（光学工程专业论文）大客车操纵稳定性动力学模型研究.pdf

摘要 针对国产大客车进行结构和动力学分析，并结合对客车中乘员相对侧倾运动 的分析研究，在五自由度货车模型的基础上建立了六自由度、七自由度、九自由 度、( 5 + n ) 自由度的客车操纵稳定性动力学模型。在m a t l a b 环境中编制了 相应的计算机仿真软件，通过仿真结果与路上试验结果的对比分析，确定了最适 合研究大客车操纵稳定性的客车模型。并讨论了横向稳定杆角剐度变化、重心位 置变化对大客车操纵稳定性的影响。探讨了客车载荷与货车和轿车的差异，考虑 了乘员相对侧倾运动对操纵稳定性的影响。 关键词：大客车操纵稳定性动力学模型乘员相对侧倾运动横向稳定杆 a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fc o a c h b u s ，a n a l y z i n g a n dr e s e a r c h i n gt h er e l a t i v er o l lm o v e m e n to f p a s s e n g e r s ，b a s i n go nt h ef i v e d e g r e eo f f r e e d o mt r u c kd y n a m i c sm o d e l ，s i x d e g r e e ，s e v e n - d e g r e e ，n i n e d e g r e e ，( 5 + n ) d e g r e e o ff r e e d o mc o a c h - b u sd y n a m i c sm o d e l sa r ef o u n d e df o rt h ec o a c h b u s t h ep a p e r d e v e l o p se o r n p u t e rs i m u l a t i n gs o f t w a r ef o re a c hm o d e lw i t hm a t l a bl a n g u a g e b y c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h es i m u l a t e dr e s u l tf r o mt h es o f t w a r ea n dt h er e s u l to f e x p e r i m e n t so nt h er o a d ，t h ed y n a m i c sm o d e li sa s c e r t a i n e dw h i c hi sb e s ta d a p t e dt o s t u d y i n gt h em a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h eh i g h - s p e e dc o a c h - b u s t h ei n f l u e n c e a n a l y s i si sa c h i e v e df o rm a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h ec o a c h b u sw h i l et h ea n g e l s t i f f n e s so fi t sl a t e r a ls t a b l ep o l eo rt h ep o s i t i o no fg r a v i t yc e n t e ri sc h a n g i n g t h e p a p e rd i s c u s s e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc o a c h b u sl o a da n dt r u c k so rc a r s ，c o n s i d e r s t h ei n f l u e n c eo fm a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h er e l a t i v er o l lm o v e m e n to f p a s s e n g e r s k e yw o r d s ：c o a c h - b u s m a n e u v e r a b i l i t ya n d r e l a t i v er o l lm o v e m e n to f p a s s e n g e r s t a b i l i t yd y n a m i c sm o d e l l a t e r a ls t a b l ep o l e 长安大掌硕士掌位论文大客车操纵穗定性动力掌模型研究 第一章绪论 高等级公路的迅猛发展、运输业的产业革命、高速交通环境的大幅度 改善以及汽车行驶速度的大大提高，对汽车的安全性、舒适性也都提出了 更高的要求，汽车高速操纵稳定性问题及其由此引起的行驶安全性问题也 日益突出。客车作为高速客运的载体，其安全性能的好坏直接影响到人的 生命安全，因此其操纵稳定性研究就显得更为必要。 1 1 操纵稳定性研究的发展历程 111 操纵稳定性的研究现状 操纵稳定性研究的早期，一般采用经典力学分析方法，进行一些简单、 局部的校核计算，不能对车辆的整体性能进行评价和分析，不能对汽车设 计提供直接的指导。后来发展了一些基于简化模型和经验模型的计算与仿 真，将汽车作为一个完整的控制系统进行分析研究，得到了一些对操纵稳 定性规律的重要认识。但是，由于模型过于简单，不能直接针对设计参数 进行分析和优化。随着仿真技术的不断发展以及仿真软件的不断成熟，操 纵稳定性也更多地采用比较成熟的计算机仿真理论和高性能的仿真软件进 行分析研究，同时与计算机辅助设计软件相结合直接指导和参与汽车设计 参数的设计和优化。这种设计方法已经在国外汽车设计领域得到了比较广 泛的应用，国内也开始了这方面的研究，并逐步推向实用化。 在采用计算机仿真之前，首先要建立汽车的整车动力学模型。组成汽 车动力学系统的元件有轮胎、悬架、转向系统等，它们都明显具有非线性 特性。因此，所建立的模型也应该包括这些元件的非线性特性，整车模型 应该是一多体动力学模型。同时，驾驶员特性对操稳性也有较大的影响， 必需建立一定的驾驶员模型，将人一车一路作为一闭环系统进行研究。驾 驶员模型现在一般采用最优预瞄模型。国内已在整车简化模型的基础之上 进行了一些驾驶员模型在整车跟随特性中的影响的研究；国外是将描述整 车系统的动力学仿真软件加上驾驶员特性的控制计算机仿真软件结合起 长安大掌硕士掌位论文大客车操纵穗定性动力掌模型研究 来，从而得到人一车一路闭环系统的仿真模型。 11 2 操纵稳定性研究的前景展望 仿真技术领域里不断出现诸如人工神经网络、最优控制、模糊控制、 虚拟现实等新技术，这些新技术逐步应用到操纵稳定性研究中必将给操稳 性研究带来质的飞跃。 在汽车操纵稳定性建模中，存在许多非线性环节，利用人工神经网络 技术，结合实验数据进行建模，则可更好地模拟实际汽车，更好地掌握操 纵稳定性规律。采用人工神经网络建立的轮胎力学模型，可以比较精确地 反映轮胎侧偏特性，大大提高建模精度；利用人工神经网络建立驾驶员模 型，可采用不同时刻、不同距离的汽车运动轨迹与预期轨迹的误差值作为 输入，输出前轮转角，这可使操纵稳定性仿真结果更接近于实际行驶试验。 采用最优控制领域涌现的新寻优方法如遗传算法及人工神经网络设计 的主动悬架，可以获得不同工况下悬架系统控制力的最优值：利用最优控 制、模糊控制或模糊神经网络设计的汽车制动防抱死( a b s ) 系统，可使汽 车制动时的制动效能及方向稳定性能获得极大的改善。利用虚拟现实技术 可实现汽车操纵稳定性分析结果的可视化，可进行不同道路工况下整车操 纵性能及驾驶员反应的研究，以及驾驶员训练等等。 综上，随着仿真技术自身的不断发展，随着仿真技术不断渗透到操纵 稳定性研究之中，必将使得建立的整车模型更逼近实车、且仿真结果、性 能分析、指标评价具有更好的实用性。 2 1国内外大客车高速操稳性研究现状 欧美、日本等汽车工业发达国家，均将与车辆安全直接相关的操纵稳 定性置于突出的位置，及其重视汽车操纵稳定性的研究工作，且成效显著。 高速公路在这些国家发展较早，现己十分发达，其高速操纵稳定性的研究 也起步较早，现已渐趋成熟，达到较高水平，能够较好的适应车速不断提 高的发展趋势，较好地解决了本国汽车工业生产和使用过程中的高速操纵 稳定性问题。国外的高速操纵稳定性研究主要由大的汽车制造企业自己来 进行，以确保其产品具有良好的操纵稳定性。 2 长毒犬掌硕士掌位论文大客车搏纵稳定性动力掌模裂研究 例如日本，在6 0 7 0 年代日本最初的高速公路名神高速公路施工 期间，最先完成京都郊外的三科地区的一段4 k m 区段，作为汽车的试验区 间，该段向汽车产业界及各汽车制造厂开放，使其反复进行了高速运行的 基础试验。从这些结果及其使用后的经验出发，日本采取了全盘对应措施。 解决高速时的操纵稳定性问题便是其中的一个主要目的。在运输省、通产 省及汽车工业会出资建成的日本汽车研究所( 茨城县谷田部町) 的高速试 验车场( 1 周8 k m ) ，二年时间内实施了1 0 天2 次的官民共同研究试验。4 家大型汽车公司合作，掌握了汽车的高速操纵稳定性、高速制动性等基础 数据，通过仿真分析，使汽车的结构参数与推荐标准试验法的提案相结合， 对车辆的高速化问题采取了相应措施。而到8 0 年代，由于高速公路里程的 增加和高速公路网的建成，日本汽车业界又采取了第二次对策，进一步考 虑了高速操作性、稳定性、舒适性，进一步提高了可靠性和耐用性等等。 我国对操纵稳定性研究起步较晚，而且大多都集中在轿车和货车两方 面，对客车的操纵稳定性研究较少；而客车作为专用车辆的一种，由于其 结构和载荷形式与其他车辆有着显著的差异，高速操纵稳定性也有着自己 的特殊性，因此有必要把客车的高速操稳性作为一个专门的方向来研究。 但我国高速公路起步较晚。一级、二级等高等级公路的建设也是最近一二 十年才大势兴起，大范围的高速及快速运输尤其是客运更是在近十来年才 开始，运行在中低车速下的客车操稳性问题暴露不充分；我国客车制造厂 家技术力量薄弱，不能自行组织科研人员进行研究；由于以上种种原因， 我国客车高速操稳性研究仍属空白。此问题已迫在眉睫，亟待解决。 客车高速揉稳性研究应当先于或同步于客车平均车速的提高，因为它 是保证客车高速安全行驶的保障之一，这也正是西方汽车工业发达国家的 经验。我国的客车高速操稳性研究已经稍有滞后，随着我国公路网的建设 以及高速运行环境的改善，这一领域的研究课题必将日益受到关注。 1 3 研究意义及问题的提出 1 3 1 研究意义 近十几年来，我国相继建成了大批高速公路、一级和二级公路，仅用 长安大掌硕士掌位论文大客车操纵稳定性动力掌模型研究 1 0 年时间就建成了1 1 6 万公里的高速公路，到2 0 0 0 年底，全国公路总里程 己达1 4 0 万公里，其中高等级公路里程占总里程的比例达到了8 76 。公 路建设尤其是高速公路建设的快速发展，引发了传统道路运输业的一次产 业革命，高速客运、快速货运、特种运输和现代物流得到较快发展。高等 级公路和运输业的迅猛发展、高速交通环境的大幅度改善以及汽车行驶速 度的大大提高，对汽车的安全性、舒适性也都提出了更高的要求，汽车高 速操纵稳定性问题及其由此引起的行驶安全性问题也日益突出。客车作为 高速客运的载体，行驶稳定性的好坏直接关系到人的生命安全，而且高速 稳定性问题已经成为限制客车车速进一步提高的严重障碍。因此，研究客 车的高速稳定性问题有重大的现实意义。 而今，我国加入w t o ，国外客车厂家凭借其雄厚的资金、先进的技术、 较强的国际竞争力，对巨大的中国市场正跃跃欲试，尤其是韩国的高效大 中型客车凭借其较高的性价比在客车市场的占有率也越来越高；国产客车 行业己形成了既不同于国外、也不同于国内轿车和货车的固有格局和特点： 厂家分散、技术力量相对落后，客车底盘的开发满足不了市场的需求，很 多都是采用货车底盘加以改造而成，其质量性能、可靠性、稳定性都不是 很好：对于影响客车基本性能的结构参数及其各参数之间的相关性研究相 对较少，对影响车辆行驶性能的高速操稳性问题考虑不足且没有相应的改 善措施，已成为困扰客车厂家的一大难题。因此，客车的高速操纵稳定性 作为研究主动安全的重要环节必不可少。 从结构和系统动力学的角度考虑，还应看到大客车与小轿车、载货车 有很大的不同，表现在大客车的质心位置高、人体随车摇晃，前后及左右 方向的载荷转移大、操纵转向响应时间长、悬挂系统形式多样、抗侧倾能 力弱，前后及横向的迎风面积大等等，致使大客车与小轿车、货车的操纵 稳定性也有很大的差异。而目前，绝大部分国产客车高速操稳性不良，如 车轮发飘、车身摇晃等等，严重的甚至导致翻车危急安全，由此引起的客 车交通事故也时有发生。正因为如此，客车只能以大约6 0 - - o o k m h 的中高 速行驶，而本身的动力学性能无法充分发挥。还有很多特殊工况、危险工 况及特殊使用环境等，如客车在强侧风工况下行驶时的高速会车等等，对 长安大掌硕士学位论文大客车操纵穗定性动力掌模型研究 客车高速操稳性影响很大。因此，解决客车的高速操稳性问题是保证客车 高速安全行驶的需要，必须认真研究。 1 3 2 问题的提出 在国外，高档大客车通常采用安全气囊、减振器、横向稳定杆、推动 杆组成的悬架系统：且通常带有车身高度自动调节器。而国内，根据交通 部新出台的标准，横向稳定杆作为大客车的选装件已成为区分高档客车与 否的指标之一；但对于加装横向稳定杆对客车操纵稳定性的影响尚无比较 成熟的研究。有研究表明，低地板大客车将成为今后客运、旅游客车市场 最有发展前途的产品；而重心高度对客车操稳性的影响还需要进一步研究。 本文旨在结合这两个现实问题，通过建模仿真分析和试验研究，结合 我国国情与实际揭示客车高速操稳性的内在规律，找出高速操稳性的影响 因素和提高高速操稳性的有效措施。从而提出切实可行的提高高速操稳性 的方案供生产厂家和使用单位选用。指导客车厂家改善包括操稳性在内的 综合性能，确保国产客车运行高速、安全，提高我国高速客运效率。 此研究的另外一个目的对建立的模型进行理论分析，为进一步的理论 分析和试验研究提供参考资料。 1 4 主要研究内容 1 对客车整车及乘员进行动力学分析，建立基本能符合客车一乘员系 统动力学特性的操纵稳定性动力学模型。 2 编制相应的计算机仿真软件，对所建立的操纵稳定性动力学模型进 行动态模拟。 3 通过试验研究和仿真分析，对比客货车模型的差异性。即讨论带人 体自由度与不带人体自由度模型的区别。 4 从实际应用的角度出发，通过试验研究和计算机仿真分析，讨论前 后侧倾刚度匹配和整车重心布置对客车操纵稳定性的影响。 长鲁大掌硕士掌位论文大客车操姒稳定性动力掌棋蠡；【研究 第二章客车中乘员人体模型研究 2 1人体模型的简化 21 1 我国成年人人体尺寸 国家标准g b l 0 0 0 0 - 8 8 中国成年人人体尺寸提供了我国成年人人体 尺寸的基础数据。标准中总共给出7 类4 7 项人体尺寸基础数据，表2 - 1 是 摘取其中和问题相关的部分人体尺寸。成年人的年龄范围界定为：男1 8 6 0 岁，女1 8 5 5 岁。分析表2 一l ，可将5 0 百分位的值作为参考。 表2 - i成年人部分人体尺寸 淡 男( 1 8 6 0 )女( 1 8 5 5 ) 5l o5 09 09 55l o5 09 09 5 身高( )1 5 8 31 6 0 41 6 7 81 7 驰1 7 7 51 4 8 41 5 0 3 1 5 7 01 6 4 01 6 5 9 体重( k g ) 4 85 05 97 17 54 24 45 26 36 6 坐高( ) 8 5 88 7 0 9 0 8 9 4 79 5 88 0 9 8 1 9 8 5 58 9 19 0 1 坐姿肩高( m ) 5 5 7 5 6 6 5 9 8 6 3 16 4 15 1 8 5 2 6 5 5 65 8 55 9 4 胸宽( ) 2 5 32 5 9 2 8 03 0 7 3 3 12 3 3 2 3 92 6 02 8 92 9 9 肩宽( m ) 3 4 4 3 5 1 3 7 53 9 74 0 3 3 2 0 3 2 83 5 1 3 7 1 3 7 7 臀宽( 口) 2 8 22 8 83 0 6 3 2 73 3 42 9 02 9 6 3 1 73 4 03 6 0 坐姿臀宽( 衄) 2 9 53 0 0 3 2 13 4 7 3 5 5 3 1 0 3 1 83 4 4 3 7 4 3 8 2 胸厚( )1 8 6 1 9 1 2 1 2 2 3 72 4 51 7 01 7 61 9 92 3 0 2 3 9 2 1 2 客车中乘员的运动分析 当客车在平直公路上直线行驶时，乘员坐在座椅上只作自认为舒适的 微辐小量运动，基本不影响客车的行驶性能；当客车遭遇障碍或者运动发 生改变时，乘员可能随车摇晃，产生侧向、纵向、侧倾、垂直、俯仰、横 摆等相对运动。例如，当客车突然转弯时，客车由于受到侧向惯性力的作 长安大掌硪士掌位论文大客车操纵稳定性动力掌模型研究 用必然发生侧倾，固定于客车上的座椅也将随车发生侧倾，必定会给坐在 座椅上的乘员一个使之发生倾斜的外力或外力矩，乘员的侧倾反过来也会 给客车以反力或反力矩。乘员相对于客车的侧倾会不会影响整车性能以及 影响程度还有待于进一步论证。这也正是研究客车的操纵稳定性极为关注 的一个问题。 参照法规c b t1 2 5 3 4 - 1 9 9 0 汽车道路试验方法通则规定，对于大客 车( 如旅游) 而言，可将每位乘员质量分成两部分考虑：一部分质量由座 椅承载( 啦) ，另部分质量由座椅前的地板承载( m ，) ，其质量大小分布见 表2 - 2 。对于质量m ，不考虑与车身的相对运动，认为固定于车身上，随车 作各种运动，只增加客车的总质量：对于质量巩考虑与车身存在相对运动， 将其考虑成与客车具有弹性约束的独立质量体。因此，仅研究聊质量体。 表2 - 2 客车乘员质量分布表 每人平均行李质量 质量分布( k g 车型 座椅前的 质量( k g )( 1 c g )座椅上巩 行李箱 地板上m 。 大客车 6 02 25 01 02 2 2 13 乘员自由度的确定 在研究客车的高速( 转弯) 操稳性时，由乘员随车摇晃的实际情况， 忽略次要因素，主要考虑对操稳性有较大影响的侧倾运动、以及由此引起 的侧向、垂直相对运动。 由“汽车用h 点三维人体模型的结构”5 1 可知，h 点即为人体身躯与 大腿的铰接点，即胯点( h i pp o i n t ) ，在人体模型中为髋关节，常以此点 作为人体的基准。本研究中也不妨认为此点为乘员相对于客车产生侧倾运 动的转动中心，也认为是乘员坐标系的坐标原点。 由国家标准g b l 0 0 0 0 - 8 8 中国成年人人体尺寸和法规g b t 1 2 5 3 4 1 9 9 0 汽车道路试验方法通则及其乘员对操稳性的影响分析，不 妨认为由座椅承载的乘员质量是宽b = 3 0 0 m m 、厚d = 2 0 0 m m 、高2 h = 6 0 0 m m 、质 量5 0 k g 的匀质长方体，即单个乘员的人体模型，见图2 - 2 a 。与客车具有两 长喜大掌硕士掌位论文大客车操剖l 捌l 定性动力掌械r 型研究 类弹性约束：一是由于座椅的弹性和阻尼引起的具有一定预压缩量的弹簧 t ；二是由于乘员在遭遇环境改变( 如急转弯) 时脚蹬车厢地板、手拉住 扶手、背紧靠座椅靠背等主动行为引起的总体效应，认为是没有预压缩的 限位弹簧j 。，见图2 2 b 。t 、七，的大小可根据实际经验进行估算。 2 2 人体模型的建立 2 2 1 人体相对坐标系 以人体h 点为坐标原点d 。，与客车纵向水平轴( x 轴) 平行方向为x 轴； 过原点与x ，轴的垂直方向为y ，轴，左侧为正；过原点的铅垂方向为z 。轴， 向上为正。这样，人体相对坐标系满足右手定则，与客车静止时的运动坐 标系平行。在此坐标系下的所有角度、角速度、角加速度，位移、速度、 加速度均取与坐标系正方向一致的方向为正。人体相对坐标系与客车动坐 标系的相对关系由图2 - 1 a 、b 所示。人体物理模型如图2 - 2 a 、b 所示。 h z z i y n c j 肜7 n l 1 o i? c ( o ) 一 x ( a ) 图2 - 1 c ( o ) ( b ) 人体相对坐标系与客车动坐标系的相对关系 z i 长毒大掌硕士掌位论文大客车操纵稳定性动力学模型研究 i ( a )( b ) 图2 - 2 人体模型简化结构图 图中：矗由座椅承载的乘员质量，即人体模型与客车的相对侧倾角： 只人体与客车的相对侧倾角速度； s 人体对座椅弹簧的预压缩量。 2 2 2 人体动力学分析 在客车作惯性运动时，乘员坐在座椅上只作自认为舒适的微辐小量运 动，不改变客车的运动关系，即认为乘员相对于客车静止，限位弹簧七与 乘员为虚接触，不产生弹性力；弹簧屯由于承载乘员的重量，两侧均产生 大小为s 的预压缩量，对乘员有弹性承载力，但左右弹簧产生的力相等， 对人体坐标系的原点不产生力矩。 当客车的运动状态发生改变，尤其是侧倾时，乘员将与客车产生相对 侧倾运动，进而引起侧向位移、垂直位移。这时，弹簧t 。的一侧预压缩量s 逐渐减小，而另一侧的预压缩量逐渐增大，二者产生大小相等方向相反的 拉力或压力，对原点产生力矩：同时弹簧t 由于受压产生弹性力( 而从图 2 2 b 中看来受拉的弹簧并不产生拉力，对人体不发生作用) ；而当相对侧倾 角增大到最大角f ：、或者当预压缩量减小到零的侧倾角岛时，七。产生的 弹性力达到无穷大，使得人体的相对侧倾角速度、角加速度变为零。因此， 人体的最大相对侧倾角为卣、幺的较小者，即破( m a x ) - - r a i n ( 螽、厶) 。 长安大学硕士掌位论文大客车操纵穗定性动力掌模型研究 图2 - 3 人体侧倾模型图2 _ 4 人体动力学分析 由于左右弹簧j | 。与人体是虚接触，只在受压的情况下才会产生弹性力， 在看似受拉时对人体并没有作用。因此，可把左右弹簧七。简化成与人体固 定、具有拉压刚度均为k 。的一侧弹簧，如图2 - 3 所示。 同时，由于仅关心人体的相对侧倾、以及由此引起的侧向、垂直相对 运动，由此可对座椅垂直弹簧七，进行简化，用一个等效的仅具横向角刚度 的扭转弹簧c f 和固定铰代替两个垂直弹簧丸，如图2 3 所示。扭转弹簧g | 的 最大可能扭转角为厶。人体模型动力学分析见图2 4 。从图上看出：人体 侧倾对水平方向的侧向运动影响较大，而对垂直方向的振动几乎没有什么 影响，由此也说明两垂直弹簧简化为一扭转弹簧和固定铰是合理的。 2 2 3 人体数学模型的建立 根据以上动力学分析，当客车自身侧倾角为零时，由图2 - 4 得出人体 的运动学方程为： f ，a = c o s 庐i c f 破- f 旷d - f 凡冲s i n 庐， 啊= 矗+ 七。坛 ( 2 - 1 ) lm ，= b 式中：巩第f 个乘员由座椅承载的质量，即单个人体的质量蚝： ，。第f 个人体的转动惯量姆胛； 口，、口。第f 个人体在咒、：，方向的加速度m s 2 ： 1 0 长安大掌硕士掌位论文大客车操纵稳定性动力掌模型研究 r 第i 个人体在儿方向上的动约束力； 民、兀第j 个人体在方向受的静、动约束力，且静约束力平 衡于重力，即l = 埘，g 。 当旃很小时，将式( 2 一1 ) 化简为 ，p ，= ( ，”i 口。一i 。矗氟) 厅+ ( m 。c t 。+ 聊，g ) 厅庐，一c ，庐， ( 2 - 2 ) 当客车侧倾角为西、侧倾角速度为p 时，式( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 依次为 f ，( 声+ 声，) = h c o s 庐i c ，谚+ 旷。+ f 二) h s i n ( + 疵) , 。a y = 0 + t 。 f ( 2 3 ) 【 肌凡= 兄 ，( p + p ，) = ( m 。口，一七。厅以) + ( 卅，口。+ 脚，g ) ( + 办) 一c i 谚 ( 2 - 4 ) 式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 为简化的人体模型的运动微分方程，即人体动力学模型。 2 3 人体模型中各参数的制取 2 3 1 单个人体的基本参数 1 根据常识一个质量为6 0 k g 的人坐在座椅上的预压缩量占约为3 0 r a m 。 由此可估算t 及其c i ： 由2 t = m 。g 求得 t = 州。g 2 6 = 1 1 0 4 n m c j = t 6 2 2 = 4 5 0n m r a d 2 根据图2 2 b 的几何关系容易求出、岛的大小及或的范围 吖】2 62 1 5 西2 = n = 1 2 从而，藏的取值范围为一a r c t g 优留 之间。 3 当人体侧倾至西的极限位置时。t 弹簧将产生足够大的冲量和力， 足以使得人体改变运动状态，其临界状态时有= 0 ，p = 0 ，声，= 0 。由 长安大学硕士掌位论文大客车操纵稳定性动力掌模型研究 式( 2 - 2 ) 求得 k 。= 3 4 3 2 n m 4 单个人体( 模型) 的特征参数 质量： m ；= 5 0 k g 转动惯量 仁告g 2 + ( 拍) 2 ) - 1 8 7 5 k g n r 2 3 2 客车中不同乘员人体模型的特征参数 不妨假设客车座椅在车厢中呈对称分布，即关于客车中心面( x 轴) 对 称。其合理性是显然的，如图2 - 5 所示，且每排座椅中心至前轴的距离分 别为l x ，l x ：，k 。) ，k ；从左起每列座椅中心至x 轴的距离分别 为上，。，0 2 ，三y 3 ，l ，最后一排中间座椅中心至x 轴的距离为0 。 图2 - 5 客车车厢中座椅的布量囤 基于这种假设，讨论满载时以下几种情况人体模型的特征参数： 1 将所有乘员视为一个当量人体 当客车满载时，所有乘员均匀分布在车厢中，可视为一个大的匀质乘 员立方体。由叠加原理、组合法求转动惯量原理可求得各特征参数： 质量：m ，= m 。 ( 2 - 5 ) 转动惯量： ，= b 百m tp z + ( 2 们+ m ，0 ) 珥l 1 二 扭簧刚度： c 。= 玎。g 弹簧刚度： k = n o 也 式中：玎。当量人体所包含的实际乘员数 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 长安大掌硕士掌位论文大客车攥蛾稳定性动力掌模型研究 产一当量人体数，这里产1 。 2 将所有乘员视为两个当量人体 将乘员的总质量根据其实际重心位置按质量比约为1 折算到客车的前 后轴上，式( 2 5 ) ( 2 - 8 ) 的表达形式亦不变，只是前后轴的当量人体 的各特征参数的关系式上分别乘了一个加权系数。 = ( 1 - 1 1 ) f如= 钐 式中：总乘员重心距前轴的距离； 卜一轴距： 广当量人体数户1 ，2 。 3 将每列乘员视为一个当量人体 对于图2 - 5 所示座椅布置的客车，由于最后一排中间座椅上的一个乘 员的质量、转动惯量较小，可忽略对客车操稳性的影响，故共有四个当量 人体。式( 2 - 5 ) ( 2 - 8 ) 仍然不变，的取值按客车每列的实际乘员数 确定。从左起，当量人体依次为j = l ，2 ，3 ，4 。 4 将每排乘员视为一个当量人体 可根据客车实际座椅排数n 确定总的当量人体数。式( 2 5 ) ( 2 - 8 ) 仍然不变，当量人体数产l ，2 , - , r l ，且每个当量人体所包含的实际乘员数 为4 或5 。 以上四种情况的各当量人体，其动力学分析同单个乘员的人体模型， 动力学方程仍然采用( 2 - 1 ) ( 2 - 4 ) ，将式中的f 视为当量人体数即可。 长安大掌硕士掌位论文大客车卿础稳定性动力掌模型研究 第三章客车操纵稳定性动力学模型的建立 3 1 操纵稳定性简介 3 11 基本概念 汽车的操纵稳定性是汽车理论的重要组成部分，是指在驾驶员不感到 过分紧张、疲劳的条件下，汽车能够遵循驾驶者通过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。通常认为由相互联系的两部分组成：一是操纵性，二是稳定性。操 纵性是指汽车能够确切响应驾驶员转向指令的能力；稳定性是指汽车受到 外界扰动( 路面扰动或突然阵风扰动) 后恢复原来运动状态的能力。两者 很难断然分开，稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此通常只统称为操 纵稳定性。 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且是决定 汽车高速安全行驶的一个主要性能。所以被人称为“高速车辆的生命线”。 而今，随着我国车辆行驶道路大大改善，修建了大量的高速、一级、二级 高等级公路；轿车的行驶车速早已超过l o o k m h ，有的设计车速已超过 2 0 0 k m h ，运动型轿车甚至已达3 0 0 k m h ，货车和客车以l o o k m h 行驶的情 况也很常见。因此，汽车的高速操纵稳定性日益受到重视，现已成为现代 汽车的重要使用性能之一。 汽车在行驶中，外界( 包括驾驶员) 对它的作用包括以下三个方面： 驾驶员通过操纵机构对汽车的操作、路面通过轮胎施加给汽车的作用力以 及空气作用力。就汽车的操纵稳定性而言，驾驶员对汽车的输入所引起的 响应是汽车的操纵性问题，而路面和空气对汽车的输入所引起的的响应是 汽车的稳定性问题。 3 1 2 评价方法 对汽车操稳性的评价主要包括指令反应评价与扰动反应评价、力输入 反应评价与角输入反应评价、汽车在不同工作点下的评价、线性区与非线 1 4 长安太掌硕士掌位论文大客车朔 纵稳定性动力掌模裂研究 性区的评价、稳态与动态评价、开环与闭环评价等。在实际评价时通常采 用试验评价方法，但各国采用的方法种类繁多，且不同的厂家和研究人员 也多采用不同的方法。常见的方法有：角阶跃试验、角脉冲试验、正弦角 输入试验、回正性试验、撒手稳定性试验、蛇行穿杆试验、移线试验、8 字形试验、稳态圆周试验、路扰反应试验、风扰反应试验等。由于篇幅所 限，这里不再详细介绍。本研究中将要运用的试验评价方法有：蛇行试验、 转向盘转角阶跃试验，将在第五章相关试验研究中详细介绍。 5 1 3 计算机仿真技术 在考虑客车的轮胎、悬架系统、乘员等客车动力学非线性环节的基础 上，建立客车的操纵稳定性动力学模型，在编制求解模型的计算机仿真程 序后，通过输入客车给定的试验条件及各评价参数的试验初值，得出客车 各参数的动态响应及稳态值，进而验证所建立的客车模型，并通过仿真对 客车进行性能分析。关于这一点在第一章和第五章中都有所论述。 3 2 客车模型的简化 3 2 1 模型的假设 汽车是由若干部件组成的一个物理系统，它具有惯性、弹性、阻尼等 许多动力学特性，实际上应该是一个多自由度动力学系统。同时，构成汽 车动力学系统的元件，如轮胎、悬架、转向系等，都具有非线性特性，描 述汽车的微分方程应该是非线性的，即汽车为一非线性多体动力学系统。 但在大多数行驶状况下汽车的侧向加速度不超过o 4 9 ，因此，在忽略一些 次要因素的情况下可对汽车系统进行简化，以便进行动力学建模和分析。 为此，特作如下假设： l - 设车轮不具有质量，汽车的质量集中于视为刚体的车身。并取汽车 的重心为汽车运动坐标系的原点。 2 在汽车行驶速度一定的前提下研究其操纵稳定性。 3 加减速度、转弯等过程中重心相对于汽车的位置保持不变，这样便 可以用力矩改变量法求取汽车的一些运动参数。 长安大掌硕士掌位论文大客车操纵穗定性动力掌徭型研究 4 不计轮胎滚动阻力和空气阻力的影响。 5 转向系与悬架系不是绝对刚性的，故在侧向力作用下，前后轮还会 有附加的转角。这种附加转角与所受的侧向力成正比，而且在忽略前后轮 对附加转角惯性的条件下，附加转角与侧向力之间没有相位差，因此它与 轮胎侧偏角也是同相位的。于是可将附加转角与轮胎侧偏角一起看成有效 的侧偏角。这样，转向盘转角就可以按刚性转向悬架系的传动关系折算为 名义前轮转角，即占，= e l i 。，f 0 为转向系角传动比。 6 垂直负荷转移时，假设车轮是刚性的，且与地面无相对滑动；而在 求取地面给的轮胎力时，按选取的轮胎模型确定。利用可逆原理，通过分 析汽车在垂直、俯仰、侧倾运动时的线位移和角位移反解出悬架系统( 包 括横向稳定杆) 对汽车的弹性力或力矩，根据牛顿力学作用力和反作用力 原理，确定汽车的垂直载荷转移量。 7 不考虑乘员与客车的俯仰、横摆的相对运动，而只考虑与操稳性关 系比较密切的侧倾、以及由此引起的垂直、侧向相对运动。 8 由人体模型论述可认为座椅在垂直方向为刚性的，乘员的下部固联 于座椅上，座椅与车地板固定良好，不存在相对运动。这样，就可假设乘 员刚体的转动中心为人体的h 点。在采用隔离法分别对客车进行动力学分 析时，将人体与客车之间的作用力看作外力或外力矩。 9 在对模型进行仿真时，将行李质量作集中质量处理，且与驾驶员质 量一起均考虑成客车总质量的一部分。 1 0 探讨乘员集中在总乘员重心处一个当量人体、集中分布在前后轴上 两个当量人体、每列乘员视为一个当量人体、每排乘员视为一个当量人体 四种情况。 3 2 2 坐标取法 当汽车以车速v 作匀速直线行驶，并考虑汽车的侧倾振动、垂直振动、 俯仰振动以及人体随车振动的情况下，研究驾驶员以一定转向盘转角指令 输入盾汽车的操纵运动及其稳定后受到外界干扰时汽车的操纵响应情况。 地面和客车上分别固定有地面固定坐标系x y z o 和运动坐标系x y z o 。 1 6 长安大掌硕士掌位论文，湍车操纵稳定性动力掌模型研究 1 地面固定坐标系( x 、y 、z ) 固定在地面上的右手坐标系。原点为地面上的某一点，x 轴和y 轴位于 水平面内，z 轴垂直于x y 平面指向上方。 2 客车运动坐标系( x 、y 、z ) 固定于汽车上的右手直角坐标系。原点在汽车重心，x 轴为汽车的纵向 对称面与通过汽车重心的水平面的交线，沿汽车的主运动方向指向前方，y 轴过重心且垂直于纵向对称面，水平指向左方，z 轴垂直于x y 平面，指向 上方。这样，地面固定坐标系与客车静止时的运动坐标系的各坐标轴分别 平行。 3 人体相对坐标系( x ：、y ，、= 。) 固定于人体h 点的右手直角坐标系。原点在人体h 点，汽车和乘员都 相对于地面静止时，x 。轴、y ，轴、z 。轴分别与x 轴、y 轴、z 轴平行，且正 方向的规定相同，详见2 2 。 4 运动参量的方向规定 在这样的右手坐标系中，规定在水平面上的所有角度( 前轮转角、整 车及各车轮侧偏角、方向角等) 及对应的角速度与角加速度均取左转即逆 时针方向为正，所有侧倾角及其角速度与角加速度以右倾亦即逆时针方向， 俯仰角与角速度以前俯亦即逆时针方向为正。且规定除轮胎侧向力以外， 其他所有变量在各坐标轴上的投影均以与该坐标轴正方向相同为正，相反 为负，而轮胎侧向力的规定相反。 3 2 3 客车的运动分析 以此坐标系为基准，汽车运动的自由度可按三维空间内的刚体运动分 为以下的6 个： ( 1 ) x 向的平动：纵向运动 ( 2 ) y 向的平动：侧向运动 ( 3 ) z 向的平动：垂直运动 ( 4 ) 绕x 轴的转动：侧倾运动 ( 5 ) 绕y 轴的转动：俯仰运动 长安大掌硕士掌位论文大客车操纵稳定性动力学模型研究 ( 6 ) 绕z 轴的转动：横摆运动 进一步详细观察上述六种运动，可将其分为如下两大类： 1 ( 1 ) 、( 3 ) 、( 5 ) 的运动，与转向操纵没有直接关系 具体地说，( 1 ) x 向的平动，是纵向的直线运动，包括加大油门或刹车 所产生的驱动和制动等；( 3 ) z 向的平动是由于路面不平整等产生的垂直方 向的运动，它与乘坐舒适性的关系甚密：( 5 ) 绕y 轴的转动，是由于路面 的上下不平整及伴随着( 1 ) 的运动而产生的运动，它也与乘坐舒适性的关 系密切。 2 ( 2 ) 、( 4 ) 、( 6 ) 的运动，与转向操纵有直接的关系 ( 2 ) 、( 6 ) 基本上是由于对行驶中的汽车进行转向操纵才产生的运动。 其中，( 2 ) y 向的平动是由于转向操纵而产生的侧向运动，( 6 ) 绕z 轴的转 动是汽车方向因转向操纵而发生变化的运动。( 4 ) 绕x 轴的转动则是伴随 着( 2 ) 和( 6 ) 的运动而产生的运动。同时，这种运动也会因路面的不平 整而产生。 如上所述，由于本文不研究x 向的平动对操稳性的影响，因此，仅考 虑汽车的后面五个自由度。 3 3 客车力学模型及动力学分析 根据以上假设和运动分析，并结合第二章人体模型研究中的论述( 如 图2 3 、4 所示) ，得出了客车整车的力学模型，如图3 - 1 、2 所示。由图分 别建立五自由度的货车模型，六自由度、七自由度、九自由度、( 5 + 力) 自 由度的客车模型。这里，p l 为客车座椅的实际排数。 长安大掌硕士掌位论文大客茸：操1 5 i - 稳定性动力掌模型研究 图3 - 1 侧倾、俯仰、垂直运动模型 野1 ： 十b r l 编， u uf v 蛹y n y r l 酾 r c u 盖x _ _ 一：千寸b ，2 锄， u uf 肜禹y f 2 y r 2 7l r1 f 3 3 1 参数说明 图3 - 2 水平运动模型 m 车体质量( k g ) m ，第i 个当量人体的质量( 蛞) ，。、，：车体( 包括乘员) 俯仰、横摆运动的惯性矩( k g m z ) ，车体( 不包括乘员) 侧倾运动惯性矩( k g m 2 ) t 第i 个当量人体绕通过其旋转中心侧倾轴的转动惯量( k g m 2 ) 后九、七，2 、砖l 、t ：悬架线刚度系数( n m ) z 、五、，2 分别为前左、前右、后左、后右( - f f l 司) c ，、c ，：、c ，、c r ：悬架减震器阻力系数( n s m ) c ，、g ：前后悬挂横向稳定杆的横向角刚度系数( n m r a d ) 长安犬掌礤士掌位论文大客车操纵稳定性动力学棋2 研究 c 。第j 个当量人体侧倾时的当量横向角刚度系数( n m r a d ) ，、，、，轴距、车体质心距前后轴的距离( m ) 。车体( 包括乘客) 离地高，即整车重心高度( m ) 。悬挂质量质心离地高( m ) 危第f 个当量人体质心距其旋转轴的垂直高度( m ) k 、上。第f 个当量人体转动中心距车体质心的距离( m ) 6 ，、6 ，前、后轮轮距( m ) d ，、t 前、后轴左右悬架中心距( m ) p 、y 、曰车体侧倾、俯仰、横摆运动的转角( r a d ) 硅第i 个当量人体相对于车体的侧倾角( r a d ) p 、q 、，车体侧倾、俯仰、横摆运动的角速度( r a d s ) “、v 、w 车体沿x 、y 、z 方向的速度( m s ) 口整车侧偏角( t a d ) 房。、所：、一屏：各轮胎的有效侧偏角( r a d ) 占，名义前轮转角( r a d ) 勺。、e f 2 、8 ，l 、e r 2 各轮胎所受的路面干扰( m ) y ，。、y ，：、r 、i ：轮胎侧偏力( n ) 弓，、b ：、只，、p ：悬架承受的垂直动载荷( n ) 五、正前后横拉杆承受的横向动反力矩( n m r a d ) ，、孵：、配、彬：轮胎承受的载荷，含动、静两部分( n ) e 、只弹性力、轮胎力在y 、z 方向的合力( n ) 帜、鸠、托弹性力、轮胎力绕x 、y 、z 轴的台力矩( n m ) 凡、e 、只，第f 个当量人体对客车的动作用力( n ) m 。第f 个当量人体对客车的动作用力矩( n m ) 3 3 2 客车水平运动分析 考察水平面内的汽车运动。相对于地面固定直角坐标系而言，汽车的 纵向、侧向是在时刻变化的。而从汽车方面来看，不论汽车向着什么方向 2 0 - 长安大学硕士掌位论文，o 参车期 姒穗定性动力掌模型研究 运动，约束条件是基本相同的。因此，用汽车运动坐标系来描述汽车的运 动比用固定于地面上的坐标系来描述更为方便。 图3 - 3 地面固定坐标系与汽车运动坐标系 如图3 - 3 所示，x y 为地面固定坐标系，不妨假设汽车静止时的质心 位置c 在地面上的投影为原点：x y 为汽车运动坐标系，绕垂直轴的角度 均以逆时针方向为正。 设汽车以一定的行驶速度在水平面内运动，相对于x - - y 坐标系，c 点 的位置向量为r ，则其速度向量应可表示为 矗= u i + 巧( 3 1 ) 式中：i 、j 分别为z 、y 方向的单位向量： “、v c 点的z 、y 方向速度分量。 由式( 3 1 ) ，可写出c 点的加速度向量矗为 r = 撕+ ”f + 哆+ 谚 ( 3 - 2 ) 又，x y 坐标系被固定于汽车上，汽车绕过c 点的垂直轴存在横摆角 速度，。现设i 、_ ，在f 秒内的变化为f 、，则由图3 - 4 ，得 f = r a t ) ， j = 一r a t i 故 ，= l l m 石a i ：巧 f - o u l 2 l j = 妞岩= 一一i ol j l 长安大学硕士掌位论文大客车操纵稳定性动力学模型研究 图3 4 单位向量的时间微分图3 - 5 口很小时重心c 点的速度及加速度 所以，c 点的加速度向量矗可表示为 月= 0 一v r ) i + p + u r ) j 同时，由图3 3 所示，“、v 可用汽车行驶速度v ( 常数) 与整车侧偏 角口( 口很小) 表示如下： “= v c o s p y