（车辆工程专业论文）基于操纵稳定性的客车前轮定位参数优化设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着计算机科学技术的发展，计算机虚拟仿真技术得到了快速发展，在机械 产品的设计过程中应用虚拟样机技术，大大缩短了设计周期，降低了开发成本。 因此，以多体系统动力学为理论基础的动力学虚拟仿真是进行汽车研究的一种有 效方法，为汽车产品的研发提供了新途径。 首先，介绍了汽车前轮定位参数研究的发展历史和发展趋势，前轮定位参数 对操纵稳定性的影响。总结回顾了汽车操纵稳定性研究的发展及其评价方法。 其次，以多体动力学理论及虚拟样机技术为基础，应用机械系统仿真分析软 件a d a m s ，创建了某大型空气悬架客车前悬架、后悬架及转向系等多体系统动力 学模型，并在此基础上创建了包括发动机、车身、前后轮胎等在内的整车模型。 对空气悬架客车进行了道路试验，以及在a m s 软件中对整车虚拟模型进行相应的 仿真试验，将试验数据和仿真数据进行对比，验证了所创建的整车模型的可靠性。 然后，按照国家标准g b t 6 3 2 3 卜9 4 g b t 6 3 2 3 6 9 4 汽车操纵稳定性试验 方法中的要求，编写了整车操纵稳定性仿真分析的驱动控制文件，对整车模型 进行了操纵稳定性仿真试验，并参照q c t 4 8 0 - - 1 9 9 9 汽车操纵稳定性指标限值 与评价方法对仿真结果进行评价计分，得到了该车辆的操纵稳定性能，找出了 该车操纵稳定性方面需要改进的地方。 最后，在同时考虑转向回正性与轻便性的基础上，对该车主销内倾角与后倾 角进行优化设计，并对该车仿真模型优化前后操纵稳定性仿真试验进行对比；仿 真对比结果表明，在不影响操纵稳定性其它性能的前提下，改善了该车的转向回 正性能和转向轻便性能。 总之，汽车前轮定位参数对整车的操纵稳定性和行驶安全性有着非常大的影 响，可以通过合理的优化前轮定位参数得到合适的动态变化特征来改善汽车的操 纵稳定性能。 关键词：a d a m s ，空气悬架，操纵稳定性，前轮定位参数，优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g yt h ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yh a dg o r e nr a p i dd e v e l o p m e n t m e c h a n i c a le n g i n e e r so f t e nu s ev i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g y i nt h em e c h a n i c a lp r o d u c t sd e s i g np r o c e s s ，w h i c hm u c h s h o r t e n st h ed e s i g np e r i o da n dr e d u c e st h em a k i n ga n dd e b u g g i n gc o s tc o m p a r e d 谢t h t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s o ，m u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c si sa ne f f i c i e n ta p p r o a c hi n t h er e s e a r c ho fv e h i c l e ，p r o v i d i n gan e wm e t h o df o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f v e h i c l ep r o d u c t s f i r s t l y , t h eg r o w i n gh i s t o r ya n df u t u r et r e n do ft h ef i o n tw h e e la l i g n m e n t p a r a m e t e r s ，t h ei n f l u e n c eo ft h ef r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r st oh a n d i n gs t a b i l i t y w e r ei t e m i z e d t h eg r o w i n gh i s t o r yo fh a n d i n gs t a b i l i t yr e s e a r c ha n dt h ee v a l u a t i o no f h a n d i n gs t a b i l i t yw e r er e v i e w e d s e c o n d l y , b a s e do i lt h et h e o r yo fm u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s ，m u l t i b o d y s y s t e md y n a m i c sm o d e l so ff r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n sm o d e lw e r eb u i l ti n t h e m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，a n dd y n a m i cs i m u l a t i o no ff r o n t a n dr e a rs u s p e n s i o n ss y s t e md y n a m i c sw e r ep e r f o r m e da n dt h em o d i f y i n gs t r a t e g i e s w e r ep u tf o r w a r d ；t h ef u l lv e h i c l em o d e li n c l u d i n ge n g i n e ，s t e e r i n gs y s t e m ，f r o n ta n d r e a rt i r ee t cb a s e do nt h ea n a l y s i so ff r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nc o m p a r e dw i t hr o a dt e s ti n d i c a t e dt h a t t h em o d e lh a dr e l a t i v eh i g h a c c u r a c y t h e n ，t h ed r i v e rc o n t r o lf i l e sf o r t h es i m u l a t i o na n a l y s e so fc o n t r o l l a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo ff u l l v e h i c l ew e r ed e f i n e db a s e do n “g b t 6 3 2 3 1 9 4 一g b t 6 3 2 3 6 9 4 c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y t e s tp r o c e d u r ef o ra u t o m o b i l e s “t h es i m u l a t i o nr e s d m w e r ee v a l u a t e df o rt h ef u l lv e h i c l em o d e lb a s e do n “q c t4 8 m 一1 9 9 9c r i t e r i o n t h r e s h o l d sa n de v a l u a t i o no fc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yf o ra u t o m o b i l e s ” f i n a l l y , b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r y , ar e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e v e h i c l ew a sb r o u g h to u t i ti s p r o v e db yt e s t r e s u l tt h a tt h er e t u r n a b i l i t ya n dt h e h a n d i n e s so ft h ev e h i c l ew i t ho p t i m i z e da l i g n m e n tp a r a m e t e r sa r em o r ep e r f e c t i nc o n c l u s i o n ，t h ef r o n ta l i g n m e n tp a r a m e t e r sh a v ec r i t i c a le f f e c to nt h eh a n d i n g s t a b i l i t ya n dd r i v i n gs a f e t yo fv e h i c l e s a tt h es a m et i m e ，w ec a ni m p r o v et h ed r i v i n g p e r f o r m a n c eb yr e a s o n a b l yo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ef r o n ta l i g n m e n tp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：a d a m s ，a i rs u s p e n s i o n ，h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , f r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r ， o p t i m i z a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密吝。 学位论文作者签名：叫匀7 殇 2 0 0 9 年易月夕日 翩阳 名 签 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：喻谚 日期以 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1前轮定位参数研究的意义 前轮定位参数是指汽车前轴、主销轴线与前轮三者装配后的相对位置关系， 主要包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束【1 2 1 。前轮定位参数 是汽车的重要参数，它不但影响汽车转向轻便性、直线行驶的稳定性，而且还会 影响轮胎的磨损速度等。在车辆的设计过程中，前轮定位参数设计常常是一个难 题。这是因为过去对前轮定位参数设计往往采用类比的方法或通过大量的试验来 确定，这不仅要耗费大量的人力、物力，而且产品的设计周期相当长，确定的数 值也不够准确，给设计带来一定的盲目性。而前轮定位参数设计是否合理，将直 接影响到车辆的很多重要性能，从而影响到整车的优劣。例如主销后倾角和内倾 角将直接影响到车辆的回正性、直线行驶稳定性和高速制动时方向稳定性、转向 轻便性；前轮的外倾角和前束值的合理匹配将直接影响到前轮的侧滑和异常磨 耗，同时也间接地影响车辆的动力性和燃油经济性 3 - 6 1 。后倾角和前束值设计得 是否合理还将直接影响到前轮的摆振，导致车辆操纵稳定性变坏，增加了有关零 部件载荷，从而降低行驶安全性与可靠性，摆振严重时会影响到车辆的平顺性和 安全性【7 - 1 们。因此，为了保证车辆性能，前轮定位参数的合理地选择尤其重要。 汽车操纵稳定性能是关系到汽车行驶安全的非常重要因素之一，研究操纵稳 定性的目的在于改善汽车的运动性能，减少由此引发的交通事故。据统计，在过 去的三十年里，交通事故的发生一直处于上升趋势，按照交通事故诱发因素的比 例由大到小的排列，其顺序为操纵稳定性、加速制动性、视野良好性和工作可靠 性。由此可见，操纵稳定性的好坏是关系到汽车行驶安全性最重要的一个方面。 一直以来，如何设计汽车以获得良好的主动安全性，尤其是操纵稳定性，始终是 各国学者和汽车设计人员的一个重要的研究方向。 江苏大学硕士学位论文 1 2 前轮定位参数国内外研究现状 1 2 1 前轮外倾角与前束 关于车辆的f i i 轮定位研究，要从陆地车辆的车轮定位说起，它可以追溯到1 6 世纪的马车，人们对马车车轮定位的优化发明了车轮外倾，当时马车的车轮直径 较大，为了改善碟形布置木制辐板的受力情况和减少采用滑动轴承的车轮向轴端 滑脱的倾向，采用了较大的外倾角( 6 。7 。) 【4 1 。原始马车车轮结构，如图1 1 所示。 大的外倾角可以增大车轴上方车箱宽度，便于把泥水向外侧甩出而不至于溅到乘 客的身上。 车警、 车厢 烈f l 一 。淑晓 瓤h西 图卜1 原始马车车轮外倾结构示意图 f i g 1 1c a m b e ra n g l eo fo r i g i n a lc a r r i a g e 充气轮胎的外倾是在1 8 8 8 年英国人d u n l o p 发明橡胶空气轮胎之后才出现的， 利用充气球的原理首先生产出符合充气条件的橡胶空气轮胎，然后将它运用于汽 车上。1 9 世纪末开始采用充气轮胎后，发现轮胎因外倾过大而偏磨，出现了减少 外倾的要求。另外，充气轮胎的使用为车速增加提供了条件，因此车辆前轮上普 遍安装了制动器1 1 1 3 1 。为了防止左、右轮因制动力不均匀而造成的制动转向，希 望缩小轮胎横向偏距，因而仍采用了较大的前轮外倾角( 3 4 。) ，以达到减小前轮 横向偏移距的目的。后来逐渐趋向于采用较大的主销内倾角以缩小轮胎主销偏移 距，只保留不大的外倾角，其定位参数见表1 1 所列。 由表1 1 可见，随着道路交通条件的改善，车辆行驶速度提高，现代汽车的前 轮外倾角取值趋向较小，一般为1 。左右，有的轿车前轮外倾角甚至为负值。这是 2 江苏大学硕士学位论文 因为轿车高速转向时，离心力( f = mv 2 r ) 与车辆行驶速度的平方成正比，随着 车辆行驶速度的增加，离心力急剧增加，车身向外倾斜加大，产生较大的前轮正 外倾，在轿车外侧悬架超负荷时，外侧车轮的外侧半径小于内侧半径，从而使车 轮纯滚动转向性能降低，轮胎产生不均匀磨损。而前轮外倾角的取小或为负，可 以抵消前轮正外倾的不利影响，不仅可以使轮胎内、外侧磨损均匀，而且提高了 车辆作纯滚动转向性能和横向稳定性。但是，由于前轮外倾后，轮胎与地面接触 各点的线速度不等，外侧低于内侧，而在直线行驶时各点的实际速度相等，因此 轮胎与地面之间出现了相对滑动，内侧滑转，外侧滑移。滑转与滑移不仅造成轮 胎的附加磨损，而且由它引起的地面摩擦力形成胎面力矩使轮胎偏扭。为了克服 前轮外倾带来的不利影响，采用在前轮上增加前束的方法。前轮前束的作用是预 先使前轮反向偏扭，减小外倾引起的偏扭，从而减小轮胎在工作中的磨损1 1 4 1 。 表1 - l 国内外一些车辆前轮定位参数统计表 t a b 1 - 1f r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e ra th o m ea n da b r o a d 汽车型号 主销后倾角 主销内倾角前轮外倾角前轮前束值或前束角 黄海h t t 6 8 0 1 06 0 5 0 -1 。4 0 6 8 m m 金龙q 6 7 9 6 3 2 08 5 01 。1 3 m m 亚奔y b l 6 8 9 1 h 4 06 01 0 1 4 m m 吉林j l i o i o 2 5 01 1 5 01 5 0d 1 0r m n 红旗c a 7 5 6 0- 1 07 0o o5 7 m r n 解放c a l 0 9 1 1 0 3 0 8 01 0 2 - - - 4 m m 东风e q 2 0 8 00 0 3 0 。8 01 02 s m m 一汽奥迪1 0 01 0 1 6 1 4 2 03 0 2 0 0 5 l m m 一汽捷达1 0 3 0 1 4 0 - 3 0 i + 2 0 0 l o n n n 长安 2 。1 2 5 。1 0o 4 4 0 夏利2 01 2 00 7 00 3 2 0 富康 1 0 1 0 7 。0 0- 0 2 4 0 现代t i b u r o n 2 3 5 。0 3 5 0 1 2 3 0 0 5 。o 1 7 0 0 7 5 00 。0 2 5 。 宝马1 9 9 5 9 7 m 36 6 3 。3 0 1 3 4 09 2 。3 0 0 1 6 0 5 t 宝马m 3 9 1 3 01 2 8 0 旬7 。3 0 t0 2 8 。5 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 主销后倾角与主销内倾角 关于f j 轮主销后倾角，主要是为了改善前轮转向后自动回正能力，保证车辆 直线行驶稳定性而设置的。它起先用于自行车，直到目前自行车仍使用较大的前 叉后倾角，以保证前其轮回j 下性能，后来逐渐应用到拖拉机及汽车的前轮上。2 0 世纪初，德国察特林从车辆前轮转向自动回正出发，计算出后倾角最好为1 5 。， 大的主销后倾角加大了前轮绕主销的回正力臂，因此前轮转向后回正能力加强。 后来前苏联学者曲达可夫也肯定了这个数据1 3 1 。但是，他们只考虑了回正速度而 没有考虑这么大后倾角的负作用，即驾驶员操纵费力、前轮容易摆振等，通过长 期的实践表明该推荐值显然过大。 至于前轮主销内倾角，它与外倾角和为包容角，在加工转向节时确定。目前 车辆前轮仍采用较大的主销内倾角，以保证车辆低速转向回正性能、转向轻便性、 高速制动时方向稳定性及增大内倾偏移距，改善车辆的横向稳定性。文献 1 3 1 在 考虑了轮胎、悬架、前轮外倾角和主销后倾拖距影响的前提下，针对具有双横臂 悬架的车辆，推导了前轮主销内倾角算法公式，反映了前轮定位参数耦合，避免 了在此之前单个因素研究的局限性。 2 0 世纪5 0 年代，随着车用轮胎的结构和性能的改善，车辆广泛采用低压轮胎 后，轮胎的气胎拖距增大，回正能力增强，车辆普遍减小了主销后倾角。 2 0 世纪6 0 年代，前苏联学者巴比考进行了拖拉机前轮定位参数与i j 轮摆振及 操纵力影响的研究，通过单因素的分析得知主销后倾角与摆振有密切关系。6 0 年代中期，解放牌汽车出现前轮摆振且异常磨损现象，长春汽车研究所的孔明树 工程师等人对其进行了理论与试验研列1 5 l 。结果表明，这是由于解放牌汽车前 轮定位参数取值不合理造成的，并通过改变前束值的大小解决了上述问题。 2 0 世纪7 0 年代未，清华大学汽车教研室进行了前轮定位参数对车辆摆振影响 的研究，通过试验测取了前轮外倾角和主销后倾角与前轮摆振振幅关系曲线，试 验表明对前轮摆振影响较大的前轮定位参数主要是主销后倾角和f j 轮外倾角。随 着主销后倾角的增加，前轮摆振峰值增加；随着外倾角的增加，前轮的摆振峰值 减小；摆振峰值对前束值较为敏感，摆振峰值随着前束值的增加而增大，而主销 内倾角对其影响较小【1 6 1 。 2 0 世纪8 0 年代初，吉林大学程悦荪教授等人对拖拉机前轮定位参数进行了系 4 江苏大学硕士学位论文 统研究，并且首次提出了前轮定位参数除包括通常的4 个主要参数外，还有一个 长度参数，即转向阻力臂。从前轮定位对车辆可操纵性影响方面考虑，该参数确 实是前轮定位中一个重要参数，只不过目前仍未得到公认，有待进一步研究。 与此同时，郑联珠教授等人对拖拉机前轮定位参数也进行了大量的试验研究 并得出了相应的结论：前轮定位参数对摆振有影响，其中影响最大的是主销后倾 角和前束值。试验表明，前轮主销后倾角小于2 。和前束值为4 r m 时，一般不易产 生前轮摆振【4 】。 2 0 世纪9 0 年代初河南洛阳工学院机械工程系王伯良教授等人申请了河南省 自然基金资助项目：“汽车拖拉机前轮定位参数研究”。他们对前轮外倾角和内 倾角的算法进行了深入的研究，给出了拖拉机前轮定位参数的计算方法。 9 0 年代末湖南大学机械与汽车工程学院曹立波教授等人也对汽车前轮定位 参数进行了研究，论述了前轮定位参数不合理的组合，对前轮的异常磨损影响。 2 1 世纪初，国外用车辆前轮定位参数调整机构，制造出适合各种车辆需求的 前轮定位调整配件，但这只是一种补救措施，仍没有从根本上解决前轮定位参数 合理设计难题。另外，美国密执安大学科研人员研究出一套关于汽车前轮定位参 数的算法。 2 0 0 3 年，江苏大学周孔亢教授、魏道高博士等人对车辆前轮定位参数进行了 研究，并且以y z k l 0 2 6 型皮卡作为样车进行了相应的理论与试验研究，推导了前 轮主销内倾角和后倾角计算公式，分析了汽车前轮侧滑机理，建立了前轮前束值 与外倾角的合理匹配关系式【1 2 1 。 2 0 0 6 年6 月，吉林大学宋传学教授等人结合山东某汽车制造厂家资助的“轻 型载重货车前轮定位参数优化设计 的课题，建立了前轮定位参数中的主销后倾 角和主销内倾角的数学计算模型，提出了考虑回正性能与转向轻便性的主销内倾 角与后倾角的优化设计理论，改善了该轻型货车的转向回正性能和转向轻便性能 0 3 1 。 1 3 前轮定位参数研究的发展趋势 随着低扁平率子午线轮胎使用，现代轿车上主销后倾角总的趋势在减小，有 的减小到零甚至为负值，即出现主销前倾的现象。但有些高级桥车，因为有很好 5 江苏大学硕士学位论文 的液压动力转向系统，转向助力效果好，能抵消前轮主销后倾增大带来转向阻力 矩增大的弊端，因而主销后倾角有增大的趋势。如表卜1 所示，宝马m 3 车型采用 主销后倾角高达9 0 以上，以保证车辆高速回j 下性能和高速直线行驶稳定性，说明 对某些车辆在特殊工况下主销后倾角仍有取大的必要性【1 7 1 。 至于前轮主销内倾角，目前车辆前轮仍采用较大的主销内倾角，以保证车辆 低速转向回正性能、转向轻便性和高速制动时方向稳定性，以及增大内倾偏移距， 改善车辆的横向稳定性。 由表1 - 1 可知，现代汽车的前轮外倾角有减小的趋势，如载货汽车前轮外倾 一般为1 0 左右，而轿车有的还为负值，例如奥迪1 0 0 型轿车的前轮外倾角为 一3 0 t + 2 0 。这是由于现代汽车高速转向时离心力加大，车身向外倾斜加大，产生 较大的前轮正外倾，使汽车的外侧悬架超负荷，j , l - 俱r j 车轮的半径小于内侧车轮的 半径，从而使车轮纯滚动转向性能降低，轮胎产生不均匀磨损。当前轮的正外倾 角减小或为负值，可抵消上述正外倾的不利影响，不仅使轮胎外侧磨损均匀，还 提高了车轮纯滚动转向性能和车身的横向稳定性。 前轮前束值的作用是与车轮外倾协调，保持车轮纯滚动和稳定地直线行驶， 从而减少轮胎磨损和燃油消耗。先有外倾后有前束，前束是通过产生与外倾相反 的侧向力使轮胎在理论上所受的侧向力合力为零而设计的。由于现代汽车的前轮 外倾角小了或为负值，则前束也减小或为负值。例如奥迪1 0 0 型轿车的前束值为 0 5 l m m 、上海桑塔纳轿车的前束值为一1 一3 m m 。 长期以来在车辆的设计过程中由于由经验、半经验和试验得来的前轮定位参 数数据己基本上满足使用要求，人们在理论上不再对它们进行深入研究。但是， 近年来由于前轮定位参数带来了车辆使用过程的一些问题，特别是由于前轮定位 参数对轮胎异常磨损有很大的影响，人们反过来又开始重视前轮定位参数的理论 研究，例如寻找外倾和前束的最佳匹配关系，使前轮在保持直线行驶时侧滑量最 小，磨损均匀等。 近年来国外在研究、设计和制造调整在用车辆前轮定位参数的各种机构，制 造出适合各种车辆需求的前轮定位调整配俐1 8 1 ，但这只能是一种补救措施。仍 然没有能够从根本上解决前轮定位参数合理设计的难题【1 2 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 汽车操纵稳定性的研究概述及评价 1 4 1 汽车操纵稳定性的研究及发展 汽车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 驾驶者通过汽车转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车 能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力【1 9 1 ，是汽车动力学的一个重要分支。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，因此，如何研究和评价汽车 的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性一直是关于汽车的最重要的课题。 国外有关汽车操纵稳定性的研究可追溯到二十世纪3 0 年代，但发展较快的 是6 0 年代以后。7 0 年代初期，各国纷纷制定了对汽车操纵稳定性的性能要求及 试验方法标准。如美国交通部在1 9 7 0 年制定的1 0 个汽车操纵稳定性试验标准。 1 9 8 4 年美国德尔福( d e l p h i ) 公司制定了“中间位置操纵稳定性试验( o nc e n t e r h a n d li n gt e s t 【2 0 j ) ，提出了一些评价指标。 国内汽车操纵稳定性的研究始于七十年代。七十年代初，清华大学和长春汽 车研究所都同时开展这方面的研究，各个汽车生产厂也都从自己产品的需要出 发，在不同程度上进行了汽车操纵稳定性的试验和研究工作。近年来，长春汽车 研究所、吉林大学、清华大学、同济大学、北京理工大学、江苏大学等高校都在 开展汽车操纵稳定性的研究，其中以郭孑l 辉院士所领导的操纵稳定性课题组成果 最为显著。 在汽车操纵稳定性的计算机仿真方面，自1 9 5 6 年s e g a l 成功地建立一个线 性2 自由度数学模型仿真计算汽车的转向特性以来，汽车操纵动力学的仿真研究 一直是各国研究的重要方向。人们都在寻求建立能够真实反映汽车运动的操纵稳 定性数学模型，以往建立汽车操纵稳定性数学模型，主要采用传统的经典力学方 法，即以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日方程为代表的分析 力学方法。但如果考虑的自由度较多，经典力学方法建立汽车操纵稳定性数学模 型就很困难，要想获得满意的计算精度，对汽车操纵稳定性的仿真必须通过四个 或五个以上自由度以及包含各种非线性环节的复杂模型来模拟。因此，这方面的 工作主要是在8 0 年代多刚体系统动力学发展起来的基础上进行的。利用多刚体 动力学中的凯恩方法，将汽车简化为多自由度离散系统动力学模型，从四自由度、 7 江苏大学硕士学位论文 五自由度以至发展到2 0 多个自由度；从稳态特性模拟计算到瞬态特性模拟计算， 目前已经发展为包括司机在内的闭环模型【2 1 2 4 1 。 1 4 2 汽车操纵稳定性评价 汽车的操纵稳定性由于受研究目的、驾驶任务、人为感觉及环境条件等多种 因素影响，研究和评价错综复杂，如何确切地评价汽车操纵稳定性的优劣，至今 还是不够明确的。当从理论分析和动态仿真角度来研究车辆的操纵稳定性的优劣 时，一般通过开环方法或闭环方法来评价，当从试验研究角度来研究车辆的操纵 稳定性的优劣时，一般通过客观与主观来评价。 1 、开环方法和闭环方法【2 5 l 把汽车本身看作一个系统，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，来分析和和研究汽车运动特性的方法称为开环方法，这种方法 是把操纵稳定性作为汽车自身的性能，是种不包括驾驶员特性的汽车性能，开 环方法所应用的基础是经典控制理论，依据汽车的稳态和瞬态分析，使用不足、 过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性，来对汽车的操纵性进行评价，但是开 环方法很难直接在实际中应用。事实上，汽车的性能是通过人的操纵来实现的， 因此，为更全面彻底地研究和评价汽车的操纵稳定性，就应考虑到驾驶员特性与 汽车特性的配合问题，把汽车作为驾驶员一汽车闭环系统的被控环节，根据整个 系统特性的分析和综合，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。 2 、客观评价和主观评价【2 6 l 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( 如横 摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等) ，然后与相应的标准比较；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。但由于汽车的操纵稳定性受多种因素影响，其客观评价指标很难确定。因 此，主观评价在汽车操纵稳定性的评价中直占重要地位。另外，由于汽车是由 人来驾驶的，因此主观感觉评价法始终是操纵稳定性的最终评价方法。譬如客观 8 江苏大学硕士学位论文 评价中采用的物理量是否可以表征操纵稳定性，就取决于用这些物理量评价性能 的结果与主观感觉评价是否一致。熟练的试验驾驶员在进行主观评价试验时，还 能评价出仪器所不能检测出来的现象，较为常见的是先由人的感觉发现问题，然 后用仪器来进行计测。然而，主观评价也有一些缺点：它受到评价者个人主观因 素的影响，不同评价者可能给出差别较大的评价结果；一般情况下，它不能给出 “汽车性能与“汽车结构 二者之间有何种联系的信息。当然，这些评价方法 经过工程师们的不断优化正在日益完善。 1 5 前轮定位参数对汽车操纵稳定性的影响 主销后倾角过大，驾驶员必须用较大的力转动方向盘才能克服稳定力矩，这 样使转向显得沉重。主销后倾角过小，稳定力矩减少，将使行驶不稳，方向发飘， 在高速行驶时，车轮还会摆振。两端主销后倾角不等，汽车行驶时向小的一边跑 偏。 主销内倾角过大，转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎将受到较大的路面 滑动摩擦力，这样使转向沉重，同时加速了轮胎的磨损。主销内倾角过小，由于 力矩的增加，使转向沉重，而且使汽车稳定直线行驶的能力变差，驾驶员不得不 因此而时刻注意掌握方向盘，使精神过于紧张。两端主销内倾角不等，即左右两 轮抗冲击能力不一，将导致行驶时车辆总是向内倾角小的一侧跑偏。 车轮外倾角过大，造成轮胎外侧偏磨。车轮外倾角过小或负外倾，将使转向 沉重，轮胎内侧偏磨。左右外倾角不等，汽车直线行驶时易跑偏。 前束过大，会增加轮胎的滑磨，汽车行驶中会一会向左，一会向右，显得不 稳定。前束过小，消除不了如上所述车轮外倾产生的影响，既增加了轮胎的外侧 偏磨，又使行驶不稳定【1 3 1 。 1 6 本文研究的主要内容 在借鉴国内外学者研究的基础上，利用虚拟样机技术建立国内某空气悬架客 车的整车虚拟模型，对该车进行操纵稳定性仿真试验，分析该车辆的操纵稳定性。 根据前轮定位参数的优化设计数学计算模型，对该车的前轮定位参数进行合理的 优化，达到改善整车操纵稳定性能的目的。主要对以下内容进行了研究与探讨： 9 江苏大学硕士学位论文 1 整车动力学仿真模型的建立 根据实车的各零部件的三维实体模型和结构尺寸参数，运用a d a m s c a r 建立 整车的动力学模型。其中主要包括悬架、转向系、车身、发动机、轮胎等主要部 件，量符合实车的原有结构和性能。 2 对样车进行道路试验，并在a d a m s 软件中对整车模型进行相应的仿真试 验，将试验数据和仿真数据进行对比，验证了所创建的整车模型的可靠性，继而 为下一步研究整车操纵稳定性奠定基础。 3 整车操纵稳定性分析 按照国标g b t 6 3 2 3 1 9 4 一g b 椰3 2 3 6 9 4 汽车操纵稳定性试验方法，对 该车进行操纵稳定性仿真试验，试验工况为蛇形试验、方向角阶跃输入试验、方 向盘角脉冲输入试验、稳念回转试验、转向回正性试验和转向轻便性试验。通过 仿真试验，找出该车操纵稳定性方面需要改善的地方。 4 前轮定位参数进行优化设计 利用主销内倾角和后倾角优化设计的数学计算公式，对该车的前轮定位参数 进行优化。然后通过修改仿真模型前轮定位参数的设计数值，重新进行操纵稳定 性仿真试验，并与优化前的仿真试验数据进行对比，分析该车操纵稳定性能的变 化。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章多体系统动力学及a d a m s 软件的计算方法 虚拟样机软件的基本算法包括运动学分析算法、动力学分析算法、静力学分 析以及线性化分析算法等。它是以多体系统动力学的基本理论为理论基础的。 2 1多体系统动力学简介 多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学嗍，这种多体系统一般由若 干个柔性和刚性物体相互连接所组成。多体系统动力学是在经典力学的基础上发 展起来的，在发展的过程中结合了航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力 学等科学，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支。 2 1 1 多刚体系统动力学 多刚体系统动力学主要的研究方法有工程中常用的经典力学方法( 以牛顿一 欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日为代表的分析力学方法) 、图论 ( r w ) 方法、凯恩方法、变分方法、旋量方法【嬲。 以上几种主要的研究方法，虽然风格迥然不同，但共同的目标是要实现一种 高度程式化，适于编制计算程序的动力学方程建模方法。多刚体系统动力学各种 方法的数学模型可归纳为纯微分方程组( o d e ) 和微分一代数混合方程组( d a e ) 两种类型。对于数学模型的数值计算方法也有两种，即直接数值方法和符号一数 值方法【3 2 】。 2 1 2 多柔体系统动力学 多柔体系统动力学研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围 空间运动时的动力学行为。多刚体系统动力学是以系统中各部件均抽象为刚体， 但可以计及各部件联结点( 关节点) 处弹性、阻尼等影响为其分析模型的，而柔 性多体系统动力学则在此基础上进一步考虑部件的变形。可以看出，多柔体系统 动力学是多刚体系统动力学的自然延伸和发展。多刚体系统动力学所侧重的是 “多体 这一方面，研究各个物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行 江苏大学硕士学位论文 为的影响；多柔体系统动力学侧重“柔性”这一方面，研究物体变形与其整体刚 性运动的相互作用或耦合，以及这种耦合所导致的独特的动力学效应。变形运动 与刚性运动同时出现及其耦合正是多柔体系统动力学的核心特征【3 3 1 。 在分析汽车悬架等子系统的运动学分析中，传统的方法是使用作图法或缩比 模型进行研究分析。由于系统的构型复杂与各部件的运动幅度可能很大，作图法 已经很难胜任三维的非线性关系分析，缩比模型不适用于虚拟设计的过程。随着 计算机技术的迅猛发展，使我们在处理上述复杂问题方面产生了质的飞跃。有限 元技术、模态分析技术以及多体系统动力学的发展为汽车动力学的发展产生了巨 大的作用。这些技术很快在汽车技术领域罩得到了应用。 从此，汽车动力学研究的动力学模型由线性模型逐渐发展到非线性多体系统 模型：模型的自由度也由二个自由度发展到数十个自由度甚至成百上千个自由 度；模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的模 拟研究。 2 2a d a m s 软件的计算方法 a d a m s s o l v e r 提供了功能强大的求解器，可以对所建模型进行运动学、静 力学和动力学分析。为了了解a d a m s 软件的理论基础和求解方法，简要介绍 其求解功能如下 3 4 - 3 6 1 。 2 2 1广义坐标的选择 a d a m s 软件用刚体f 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义 坐标，即绣= i x ，) ，z ，y ，幺缈r ，q = q r ，q l ，口：】r 。由于采用了独立的广义坐标， 系统动力学方程虽然是最大数量，但却是高度稀疏耦合的微分代数方程，适用于 稀疏矩阵的方法高效求解。1 3 1 1 2 2 2 动力学方程的建立 a d a m s 软件采用拉格朗同乘子法建立系统运动方程： 1 2 江苏大学硕士学位论文 丢( 詈 r 一( 吾 r + p + = q 完整约束方程缈q ，f ) = o 非完整约束方程a ( q ，口，f ) = o ( 2 1 ) 式中t 系统动能； g 系统广义坐标阵列； q 广义力列阵； p 对应于完整约束的拉氏乘子阵列； 对应于非完整约束的拉氏乘子阵列。 2 2 3 动力学方程的求解 把( 2 1 ) 式写成更一般的形式： ff ( q ，”，厅，名，) = o g ( 甜，牙) = i d - - 口= or ( q ，“，l j ，旯，f ) = o ( 2 2 ) i -( g ，) = o 式中口广义坐标列阵； q , u 广义速度列阵： 见约束反力及作用力列阵； f 系统动力学微分方程及用户定义的微分方程( 如用于控制的微分方 程、非完整的约束方程) ； o 描述约束的代数方程列阵。 如定义系统的状态矢量y = 【q r ，比r ，r ，式( 2 2 ) 可写成单一矩阵方程： g t s ，夕，f ) = o ( 2 3 ) 在进行动力学分析时，a d a m s 采用两种算法： ( 1 ) 提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：g s t i f f 积分器、 d s t i f f 积分器和b d f 积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法 江苏大学硕士学位论文 适于模拟刚性系统( 特征值变化范围大的系统) 。 ( 2 ) 提供a b a m 积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分 方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 1 微分代数方程的求解算法 用g e a r 预估校正算法可以有效地求解式( 2 2 ) 所示的微分代数方程。首 先，根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量 值： y 槲铁+ 警 专争n c 2 4 ， 其中，l 对f b j 步长j i l = t 。疆- t 。 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，式( 2 2 ) 右边 的项不等于零，可以由g e a r k + 1 阶积分求解程序( 或其他向后差分积分程序) 来校正。如果预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足式( 2 2 ) ，则可以不 必进行校正。 上 y + l = - h p o y 州+ y 川 ( 2 - 5 ) 式中 y n + l y o ) 在f = t “时的近似值； p o ，g e a r 积分程序的系数值。 整理式( 2 5 ) 得： 蝙= 赢卜一i = 1 州 协6 ， 将式( 2 2 ) 在t = t 槲时刻展开，得： ，( 靠卅u n h ，吃小丑，+ 。) = 0 g c 州川，巩。- ( 云n 一喜+ 。) - 0 协7 ， m ( g 。“，0 + 。) = 0 a d a m s 使用修正的n e w t o n r a p h s o n 程序求解上面的非线性方程，其迭代 校正公式为： 1 4 江苏大学硕士学位论文 e + 詈幻，+ 署缸，+ 詈衄+ 盖乃2 。 g ，+ 鼍时署峄。 珏8 ， 叩著盼。 式中，_ 表示第歹次迭代。 幻= 口j 咀一q ，a u ，= h ，丑一口j ，兄，= 乃 一乃 ( 2 - 9 ) 由式( 2 6 ) 知： 峄- ( 去 血， ( 2 1 0 ) 由式( 2 7 ) 知： 箜：f ，上_ ，孚：，( 2 - 1 1 ) a qi h f l o ) 抛 将式( 2 1 1 ) 代入式( 2 _ 8 ) ，得： 0 00 阱鼠协 式( 2 1 2 ) 左边的系数矩阵称系统的雅克比矩阵。 式中 罢系统刚度矩阵； 叼 望系统阻尼矩阵； 豳 望系统质量矩阵。 抛 通过分解系统雅克比矩阵( 为了提高计算效率，a d a m s 采用符号方法分解 矩阵) 求解幻j ，a u ，五，计算出口，+ 1 ，“，+ l ，乃“，口m ，1 2 j + l ，屯+ 1 ，重复 上述迭代校正步骤，直到满足收敛条件，最后是积分误差控制步骤。如果预估值 与校正值的差值小于规定的积分误差限，接受该解，进行下一时刻的求解。否则 望越 l屁 确， 一 堡钆 、l v ， 竺幻上懈 江苏大学硕士学位论文 拒绝该解，并减少积分步长，重新进行预估校正过程。总之，微分代数方程的 求解算法是重复预估、校正、进行误差控制的过程，直到求解时间达到规定的模 拟时间。 2 坐标缩减的微分方程求解算法 a d a m s 程序提供a b a m ( a d a m s b a s h f o r t ha n da d a m s m o u l t o n ) 积分程序， 采用坐标分离算法，将微分代数方程缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程， 然后用a b a m 程序进行数值积分。 坐标缩减微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行： ( 1 ) 坐标分离将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解，可将系统的广义 坐标列阵k ) 分解成独立坐标列阵白) 和非独立坐标列阵白d ) ，即 q - - 丢 。 ( 2 ) 预估用a d a m s b a s h f o r t h 显式公式，根据独立坐标f j 几个时间步长的 值，预估f 州时刻的独立坐标值k p ，p 表示预估值。 ( 3