、轮胎侧偏角等视为 一等价的前后轮的综合侧偏角。 如图2 2 ，因为 甲= 审+ p 故重心处的横向加速度为： 夕：y 粤：v ( f l + r ) 7 毋 ( 2 2 1 ) 图2 - 2 二自由度模型 1 0 第2 章相关述评 由几何关系有： ：声+ 皂，一万 ， ：口一蔓， 矿 由y 向力平衡和绕重心的力矩平衡得： l 删妒- i - ，) = ( b + e ) i ： = 1 2 f r l l f r 以及 f