（农业机械化工程专业论文）基于优尼科nj1020汽车操纵稳定性及其控制方法的研究.pdf

优尼科n j l 0 2 0 汽车的操纵稳定性及其控制方法的研究 摘要 汽车操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，同时也是决定 汽车行使安全的一个主要性能。本论文是以南京跃进汽车集团生产的优尼 柯n j l 0 2 0 汽车为研究对象，进行整车操纵稳定性分析。 在对汽车操纵稳定性的国内外研究状况、基本评价方法进行研究后， 采用虚拟样机技术a d a m s 作为研究汽车操纵稳定性的基础平台。运用 a d a m s 软件分别建立汽车六个独立的子系统：转向系统、前悬架系统、后 悬架系统、前后轮胎系统、发动机系统和车身系统，然后将六大子系统组 装成整车多体动力学模型。 然后，对所建立的优尼科整车模型进行操纵稳定性仿真，输出所需的 各种评价整车性能的特性曲线，与实车试验结果比较，验证所建模型的有 效性和可信度，并对该车型的操纵稳定性进行初步评价。 分析优尼科n j l 0 2 0 各结构参数对操纵稳定性的影响。并利用根轨迹 法优化汽车结构参数，改善汽车操纵稳定性。 同时，以m a t l a b s i m u l i n k 模块为平台，建立三自由度汽车e s p 的最 优控制系统模型，联合前面建立的a d a m s 模型，进行汽车进行操纵稳定性 的控制方法研究。 关键词：操纵稳定性a d a m s 影响因素s i m u l i n k 三自由度最优控制 u n i q u en j 10 2 0v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y a n dc o n t r o lm e t h o ds t u d y a bs t r a c t v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yn o to n l ya f f e c tt h ee a s eo fm a n i p u l a t i o n ，b u t a l s oi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e so ft h ea u t o m o b i l es a f e t y t h i s t h e s i si sb a s e do nu n i q u en j10 2 0w h i c hi sp r o d u c e di nt h en a n ji n gy u e ji n a u t o m o b i l eg r o u pa st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n da n a l y s i so fv e h i c l eh a n d l i n g s t a b i l i t y a f t e rs t u d yt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a ss i t u a t i o no fv e h i c l e h a n d l i n g s t a b i l i t ya n dt h eb a s i ce v a l u a t i o nw a y s a d o p tv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a d a m sa st h eb a s i cr e s e a r c hp l a t f o r mo fv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y u s i n g a d a m ss o f t w a r es e p a r a t e l ys e tu ps i xi n d e p e n d e n ta u t o m o t i v es u b s y s t e m s ： s t e e r i n g ，f r o n ts u s p e n s i o ns y s t e m ，r e a rs u s p e n s i o ns y s t e m ，t h ef r o n ta n dr e a r t i r e s y s t e m s ，e n g i n es y s t e m sa n db o d ys y s t e m s ，a n dt h e na s s e m b l e ds i x s u b s y s t e m si n t ov e h i c l em u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e l t h e n ，c a l t yo u tt h es i m u l a t i o no ft h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t ym o d e l ，t h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sf o re v a l u a t i n gt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e ，c o m p a r e w i t ht h er e a lv e h i c l et e s tr e s u l t s ，v e r i f yt h ev a l i d i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h em o d e l ， a n de l e m e n t a r ye v a l u a tt h eh a n d l i n gs t a b i l i t yo ft h em o d e l s a n a l y s i st h ei m p a c to ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sc h a n g eo nh a n d l i n g n s t a b i l i t y a n do p t i m i z et h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fv e h i c l e sw i t hr o o tl o c u st o i m p r o v e t h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，b a s eo nm a t l a b s i m u l i n kb l o c k s ，s e tu pt h r e ef r e e d o m d e g r e e sc a rs y s t e m ，e s t a b l i s ho p t i m a lc o n t r o lo fe s ps y s t e mm o d e l ，u n i t et h e a d a m s m o d e l ，s t u d yt h ec o n t r o lw a y so ft h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y k e yw o r d s ：u n i q u ev e h i c l e h a n d l i n gs t a b i l i t y ；a d a m s ；i m p a c t f a c t o r s ；s i m u l i n k ； o p t i m a lc o n t r o l ；t h r e ef r e e d o md e g r e e s i i i 符号说明 意义 稳定性因数 根轨迹增益 静态误差系数 质心侧偏角 前轮转角 侧倾角 力传动比 角传动比 转向阻力矩 转向盘的力矩 转向盘的半径 汽车所受的空气阻力 空气密度 空气阻力系数； 有效迎风面积 为车辆的质量 汽车质心速度 横摆角速度 侧向加速度 前轮侧向力 v i t 单位或量纲 s 2i m 2 无量纲 无量纲 度 度 度 无量纲 无量纲 n m n m m n k g m 3 无量纲 m k g m s o | s m i s 2 n 勰 k e 口 艿 q o o 帆 尥 r p 考 s m 甜 q 吩 矗 后轮侧向力 车辆绕z 轴转动惯量 质心到前轴距离 质心到后轴距离 悬架上质量 前悬架侧倾角刚性 后悬架侧倾角刚性 前悬架侧倾阻力系数 后悬架侧倾阻力系数 前悬架侧倾转向系数 后悬架侧倾转向系数 前轮有效侧偏刚性 后轮有效侧偏刚性 惯性积 侧倾力臂 转向盘转动惯量 侧倾角速度 前轮有效侧偏角 后轮有效侧偏角 轴距 回正力矩 v i i i n k g m 2 m m k g n m | r a d n m r a d n m j r a d n - m s | r a d 无量纲 无量纲 n r a d n r a d k g m 2 m k g n 1 2 r a d s r a d r a d ，竹 n m 矗 l a 6 坂 g 哆 4 0 耳 砖 k 厅 p 磊 疋 ， 丝 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表 或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提 供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：名 矿7 年月v 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 吝即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：爹痞平导师签名磊初讫叼年多月三b 日 基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 1 1 引言 第一章前言 现代汽车速度越来越高，因此对汽车操纵稳定性提出的规格也随之提高。汽车操 纵稳定性的定义是指驾驶员状态良好时，汽车能通过转向系及转向车轮按照驾驶员意 愿行驶，同时汽车要能抵抗外界干扰，保持行驶稳定1 1 。操纵稳定性既影响到操纵方 便性，并且也是汽车行使安全的一个重要方面2 1 。 汽车操纵稳定性的研究一般利用仿真分析和试验方法【3 1 。仿真分析是先在电脑上 建立模型，然后编入各种驾驶者的操纵信号，计算出汽车的响应，从而对整车的操纵 稳定性进行研究【4 1 。仿真分析它具有很多优点，例如需要进行的时间相对比较短，可 以在计算机上多次仿真分析，同时对各种优化路线迅速分析出结果，另外，可进行一 般情况下难以试验的情况进行仿真，所以，仿真这种方法日益受到重视1 5 。9 1 。 在计算机未广泛使用以前，汽车设计时的操纵稳定性的判断主要需要实车试验来 进行，有许多的不利方面，例如研发周期长，需要的经费多，实车试验时还有许多安 全问题【l o 】。但利用a d a m s 软件中c a r 模块，我们可以进行的仿真有包含发动机、车 身、转向机构、传动系、悬架和轮胎等等在内的整车模型，可以在计算机上仿真汽车 的运行情况，然后分析汽车的各项性能。仿真可以在不同情况的道路( 例如湿滑路面、 冰雪路面、混凝土路面等等) 时使其汽车模型完成试验预定道路的各种汽车操纵稳定 性试验分析，而且可以更准确地预测整车操纵稳定性、汽车运行平顺性、安全性等等， 实现并行设计，减少研发时间1 1 5 - 1 9 1 。 1 2 操纵稳定性研究状况 汽车动力学的发展由开环到闭环，由试验研究到理论与试验结合研究，由简单的 线性模型到非线性多体系统模型进步【2 0 】，整车模型的自由度也越来越多，由稳态响应 广西大掌硕士掌位论文 基于优 翻斗n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 到瞬态响应，由局部结构到整车的研究，关系到汽车系统的各个子系统 2 1 - 2 5 l 。 随着图形学技术、计算机及计算方法的快速发展，在机械系统仿真方面，国外开 发了很多基于多体系统动力学理论的仿真分析软件。这些软件中，由美国机械动力公 司研发的a d a m s 软件使用最广泛，该软件利用虚拟样机技术，将非线性分析求解、 大位移与简练的用户界面相结合，且a d a m s 预留了与其他许多软件的接口。a d a m s 是当前应用效果较好，使用非常广泛的一个软件，在工程机械、汽车、航空、机器人 等方面都有广泛应用1 2 1 1 。 怎么样才能提高汽车固有的操作稳定性，以前一直只限于改进轮胎、悬架、转向 和传动系被动地改进的方法。2 0 世纪8 0 年代以后，随着支持控制系统的计算机与传 感器、执行机构的加速发展，很多汽车公司陆续都开发、制造了多种显著改善操纵稳 定性的电子控制系统。不断开发出性能更优良、价格更低廉的电子控制系统，已是当 前提高操纵稳定性的一条重要途径。例如，e m c d 、左右轮驱动力分配系统、t s c 、 4 w s 、a b s 、前后轴转矩分配系统、前后轴制动力分配系统、e s p 、主动悬架中的前 后侧倾角刚度分配系统等等。 1 3 研究目的 本课题是以南京跃进汽车集团生产的优尼柯n j l 0 2 0 汽车为研究对象。该车是从 意大利菲亚特引进的一款轿车，为适应国内的需求应用特点，经过一系列的改装，定 位是客货两用旅行车，已经批量生产，该车的许多方面性能指标良好，具有很好的市 场前景，但该车的操纵稳定性性能尚有不足之处，需要改进。为此，决定以该车为一 个原型车对车进行操纵稳定性改进。 1 4 主要研究内容 本课题主要的研究内容包括： ( 1 ) 利用a d a m s 软件分别建立优尼科n j l 0 2 0 汽车六个独立的子系统：前后轮 胎系统、转向系统、前、后悬架系统、发动机系统和车身系统等等； ( 2 ) 把优尼科n j l 0 2 0 汽车的六个子系统组装成整车，这个部分，各个子系统之 2 基于优尼科n j1 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 间的定位、连接关系及信号数据传输设置是关键； ( 3 ) 在c a r 模块的虚拟环境中对所建立的优尼科整车虚拟样车进行操纵稳定性仿 真，与此同时，进行实车试验，验证优尼科模型的正确性； ( 4 ) 利用根轨迹法分析结构参数对操纵稳定性的影响，然后优化优尼科汽车的结 构参数； ( 5 ) 利用s i m u l i n k 模块建立e s p 控制模型，然后再对优尼科汽车进行操纵稳定 性仿真，分析该控制方法是否有效 1 5 汽车操纵稳定性的评价方法 1 5 1 评价方法之一：开环方法、闭环方法 开环方法是把汽车本身看作一个控制系统，按照对控制系统稳定性，稳定品质和 瞬态响应特性的一般要求，对汽车的动态特性和操纵稳定性进行研究和评价，这种方 法完全取决于汽车的结构参数，是汽车本身固有的特性2 1 1 。如图1 1 所示。 图1 1 汽车开环系统方框图 f i g1 - 1v e h i c l eo p e ns y s t e mp a n ec h a r t 汽车性能是通过驾驶者的驾驶来实现。在汽车行驶时，驾驶者根据当时的情况操 纵方向盘、油门和刹车等让汽车按自己的意愿行驶；同时，侧风、路面光滑度、路面 的凹凸不平等也会影响汽车的运行。另外，驾驶者根据各种感官得到的信息，然后分 析汽车的行驶状态，之后利用油门、刹车、方向盘使汽车安全行驶。因此汽车操纵稳 定性的优劣，不仅取决于汽车本身的结构参数，还涉及驾驶员和道路交通环境等主、 客观因素。为了更深入地研究和评价优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性，需要分析驾驶 员特征与汽车特性的影响方面。如图1 2 所示，把优尼科汽车作为驾驶员一汽车一道 路闭环系统的受控部分，根据整个系统的特征进行分析的方法就是闭环方法【1 ，3 6 1 。 广西大掌司e 士学位说譬 基于优尼科n j1 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 图1 2 驾驶员汽车道路闭环系统方框图 f i g1 - 2d r i v e r - v e h i c l e r o a dc l o s e ds y s t e mp a n ec h a r t 1 5 2 评价方法之二：主观评价方法、客观评价方法 ( 1 ) 客观评价方法是利用实车试验，测量出与操纵稳定性有关的汽车运动参数， 如侧偏角、横摆角速度、车速侧向加速度、侧倾角及方向盘转角等，之后和相应的国 家标准比较进行分析。目前我国的汽车生产厂家，进行操纵稳定性实车试验评价的方 法基本上都是客观评价方法，一共有六项内容，包括蛇行试验、转向瞬态响应试验一 方向盘转角阶跃输入、转向瞬态响应试验一方向盘转角脉冲输入、转向回正性能试验、 转向轻便性试验、稳态回转试验。这些国家标准的建立在参照了国际上流行的评价方 法基础上，并加入我国独有的内容，如评分标准、试验数据处理及高速试验方法等【3 4 1 。 ( 2 ) 主观评价又叫感觉评价，其方法是让试验评价人员，根据试验时自己的感觉 来进行评价，并按规定的项目和评分办法进行评分。研究汽车本身特性的开环系统只 采用客观评价方法。研究驾驶员汽车道路闭环系统可同时采用客观评价和主观评 价两种方法。 主观评价中评价比较重要的评价项目有：直线行驶特性、转向响应的准确性、固 有转向特性、曲线行驶特性、行驶车道变换、载荷变化反应、制动特性和侧风敏感性 等。此外还常常在多弯道路段上评价总的特性。 主观评价一般采用等级评分的方法。目前，汽车操纵稳定性的主观评价评分方法 各国并不统一，一般有绝对评分和相对评分之分。在美国，三大汽车公司基本上都采 用j u y r 评分系统对车辆的某项性能进行绝对评价打分，图卜3 为j u y r 评分系统表。主 观评价另一种评分方法是相对分数法，即首先确定一参考样车，其他车型的主观评价 分数是相对于样车而言的，j o h n a u r e l l 讨论了一种评价的方法。这两种方法在实际应 4 广西大掌硕士掌位论文 基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 用中都很普遍【t 1 。 可接受 卜到接受 油田匣。币樟舀陌 ，二，i t - - - -r1 oj k i = r 记分值 l23456 7891 0 车辆部件 产品被拒 边界 勉强很极 客户 区接受 般 好 好好 - | 生能评价 极差 决定 能感知到 所有 受训 感觉 的客户群客户 评价客户有经验的客户 过的 客户 不到 图1 - 3 美国j u y r 车辆主观评价评分系统 f i g1 - 3t h es u b j e c t i v ee v a l u a t es y s t e mo f a m e d c aj u y rv e h i c l e ( 3 ) 明显可以看出，客观评价方法只是一种定量的评价方法，如果评价指标能够 明确规定，就不需要主观评价，但是由于汽车的操纵稳定性受很多因素影响，其中也 有许多不确定因素，因此客观定量评价指标难以制定。所以，主观评价方法在汽车操 纵稳定性的分析中也非常重要。 ( 4 ) 汽车操纵稳定性的主观评价和客观测量参数的相关性分析 在实际汽车运行时，为了找到客观测量值与主观评价方法之间的相关性，国内外 进行了大量的分析研究。主观评价和客观评价之间的一致性问题需要通过相关性检验 的方法进行分析，检验的目的是从所测量值中找到一些客观准则，它们最适合用来描 述驾驶员的主观评价。为了这一目的，首先必须从测量曲线中找出尽可能多的合适的 客观准则。将这些客观准则以不同的权系数组成综合评价指标，然后用驾驶员的主观 评价对其进行检验。也可以从测量的时间函数中算出算术平均值或均方值、方差、最 大值或其它统计特征值，并以此作为客观准则进行相关计算。大量的研究结果显示， 主观评价与客观评价中的以下参数有关1 1 , 4 , 3 0 ： 方向盘转角与横向加速度或横摆角速度的时间滞后； 基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 横向加速度或横摆角速度的反应时间； 横向加速度或横摆角速度增益； 横向加速度或横摆角速度超调量； 因子t b 值等。因子t b 值是指车速为8 0 k m h 和侧向加速度为+ n v s 2 时最大横 摆角速度延迟时间与稳态侧偏角的乘积。 许多文献试验表明，主观评价与开环系统的相关系数最大只能达到0 8 左右，而 主观评价与闭环系统的相关性更好，相关系数可以达到0 9 以上。 1 5 3 评价方法的其它分类法 1 5 1 和1 5 2 研究了汽车操纵稳定性评价方法的两种分类方法，另外还有一些其 他分类方法【3 7 1 ，如： 1 ) 按汽车各部分力学特性是否在线性范围内分为：线性和非线性区内评价； 2 ) 按汽车操纵稳定性定义分为：指令反应评价、扰动反应评价： 3 ) 按驾驶员操纵输入分为：力输入反应评价、角输入反应评价； 4 ) 按汽车的运动是否达到平衡状态分为：稳态评价、瞬态评价。 1 6 本章小结 本章分析了汽车操纵稳定性研究的目的和意义，并研究了当前国内外研究情况， 得出后文应该需要研究的主要内容。同时，分析了汽车操纵稳定性的各种评价方法及 其优缺点和内在联系。 6 基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 第二章整车虚拟样机模型的建立 本章主要是通过a d a m s c a r 模块分别建立优尼科n j l 0 2 0 汽车的车身系统、发动 机系统、轮胎系统、转向系统、前悬架系统和后悬架系统等六个子系统的多体动力学 模型，然后组装成整车模型，为后文的研究进行打下基础。 2 1a d a m s c a r 模块介绍 a d a m s c a r 是a d a m s 软件中的一个模块，是专门用来建立并分析悬架模型和整车 模型的模块。本文是在c a r 模块中建立优尼科n j l 0 2 0 的整车模型，并在此模型基础上 做有关优尼科n 3 1 0 2 0 汽车操纵稳定性的仿真分析 3 9 , 4 0 1 。a d a m s c a r 是美国m d i 公司联 合福特、宝马、奥迪、沃尔沃等汽车公司针对汽车建模仿真分析开发的专业化软件， 结合了这些汽车公司在汽车设计、开发等各个方面的经验，在建立车辆模型和仿真分 析等方面效果显著，精度、可靠性都比较高。采用a d a m s c a r 建立模型，原理相对比 较简单，但建模过程比较复杂”。利用c a r 模块，使用者可以建造高精度的整车模型 ( 包括转向系、车身、前后悬架、传动系统、轮胎、发动机和制动系统等) 并仿真分 析，调出仿真动画直观地看出在各种运行状况下( 例如不同的天气、道路状况、驾驶 者经验) 整车运行情况，并输出相关汽车操纵稳定性、平顺性、乘座舒适性和安全性 等的相应曲线，这样就可以大量减少对物理样机的使用，且仿真时间相比物理样机实 验要少非常多【4 l 】。优尼科n 3 1 0 2 0 汽车的建模示意图如图2 1 所示。 7 广西大掌硕士掌位论文基于优忠科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制劣嗡酷的研究 模板： 子系统 l 前悬架il ，l 前悬架总威 l 、： 转向系i l l 转向系总成 l l 整 i 后悬架l h 后悬架总成l 信 车 l 轮胎i l i 轮胎总成 i 号 罄模 i 车身ll - i 车身总成i r 型 i l 制动系i ： 动l总成l l 发动机一i ；1 发动机总成 l y i r li 2 2a d a m s 的设计流程 图2 - 1 整车系统建模示意图 f i g2 - 1v e h i c l em o d e l i n gc h a r t 研究优尼科n j l 0 2 0 汽车的操作稳定性，建立优尼科汽车模型时，可以按照下面 几个基本步骤进行： ( 1 ) 优尼科n j l 0 2 0 整车相关部分的物理抽象化； ( 2 ) 取得优尼科汽车的运动学相关参数，制定抽象模型的运动部件和约束，从而 建立整车多体动力学模型，检验模型的自由度数和优尼科模型的正确性； ( 3 ) 取得优尼科汽车的动力学参数，规划好模型的部件、衬套、铰链与弹性元件 和外界的一些条件，例如道路模型文件、空气动力特征等； ( 4 ) 对优尼科汽车的动力学模型进行适当调整，然后仿真分析； ( 5 ) 最后，对仿真结果进行后处理、分析，得出结论 2 3 整车模型建立 2 3 1 整车建模准备 整个车辆是一个非常复杂的系统，如果按照汽车实际情况建立模型，那它的工作 8 基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 量是不可想象的。所以，建模前需要针对分析研究的内容对整车结构进行简化，在进 行优尼科n j l 0 2 0 建模时，根据车辆的结构可以适当地抽象并且简化。在本论文中， 忽略了制动系统的作用。同时还做了以下一些假设【4 2 】： ( 1 ) 优尼科n j l0 2 0 的簧载质量是一个刚体； ( 2 ) 整车动力传动系统也相应简化，只分析传动半轴后面进行的动力传递，也就 是驱动力矩直接加在等速万向节的地方； ( 3 ) 对于各部件之间的连接作适应当的柔性简化，用线性( 非线性) 弹性橡胶衬套 来模拟实际情况下的动力学特征； ( 4 ) 除了后悬架、轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件以外，其余构件都是刚 体，在仿真分析时不考虑它们的非线性变形的影响； ( 5 ) 模型中各运动副间的摩擦力不考虑； ( 6 ) 将车身看作是一个刚体，质量简化在质心处； ( 7 ) 由于减振器太复杂，这里利用软件内提供的弹簧、阻尼元件来模拟他们间的 作用，且不进行实体零件的建模； ( 8 ) 假定簧载质量按照质心位置按比例分配在前后车轴以简化计算。由以下经验 公式1 2 4 j 求得其转动惯量 i y = m laz+m2b2(2-1) 式中， 强，_ 汽车前、后轴上的轴载质量，埏 a ，卜汽车质心至前、后轴距离 i y i ，； i x 2 ( b l ) i y b 汽车的车轮宽度，取前后轴的最大轮距。 i 整车外形总长度。 a d h m s c a r 模块提供标准模式和模板建模模式两种工作模式。标准模式界面下，使用者可以 9 广西大掌硕士学位论文 基于优尾科n j l 0 2 0 汽车操纵穗定性及其控制方法的研究 根据自己的需要建立汽车模型的结构来选择合适的子系统模板，如发动机、车身、悬架系统、 轮胎系统、转向系统等；如果模块中没有合适的模板选择，则需要先在模板模式下建立相关的 模板，之后导入到标准模式下建立子系统。建立优尼科整车模型过程如图2 - 1 所示。在本论文 中，针对个别系统如后悬架系统( 弹簧钢板) 在a d a m s c a r 模块内没有可用的现成的模板， 需首先建立相应的模板，然后建立子系统，最后通过相关信号交换器将创建的后悬架系统装 配【舡4 7 i ，组装成整车模型。建模过程中采用常用的车辆坐标系，如图2 2 所示。 图2 - 2 建模采用的车辆坐标系 f i g2 。2m o d e l i n gr e f e r e n c ef i r m e 利用机械系统动力学分析软件a d a m s c a r 建立能真实反映优尼柯动力学特性的 整车操纵稳定性模型，将优尼柯整车系统依据各自主要功能简化为六个子系统，即车 身系统、发动机系统、轮胎系统、转向系统、前悬架系统、后悬架系统。整车的主要 设计参数都作为设计变量来处理。 2 3 2 建立前悬架模型 优尼柯n j l 0 2 0 前悬架采用的是经典的麦弗逊式悬架，如图2 3 ，可以抽象为1 4 个独立刚体组成的系统：即减振器、螺旋弹簧、转向横拉杆、转向节臂、摆臂、直拉 杆、传动轴等零部件，并对它们之间的连接形式作了合理的抽象。其中转向支柱总成 是最重要的构件，它包括减振器下部的缸筒、转向节臂和轮胎支承部分等几个实际零 件，但由于它们之间没有相对运动，可作为一个刚体来处理。这其中转向节臂通过球 铰与转向拉杆连接，减振器缸筒与减振器活塞杆通过圆柱铰连接，轮胎支承部分与驱 1 0 广西大掌硕士学位论文 基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 动轮胎转动的花键轴通过转动副相接，下端则通过一个近似理想球铰的线弹性衬套与 下摆臂连接【捌。 图2 - 3 麦弗逊式独立悬架示意图 f i g2 - 3m c p h e r s o ni n d e p e n d e n c es u s p e n ds k e t c hm a p ( 2 ) 汽车前轮定位参数及在a d a m s 中的计算方法【4 9 1 转向轮具有自动回正作用是为了保证汽车能够适当的直线行驶。也就是当转向轮 在突然遇到外力( 如地面不平) 作用会发生偏转，在外力突然撤销后，能够回到直线 行驶的状态。这种汽车自动回正能力是由转向轮定位参数使它实现的。这些定位参数 有：主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束。设计汽车转向系统时应使轮 胎主销在汽车的纵向和横向平面内都有一定的倾角。在汽车纵向平面内，主销上部向 后倾斜一个y 角度，叫做主销后倾角；在汽车横向平面内，主销上部向内倾斜一个1 3 角度，叫做主销内倾角；汽车前轮中心平面也是不垂直于地面，而是向外倾斜一个角 度c i ，叫做前轮外倾角。 汽车的主销后倾角y 主要是为了使汽车能够形成回正的稳定力矩。但是这个力矩 也不能太大，因为太大了时，在转向时为了克服这个稳定力矩，驾驶员需要在方向盘 1 1 广西大掌硕士掌位论文基于优尼科n j l 0 2 0 汽车操纵稳定性及其控制方法的研究 上施加较大的力矩，就会造成转向不方便。稳定力矩主要取决于汽车后倾角y 的大小。 所以为了不使转向盘难以把握，主销后倾角y 也不宜过大，现在的汽车一般采用的y 角不超过3 。但由于现代高速汽车由于轮胎气压降低而弹性增加，会引起稳定力矩 增加，所以，y 角在一些车辆上可以减d , n 接近于零，甚至为负值。在c a r 模块中， 是用汽车主销轴线单位矢量在x 轴和z 轴的方向投影来计算主销后倾角y 的值。 ( 2 - 2 ) 汽车主销内倾角b 也同样有使车轮自动回正的能力。而且，主销内倾还使得主销 轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离c 减小，因此可减少转向时驾驶者 操纵方向盘上的力，使转向操纵轻便性提高，与此同时，这样也可使操纵方向盘更加 舒适。但是这个c 值也不能过小，也就是内倾角不可以过大，否则在转向时，车轮在 绕汽车主销偏转时，轮胎与路面间会产生较大的滑动，由此会增加轮胎与路面间的附 着阻力，这不仅使转向操作难以进行，同时也会使轮胎剧烈磨损。因此现在的汽车中， 一般内倾角b 要小于8 。，另外距离c 一般为4 0 到6 0 毫米。在c a r 模块中，同样是用 主销轴线单位矢量在y 轴及z 轴的方向投影计算主销内倾角1 3 的。 j雪乏毳i!：嚣!aarrccttaann(竺dcc。ossyy。dcc。osszzi c 2 3 ， 右侧前轮主销内须角卢=( 一) i 主销后倾和内倾两个角度除了能保证汽车稳定直线行驶外，汽车前轮外倾角也具 有定位作用。而且也是为了使轮胎磨损更加均匀，并且减轻轮毂外轴承的损耗。所以， 安装车轮时要使车轮有一定的外倾角，来防止车轮的内倾。在c a r 模块中，是采用轮 轴二矢量单位矢量来求解汽车前轮外倾角q 的。 育扩轮外角甄角：a = a t a n ( d y d z ) ( 2 - 4 ) 1 2 淼器 擎 御嘴队 黼储舡 n 一孤 瑟 广西 掌硕士学位诗盅 基于优尼，科n j l 0 2 0 汽车拇龇髓定性扭其控制者法的研究 表2 - 2 前悬架模型各关键点的坐标 t a b l e2 - 2 t h ec o o r d i m t e o f k e yp o i n t s i n f r o n ts u s p e n d m o d e l h a t d p o i n tn a m e s y m m e t r y x v a l u e y _ v a l u e b o 舯 s t n g l e d r i v es h a 虹1 n r 传动轴内点l e t , r i g h t i c a _ o n t 下横臂l e a r i g h t 1 c ao u t e r l e f f f r i g h t 1 c al c a x 1 e 叶堰h t m i d 传动轴中心l e t , r i g h t s p r i n g j w r _ s e a t l e f t r i g h t s p r m g u p p e r _ s e a t l e f t t r i g 址 s t r u t1 w fm o u n t l e f t h i g h t s u b f r 砌ef r o n t l e f f f r i g h t s u b f r a m er e a r 1 e f t r i g h t s u e n s i o nt oa n t i r o l lf r o n tl e 丘r i g h t s u s p e n s i o nt oa n t i r o l lf ea rl e t w r 堰h t t i e r o di n n e r l e f t r i g h t t i e r o do u t e r l o f 计堰h t t o pm o u n tl e r c r 堰h t w h e e lc e n t e r l e f t r i g h t 00 2 80 4 5 30 3 10 1 0 90 2 20 1 20 88 2 20 4 0 00 4 0 00 3 5 00 2 0 00 1 1 87 9 70 88 2 80 00 1 9 10 3 4 40 + 6 8 00 3 9 70 5 6 60 5 7 90 5 1 70 5 8 10 4 5 00 4 5 00 3 9 00 4 6 00 2 6 40 6 5 00 5 1 72 7 0 90 圈2 4 前悬榘模型 f i 9 2 4f r o n ts u s p e n d m o d e l zv a l u e 00 4 40 1 20 5 70 2 40 4 40 3 3 10 5 6 40 1 7 10 1 5 00 1 5 00 5 00 6 00 1 4 30 1 0 70 5 盯0 3 60 基于优尼科1 0 2 c l 汽车埔娥疆定性a 暮控制方法的研究 233 建立横向稳定杆模型 汽车不仅要具有很好的平顺性也应具有良好的操纵稳定性，现在的汽车为了满足 良好的行驶平顺性要求一般都采用较软的悬架，与此同时在汽车高速行驶转向时势必 导致车身产生较大的横向倾斜或横向振动，使乘客没有稳定感。横向稳定杆可以提高 悬架的侧倾角刚度或调整前后悬架的侧倾角刚度的比值，防止车身产生很大的横向倾 斜或横向振动l 。 建立优尼科n j l 0 2 0 模型的方法是将横向稳定杆分为左右对称的两部分，在对称 处施加旋转副，保证他们之间可绕其轴向相对转动，并在断开处加一扭簧，来实现横 向稳定杆的功能，侧倾角刚度由对称处的扭转弹簧表示。横向稳定杆立柱端通过恒 速副与横向稳定杆相连，另一端通过球铰与车身相连，约束了其绕自身轴线的转动。 所建横向稳定杆模型如图2 - 5 。 。p 一 图2 5 横向穗定杆模型 f i g2 - 5 l a n d s c a p e o e n 诅t i o ns t a b i l i z a t i o np o l e m o d e l 2 34 建立优尼科转向系统模型 ( 1 ) 优尼科n j l 0 2 0 汽车转向系主要结构及性能参数计算” 转向系传动比是转向系计算分析中一个最为关键的重要参数。汽车转向系的传动 比包括力传动比和角传动比，它对汽车操纵稳定性及平顺性等的影响非常大。 广西大掌硕士掌位论文 基于优惠科n j 10 2 0 汽车操纵稳定性及其控制力法的研究 汽车转向系力传动比是指的是从汽车轮胎接触地面中心的位置作用在两个转向轮 上的合力2 b 与驾驶员作用在方向盘上的操纵力e 之比；转向系角传动比乞。指驾驶者 给方向盘的转角和驾驶员同侧的转向轮转角的比值。它们计算公式如下。 i p = 等等= c 等= ，= 舞筹等= 舞等( 2 - 5 ， 其中， 坂汽车的转向阻力矩： 尥驾驶员操纵在方向盘的力矩； r 汽车方向盘的半径； a 汽车主销偏移距，是指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车 轮中心平面与支承平面的交线的距离； i ，汽车转向器角传动比； c 汽车转向传动装置的角传动比值，它等于摇臂轴转角增量以与同侧转向 节转角增量邵t 的比值。 ( 2 ) 优尼柯n j l 0 2 0 的转向系统采用齿轮齿条式转向器，带横向稳定杆。优尼柯 转向系统采用齿轮齿条式转向器，转向传动机构为断开式转向梯形，传动比为2 1 8 2 。 所建立的优尼柯转向系统模型，将将转向系零部件简化为刚体模型，将齿轮齿条式转 向器的运动关系简化为运动( 齿轮) 定比耦合，方向盘与转向轴间为固定铰，转向轴 与车身间为转动铰，转向输出轴与车身之间为转动铰，转向输出轴与转向齿条之间为 复合铰链，齿条与转向横拉杆之间为万向节铰链，转向横拉杆与转向节臂之间为球铰。 建立的转向系模型如图2 - 6 。 基于俄甩科n j l 0 2 0 汽车攥纵穗定性覆其控制方法的研究 235 建立后悬架模型 围2 4 汽车转向系统模型 f i 9 2 6 v e h i c l e t u r n i n gs y s t e m m o d e l 图2 7 汽车前悬榘转向系统模型 f i g2 - 7v e h i c l e f r o n ts u s p e n d t u r n i n gs y s t e m m o d e l 优尼柯n j l 0 2 0 后悬架采用的是单横摆臂( 横置钢板弹簧) 独立悬架，具有结构 紧凑，占用空间小，此结构使该车具有较高的稳定性和抗侧倾能力。除此之外，它较 小的前悬和后悬以及1 5 0 r a m 的高地间隙，使它具有较强的通过性能，能够完全满足 中国的道路情况，同时它还具有很好的乘座舒适性、行驶平顺性及操纵平顺性。但对 钢板弹簧强度设计方面的要求较高，目前国内同类车型中仅优尼柯和英格尔使用此悬 架。该悬架可以抽象为若干独立刚体组成的系统：即减振器、钢板弹簧、橡胶副簧、 1 6 ；羹叁 ，羚 墓于优j 已科n j l 0 2 0 汽车攥坝骢定性覆其控村方法的研究 单摆臂等零部件m 。建立的模型如图2 - 8 。 236 建立轮胎模型 图2 8 汽车后悬架系统模型 f i g2 - 8v e h i c l er e a ts u s p e n d m o d e l 轮胎作为连接车辆与路面的部件，除空气阻力以外，车辆的其它外力几乎都是由 轮胎与路面之间的作用产生的，轮胎的力学特性对汽车的操纵稳定性起着极其重要的 作用，因为前后轮胎的侧偏剐度是影响汽车操纵稳定性的重要因素由于前后轮侧偏 刚度是影响汽车操纵稳定性的一个非常重要的因素，前后轮胎侧偏刚度的选择，直接 影响稳定性因数的大小，也就是影响了汽车是不足转向，还是中性转向，或者是过多 转向。所以，合理选择轮胎类别对分析结果的精度起非常重要的作用 5 1 1 。 a d a m s c a r 模块，目前提供了5 种用于汽车动力学仿真的轮胎模型，即缺省的f i a l a 模型、u a 模型、d e l f t 模型、s m i t h e r s 模型、用户自己定义模型。其中f i a l a 模型比 较简单，是f i a l a 在1 9 5 4 年由简化的轮胎理论模型推导得到的无量纲解析式，这个模 型计算侧向力、回正力矩、纵向力、垂向力、滚动力矩随侧偏角、滑移率及垂直方向 变形的变化规律，然而外倾推力没有在模型中体现。对于不包括联合滑动( 纵向滑动、 侧向滑动) 的情况侧向力计算精度比较合理，但是回正力矩误差相对较大。s m i t h e r s 和d e l f t 模型属于试验模型，需要做一定的实验对使用较为妥当。另外，用户自定义 的模型需要编写子程序各方向力、力矩的计算根据试验数据进行差值计算得到，其 】7 广西大掌硕士学位诗文 墓于优尼辨n j l 0 2 0 汽车搀姒辘定性a 其控制者法的研究 模型精度好坏取决于试验精度和模型建立的合理性，因此，该模型对多数人来说使用 难度较大。 本论文选择使用f i a l a 轮胎模型，因为该模型比较简单，需要迭代的参数少，计 算侧向力和回正力矩等要相对容易些，而且侧向力的计算与试验的结果有很好的合理 性，但是汽车的回正力矩计算会存在一定的误差。该轮胎模型叶1 的主要参数包括：径 向刚度、轮胎侧偏刚度、纵向滑移刚度和滚动阻力系数等等。 在使用a n a f s t i r e 模块时，需要编写相应的轮胎特征文件。在任一时刻，轮胎 相对于路面运动都产生了轮胎变形和侧偏角等运动信息。对于不同的轮胎模型， a d a m s t i r e 可以根据运动信息和轮胎特性参数等等，采用相应的内置计算公式计算各 个阶段轮胎接地点处的作用力。这个过程，软件会重复计算，直到达到我们预定的仿 真时间。建立的轮胎模型如图2 - 9 。 237 建立车身模型 图2 - 9 优尼柯轮胎模型 f i g2 - 9 u n i q u e h r e m o d e l 优尼柯n j l 0 2 0 车身及其附属件作为一个物体模型来处理，直接调用a d a m s c a r 的车身模型( r i g i d - c h a s s i s ) 该模型将车身作为一个刚体来处理，在模型中还定义了 与减振器、