整车操纵稳定性动力学仿真.docx

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整车操纵稳定性动力学仿真

成绩

硕士研究生课程论文

整车操纵稳定性动力学仿真

课程名称：

汽车动力学

任课教师：

乔维高

学生姓名：

学院（系）：

专业班级：

学号：

摘要

汽车操纵稳定性是车辆系统动力学的重要分支之一，汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全形势的一个主要性能。

而目前汽车设计的最终的评价基于主观评价和客观评价。

汽车操纵稳定性客观评价一直是操纵稳定性研究的难点之一，本文介绍汽车操纵稳定性评价的发展历史、评价方法、研究现状及展望，以及基于人车闭环系统中驾驶员模型的参数进行动力学仿真，来评价汽车操纵稳定性的研究现状。

关键词：

汽车操纵稳定性；评价指标；动力学仿真

0.引言

汽车的操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶员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。

在汽车出现的一百多年的发展历史中，汽车工程师对操纵稳定性的认识及分析随着先进汽车技术地不断出现而日益积累，驾驶汽车过程中出现的各种不可预见的实际问题是汽车生产商趋之若鹜要去解决的问题。

与国外相比，我国汽车自主研发起步较晚，各汽车企业还没有形成完整而成熟的汽车性能主观评价体系，汽车开发过程中的评价工作主要交由国外研发机构完成。

另外，国内主观评价工程师的能力也较国外工程师水平有一定差距，特别是对汽车操纵稳定性总体性能的评分难以把握；而汽车操纵稳定性总体性能评分是汽车开发过程中性能定标决策的关键。

从现代交通安全角度考虑，除对驾驶员的培训、交通法规的制定，汽车自身的操纵稳定性在交通安全中也起很大作用，尽量使汽车安全平稳驾驶也是研究操纵稳定性的又一动力。

1.正文

1.1操纵稳定性研究发展及现状

20世纪30年代，关于稳态操纵稳定性的基本理论已确立，如稳态车辆数学模型，不足过度转向特性等，轮胎侧偏特性等。

50年代，形成完善的车辆动力学线性域（侧向加速度小于0.3g）理论体系。

70年代初期，ESV研究计划提出稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧滑特性的安全容许范围或限制，对操纵稳定性进行客观评价。

客观评价是指通过做标准实验得到汽车状态量计算指标评价汽车操纵稳定性。

可进行装载有数据记录设备（陀螺仪，五轮车速测试仪等）的实车试验，亦可通过驾驶模拟器或者虚拟样车在仿真软件上（如adams，Simulink等）进行试验仿真。

70年代中期以后，利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等的感觉进行主观评价。

主观评价由于考虑驾驶员因素在内故属于闭环评价，把汽车作为驾驶员-汽车闭环系统的被控环节，根据整个系统特性的分析，对汽车的操纵稳定性进行研究和评价。

表1主客观评价相关研究

客观评价和主观评价都应用于汽车操纵稳定性的研究中。

二者各具优势，但同时也存在不可忽视的不足之处。

主观评价的缺点之一是，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；另一缺点是，一般情况下，它不能给出“汽车性能”与“汽车结构”两者之间有何种联系的信息。

而客观评价可以通过理论分析确定它们与汽车结构参数的函数关系。

研究汽车本身特性需将主观评价与客观评价综合考虑，但由于汽车是由人驾驶的，因此主观评价始终是操纵稳定性的最终评价方法。

图1-1主观评价与客观评价

20实际80年代至今，从理论与实验两方面着手研究人-车闭环系统。

考虑到驾驶员特性在建模中比较困难以及实验受自然条件的限制，所以在实验方面可以采用驾驶模拟器代替车辆模型。

理论方面驾驶员模型的建立考虑到人的学习性和适应性，所建立的驾驶员模型可以有效的仿真驾驶员-汽车闭环系统对道路的跟随过程。

综上所述，关于汽车操纵稳定性发展至今，评价方法可以划分成如下图所示。

汽车操纵稳定性评价方法

主观评价（闭环）

客观评价

开环评价

客观闭环评价

图1-2操纵稳定性评价方法分类

1.2ADAMS简介

ADAMS，即机械系统动力学自动分析（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），是一款虚拟样机分析软件，它可以创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

其中，Adams/Car模块在汽车领域具有广泛的应用，可以快速建立和测试整车和子系统的功能化虚拟样车。

本文的整车模型就是通过Adams/Car模块创建的。

1.3建立系统整车模型

整车进行仿真分析，需要对整车进行简化。

ADAMS运用多体动力学理论，选取系统内每个刚体的质心在惯性参考系中的三个直角坐标和反应刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算程序。

采用拉格朗日乘子法定义系统运动方程：

完整约束方程：

非完整约束方程：

MSC.ADAMS软件不仅能够进行全刚体建模，同时也可以利用模态柔性来描述物体的弹性。

因此，在整车动力学建模的过程中，为了充分的考虑汽车零部件的柔性变形，可以利用刚柔耦合的方式来建模，这样得到的仿真结构也更接近真实情况。

采用拉格朗日乘子法建立柔性体的运动方程：

建立整车动力学仿真模型就是将复杂的汽车系统进行物理抽象，获得模型的几何定位参数，建立抽象系统的运动部件，确定相对的约束关系，从而建立动力学分析模型。

适当的对模型进行简化，有利于提高计算速度，减少不相关因素的影响。

本文是基于乘用车建立的整车模型，模型包括：

前、后悬架；转向系统；车身；动力总成；横向稳定杆；轮胎等。

在整车的建模过程中，需要充分考虑前、后悬架中的衬套、减震器、弹簧及限位块的力学特性；车辆所有部件的质量和转动惯量数值均采用实测值；前副车架及后扭梁采用柔性体，整车的质量通过调整车身质量参数达到与试验状态一致，建立模型如下。

图1-3整车模型

1.4整车动力学仿真

对整车进行动力学仿真需先定义好约束，在这我们定义最高车速为90km/h，路面条件设置为标准沥青路面，设定100个工作步，定义方向盘输入为角阶跃输入等，如下图。

图1-4参数设置

输入计算机进行运算，即可得到仿真结果，结果如下。

图1-5车身侧倾角

当汽车沿曲线行驶时，前后轴左右两侧车轮的垂直载荷要发生变化；车轮常有外倾角，且由于悬架导向杆系的运动及变形，外倾角将随之发生变化，同时也会引起车厢发生侧倾。

由仿真结果可知，侧倾最大角度不超过2.5度。

图1-6空气阻力

高速行驶的汽车，空气阻力占很大一部分行驶阻力，空气阻力大小与速度的平方成正比。

本模型中汽车以90km/h行驶时空气阻力很大，当速度下降后，空气阻力逐步减小。

图1-7转向盘输入力矩

本模型中输入力矩为前轮角阶跃输入力矩，输入力矩大致是对称的。

图1-8前轮所受侧偏力及侧偏角

由轮胎的侧偏特性可知，在一定范围内，载荷越大侧偏力，侧偏角也越大，侧偏力与侧偏角基本成正比关系。

整车多体动力学仿真将试验采集到的数据加载到整车模型进行仿真分析，并且将试验得到的车身侧倾角和轮胎的侧偏参数进行对标，从而来验证整车模型的合理性和准确性。

最后通过动力学仿真计算，输出整车各部件连接点处的载荷，为后续的CAE部门计算底盘/车身的零部件的疲劳寿命提供必要的输入数据。

由图可见，车身侧倾角和轮胎侧偏参数并没出现不符合规律的数据，因此该模型能够满足整车动力学仿真的需求。

2.总结

基于MSC.ADAMS软件平台建立整车刚柔耦合的动力学模型，利用转向盘角阶跃输入进行动力学仿真，由此可以得到以下结论：

（1）把车身侧倾角和轮胎侧偏参数的仿真结果与试验采集的数据进行对标，两者基本相符，验证了整车多体动力学模型的正确性，可以用于实际的工程设计中。

（2）通过整车动力学仿真可以得各零部件连接处的载荷时间历程曲线，为进行结构强度分析与疲劳损伤分析提供载荷输入。

（3）基于MSC.ADAMS软件可以快速的建立整车动力学模型，快速修改模型中各个参数，便捷的进行多种方案的仿真模拟试验，这样从很大程度上减少了试验与开发的成本，大大缩短了开发周期。

参考文献

[1]陆军，《MSC.ADAMS技术与工程分析实例》.北京：

中国水利水电出版社，2008

[2]余志生,《汽车理论》.北京：

机械工业出版社，2012

[3]宗长富，郭孔辉．汽车操纵稳定性的研究与评价．汽车技术，2000:

6—11

[4]熊坚，曾纪国，宋健．汽车操纵稳定性虚拟仿真的研究．汽车工程，2002;（05）:

430—433