14汽車總體設(shè)計(jì)整車性能仿真與系統(tǒng)匹配

1、 PAGE 461.4 汽汽車總體設(shè)設(shè)計(jì)整車性性能仿真與與系統(tǒng)匹配配1.4.11動(dòng)力性能能仿真計(jì)算算計(jì)算目的 汽車的動(dòng)動(dòng)力性是汽汽車重要基基本性能指指標(biāo)之一。動(dòng)力性的的好壞，直直接影到汽汽車在城市市和城際公公路上的使使用情況。因此在新新車開發(fā)階階段要進(jìn)行行動(dòng)力性計(jì)計(jì)算，預(yù)測(cè)測(cè)今后生產(chǎn)產(chǎn)車型是否否滿足使用用要求。使使汽車具有有良好的動(dòng)動(dòng)力學(xué)性能能.已知參數(shù)如如表所示表1.4.1 動(dòng)力力學(xué)某車型型的計(jì)算參參數(shù)和數(shù)據(jù)據(jù)的確定或或優(yōu)化參數(shù)名稱某車型變速器傳動(dòng)動(dòng)比一擋3.4555二擋1.9444三擋1.2866四擋0.9699五擋0.8主減速器傳傳動(dòng)比4.1111滿載質(zhì)量1460kkg空載質(zhì)量1040k

2、kg設(shè)計(jì)載荷質(zhì)質(zhì)量1250kkg各個(gè)擋傳動(dòng)動(dòng)效率90%迎風(fēng)阻力系系數(shù)0.35迎風(fēng)面積1.9m22滾動(dòng)阻力系系數(shù)公式擬和發(fā)動(dòng)機(jī)形式式AFE電噴噴發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)半徑0.2888m(1995/600R14885H)a 設(shè)計(jì)載載荷確定： 該車型設(shè)設(shè)計(jì)載荷根根據(jù)德國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)DINN 700020規(guī)定定：在空車車重量（整整備質(zhì)量）的的基礎(chǔ)上加加上座位載載荷。5座座位轎車前前面加2人人、后排加加1人，也也稱為半載載作為設(shè)計(jì)計(jì)載荷, 重量假定定為68kkg加上隨隨身物品77kg，重重心對(duì)于不不可調(diào)整座座位在R點(diǎn)點(diǎn)（設(shè)計(jì)HH點(diǎn)）前550mm，可可調(diào)整作為為R點(diǎn)前1100mmm處。我國(guó)國(guó)標(biāo)準(zhǔn)常常常規(guī)定滿載載作為設(shè)計(jì)計(jì)工

3、況. 對(duì)于該計(jì)計(jì)算車型如如采用德國(guó)國(guó)標(biāo)準(zhǔn), 則具體計(jì)計(jì)算為：11070kkg+3*（68kkg+7kg）=12955kgb 迎風(fēng)面面積： 根根據(jù)迎風(fēng)面面積計(jì)算公公式：A=0.788BH確定定，其中：A迎風(fēng)面面積，B車車寬，H車車高。對(duì)于于該車型而而言具體計(jì)計(jì)算為：AA=0.778*17710mmm*14277mm=1.900m2c 傳動(dòng)效效率： 根根據(jù)該轎車車的具體傳傳動(dòng)系統(tǒng)形形式，傳動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的傳傳動(dòng)效率大大體可以由由變速器傳傳動(dòng)效率，單單級(jí)主減速速器傳動(dòng)效效率，萬向向節(jié)傳動(dòng)效效率組成。具體計(jì)算為為：95%（變速器器）乘966%（單級(jí)級(jí)主減速器器）乘988%（萬向向節(jié)）=889.4%，同時(shí)考考

4、慮到，一一般情況下下采用有級(jí)級(jí)變速器的的轎車的傳傳動(dòng)系統(tǒng)效效率在900%到922%之間，對(duì)對(duì)上述計(jì)算算結(jié)果進(jìn)行行圓整，對(duì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)效率取為為90%d 滾動(dòng)阻阻力系數(shù)： 滾滾動(dòng)阻力系系數(shù)采用推推薦擬和公公式進(jìn)行計(jì)計(jì)算：，其中：取為為0.0114（良好好水泥或者者瀝青路面面），為車車速km/h。轉(zhuǎn)矩N.M發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n/min 發(fā)動(dòng)機(jī)外外特性曲線線轉(zhuǎn)矩N.M發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n/minAJR發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī) iii AFFE發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)圖1.4.1 發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)外特性性曲線基本理論概概述 汽汽車動(dòng)力性性能計(jì)算主主要依據(jù)汽汽車驅(qū)動(dòng)力力和行駛阻阻力之間的的平衡關(guān)系系:（1.4.1） 表1.44.2 各各種受力名名稱_驅(qū)動(dòng)力，

5、_滾動(dòng)阻力，_空氣阻力，_坡道阻力，_加速阻力，上述驅(qū)動(dòng)力力和行駛阻阻力的計(jì)算算方法以及及各個(gè)曲線線的計(jì)算方方法具體說說明如下：驅(qū)動(dòng)力行駛駛阻力平衡衡圖：驅(qū)動(dòng)力：，NN （11.4.22）其中：發(fā)動(dòng)機(jī)的的扭矩，根根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)使用外特特性曲線來來確定。也也就是說我我們可以根根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速利利用外特性性曲線進(jìn)行行插值計(jì)算算來獲得, 單位NN.M.：變速器各各個(gè)擋位的的傳動(dòng)比：主減速器器傳動(dòng)比：傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)各個(gè)擋位位情況下的的傳動(dòng)效率率：車輪的滾滾動(dòng)半徑,單位m滾動(dòng)阻力：，N （1.4.3）其中：是汽車計(jì)計(jì)算載荷情情況下的質(zhì)質(zhì)量,單位位：kg：重力加速速度,單位位：m/ss2：汽車滾動(dòng)動(dòng)阻力系數(shù)數(shù)

6、：道路坡角角, 單位位：radd空氣阻力：,N （1.44.4）其中：空氣阻力力系數(shù)，：迎風(fēng)面積積, 單位位：m2：車速,單單位是kmm/h坡道阻力：，N （1.44.5）其中：計(jì)算載荷荷情況下汽汽車的質(zhì)量量,單位：kg：重力加速速度, 單單位：m/s2：道路坡角角, 單位位：radd加速阻力：，N （1.4.6）其中：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量量換算系數(shù)數(shù)，根據(jù)估估算公式確確定，在轎轎車中和取值范圍圍在0.003到0.05之間間，我們?nèi)∪∑骄鶖?shù)值值=0.004:計(jì)算載荷荷情況下汽汽車的質(zhì)量量, 單位位：kg:汽車行駛駛加速度, 單位：m/s22 在在進(jìn)行不同同擋位的驅(qū)驅(qū)動(dòng)力和阻阻力計(jì)算時(shí)時(shí)我們還需需要知道車車

7、輛速度與與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的的關(guān)系：， （1.4.7）其中：車速,單單位是kmm/h：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，單位位是rpmm：主減速器器傳動(dòng)比：傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)各個(gè)擋位位情況下的的傳動(dòng)效率率：車輪的滾滾動(dòng)半徑, 單位：m 根根據(jù)上述公公式我們就就可以方便便的確定出出汽車的驅(qū)驅(qū)動(dòng)力行駛駛阻力平衡衡曲線，求求出驅(qū)動(dòng)力力和行駛阻阻力的交點(diǎn)點(diǎn)即為最高高車速。動(dòng)力因數(shù)圖圖動(dòng)力因數(shù)定定義公式： （11.4.88）其中各個(gè)參參數(shù)的含義義同前面的的說明。利用公式（1.4.8）結(jié)合前面公式就可以計(jì)算出汽車各個(gè)擋位的動(dòng)力因數(shù)。功率平衡圖圖在公式（11.4.11）的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，如果果我們?cè)诠絻啥顺顺艘攒囕v速速度，經(jīng)過過整理就可

8、可以得到功功率平衡計(jì)計(jì)算公式（單單位是kWW）： （11.4.99）其中：發(fā)動(dòng)機(jī)效效率，單位位kW其他各個(gè)參參數(shù)的意義義和單位同同上述說明明。利用公式（1.4.9）我們就可以計(jì)算出汽車行駛功率平衡曲線。爬坡度曲線線由于計(jì)算爬爬坡度時(shí)，汽汽車除了克克服空氣阻阻力，滾動(dòng)動(dòng)阻力之外外所有的剩剩余驅(qū)動(dòng)力力都用來克克服坡道阻阻力，所以以加速阻力力為零。根據(jù)公式（1.4.1）我們可以得到如下公式代入公式（1.4.3），（1.4.5）我們就可以得到如下公式：如果我們代代入公式 以及及公式（11.4.88），經(jīng)過過整理那么么我們就可可以得到： （11.4.110）然后根據(jù)公公式進(jìn)行轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，這樣樣就可以計(jì)計(jì)算出

9、爬坡坡度曲線了了。加速時(shí)間汽車的驅(qū)驅(qū)動(dòng)力除了了用來克服服空氣阻力力，滾動(dòng)阻阻力以外主主要是用來來克服加速速阻力，此此時(shí)坡道阻阻力為零。根據(jù)公式（1.4.1），（1.4.6）我們可以得到如下公式：所以時(shí)間然后我們們采用龍貝貝格數(shù)值積積分計(jì)算方方法對(duì)上面面的公式進(jìn)進(jìn)行積分就就可以得到到所需要的的加速時(shí)間間曲線。計(jì)算分析根據(jù)上述已已知條件以以及相關(guān)的的計(jì)算理論論，得到如如下計(jì)算結(jié)結(jié)果。該車型的計(jì)計(jì)算實(shí)例驅(qū)動(dòng)力行駛駛阻力平衡衡圖圖1.4.2 汽車車驅(qū)動(dòng)力與與行駛阻力力平衡圖動(dòng)力因數(shù)圖圖圖1.4.3 汽車車動(dòng)力特性性圖功率平衡圖圖圖1.4.4 汽車車功率平衡衡圖加速度曲線線圖1.4.5 汽車車加速度曲曲

10、線圖爬坡度曲線線圖1.4.6 汽車車爬坡度曲曲線圖時(shí)間速度曲曲線圖1.4.7 汽車車加速時(shí)間間曲線圖 根根據(jù)上述計(jì)計(jì)算條件和和計(jì)算結(jié)果果，我們可可以確定設(shè)設(shè)計(jì)載荷情情況下的計(jì)計(jì)算結(jié)果：表1.4.3 計(jì)算算結(jié)果項(xiàng)目計(jì)算數(shù)值公布數(shù)值汽車最高車車速169.00km/hh165kmm/h0到1000km/hh加速時(shí)間間13.0ss13.9ss最高檔300km/hh加速通過過400mm時(shí)間23.0ss原地起步加加速通過4400m時(shí)時(shí)間18.8ss最高檔最大大動(dòng)力因數(shù)數(shù)0.1最大爬坡度度48.4%從上面的計(jì)計(jì)算結(jié)果我我們可以看看出，試驗(yàn)驗(yàn)數(shù)值同計(jì)計(jì)算數(shù)值之之間的誤差差基本控制制在5%工工程誤差范范圍之內(nèi),

11、汽車的動(dòng)動(dòng)力性能計(jì)計(jì)算和仿真真結(jié)果是正正確的,可可以進(jìn)行整整車匹配設(shè)設(shè)計(jì)。1.4.22 燃油經(jīng)經(jīng)濟(jì)性能仿仿真 隨隨著世界石石油危機(jī)的的出現(xiàn)，節(jié)節(jié)約汽車用用油是現(xiàn)代代汽車制造造業(yè)和運(yùn)輸輸業(yè)必須首首先考慮的的問題，在在汽車設(shè)計(jì)計(jì)之初就必必須對(duì)所設(shè)設(shè)計(jì)汽車的的經(jīng)濟(jì)性有有準(zhǔn)確的評(píng)評(píng)價(jià)。等速百公里里油耗計(jì)算算原理 汽車等速速百公里油油耗計(jì)算主主要是依據(jù)據(jù)汽車發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)的萬有有特性曲線線以及汽車車功率平衡衡圖進(jìn)行油油耗計(jì)算。計(jì)算具體體過程說明明如下： 首首先計(jì)算汽汽車在不同同車速情況況下以最高高擋位行駛駛時(shí)的阻力力功率，主主要是空氣氣阻力功率率和滾動(dòng)阻阻力功率。根據(jù)動(dòng)力性性能的計(jì)算算公式我們們可以知道道 (

12、1.4.111）其中：發(fā)動(dòng)機(jī)功功率，單位位:kW：傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)各個(gè)擋位位情況下的的傳動(dòng)效率率：是汽車計(jì)計(jì)算載荷情情況下的質(zhì)質(zhì)量, 單單位：kgg。：重力加速速度, 單單位：m/s2：汽車滾動(dòng)動(dòng)阻力系數(shù)數(shù)：道路坡角角, 單位位：radd：空氣阻力力系數(shù)：迎風(fēng)面積積,單位：m2：車速,單單位:kmm/h然后根據(jù)公公式， （1.4.12） 來來確定最高高擋位情況況下發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速和車車速之間的的關(guān)系以獲獲得對(duì)應(yīng)不不同車速的的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。其中：車速,單單位:kmm/h：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，單位位:rpmm：主減速器器傳動(dòng)比：傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)各個(gè)擋位位情況下的的傳動(dòng)效率率：車輪的運(yùn)運(yùn)動(dòng)半徑, 單位：m 最后利用用已經(jīng)

13、獲得得的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)功率率根據(jù)萬有有特性曲線線進(jìn)行插值值計(jì)算獲得得燃油消耗耗率，然后后根據(jù)公式式： （1.4.13）計(jì)算得出等等速百公里里油耗。其中：等速百公公里油耗，單單位：L：發(fā)動(dòng)機(jī)的的實(shí)際燃油油消耗率.我們利用萬萬有特性曲曲線通過對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)速和功功率的插值值計(jì)算來獲獲得,單位位：g/kkW/h：發(fā)動(dòng)機(jī)工工作功率，我我們采用設(shè)設(shè)計(jì)的阻力力功率來獲獲得，也就就是包括滾滾動(dòng)阻力功功率，迎風(fēng)風(fēng)阻力功率率（加速阻阻力和坡路路阻力為零零）, 單單位：kWW：汽車行駛駛車速，利利用車速同同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的的關(guān)系，我我們就可以以得到這時(shí)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速, 單位：KKm/h ：燃油密密度, 單單位

14、：kgg/m2:重力加速速度, 單單位：m/s-2微型車100個(gè)工況油油耗 微微型車100工況油耗耗是根據(jù)國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)規(guī)定的汽車車復(fù)雜運(yùn)行行工況來計(jì)計(jì)算的，汽汽車運(yùn)行工工況的具體體規(guī)定參見見圖1.44.8。圖1.4.8 汽汽車十工況況試驗(yàn)循環(huán)環(huán) 從從上面的圖圖形我們可可以看出這這些復(fù)雜公公況主要包包括加速工工況、恒速速工況、減減速工況，怠怠速工況等等等。下面面我們逐一一說明具體體的計(jì)算方方法：a恒速工況況 計(jì)計(jì)算方法同同等速百公公里油耗的的計(jì)算方法法類似。首首先利用公公式（1.4.111），（11.4.112）確定定汽車運(yùn)行行狀態(tài)的功功率與車速速，然后根根據(jù)下面公公式計(jì)算對(duì)對(duì)應(yīng)的單位位時(shí)間油耗

15、耗：（單位：LL/s） (1.4.14）其中：等速百公公里油耗，單單位：L：發(fā)動(dòng)機(jī)的的實(shí)際燃油油消耗率，我我們利用萬萬有特性曲曲線通過對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)速和功功率的插值值計(jì)算來獲獲得,單位位：g/kkW/h：發(fā)動(dòng)機(jī)工工作功率，我我們采用設(shè)設(shè)計(jì)的阻力力功率來獲獲得，也就就是包括滾滾動(dòng)阻力功功率，迎風(fēng)風(fēng)阻力功率率（加速阻阻力和坡路路阻力為零零）,單位位：kW：汽車行駛駛車速，利利用車速同同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的的關(guān)系，我我們就可以以得到這時(shí)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速,單單位：Kmm/h ：燃油密密度, 單單位：kgg/m2:重力加速速度, 單單位：m/s-2然后根據(jù)公公式：（單位：LL）計(jì)算這段恒恒速階段時(shí)時(shí)間內(nèi)的油油耗。

16、其中：行駛時(shí)間間，單位:s同時(shí)這段時(shí)時(shí)間內(nèi)的行行使距離為為：/3.6（單單位：m）其中為行駛駛速度，單單位:kmm/h。b加速工況況根據(jù)動(dòng)力性性能計(jì)算說說明書，我我們可以知知道汽車在在行駛過程程中的功率率表達(dá)方式式為： （1.4.15）其其中：發(fā)動(dòng)機(jī)工工作功率，單單位：kWW：傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)各個(gè)擋位位情況下的的傳動(dòng)效率率：是汽車計(jì)計(jì)算載荷情情況下的質(zhì)質(zhì)量，單位位：kg。：重力加速速度，單位位：m/ss2：汽車滾動(dòng)動(dòng)阻力系數(shù)數(shù)：道路坡角角單位：rrad：空氣阻力力系數(shù)，：迎風(fēng)面積積，單位：m2：車速,單單位：kmm/h：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量量換算系數(shù)數(shù)，根據(jù)估估算公式確確定，在轎轎車中和 取值值范圍在00.03

17、到到0.055之間，我我們?nèi)∑骄鶖?shù)值=0.004:計(jì)算載荷荷情況下汽汽車的質(zhì)量量, 單位位：kg:汽車行駛駛加速度, 單位：m/s22 然然后確定不不同擋位情情況下發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和和車速之間間的關(guān)系以以獲得對(duì)應(yīng)應(yīng)不同車速速的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速。最最后利用已已經(jīng)獲得的的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)功率根根據(jù)萬有特特性曲線進(jìn)進(jìn)行插值計(jì)計(jì)算獲得燃燃油消耗率率。那么我們可可以根據(jù)公公式：, L/ss （1.44.16）確定單位時(shí)時(shí)間內(nèi)的燃燃油消耗量量。我們把加速速階段內(nèi)的的燃油消耗耗量用積分分公式表達(dá)達(dá)成為： ,L (1.4.177)其中：，為加速開開始和截止止時(shí)間，單單位s。 如果這段段計(jì)算期間間開始速度度為(

18、單位位：km/h)，截截止速度為為(單位：km/hh)，那么么這段時(shí)間間內(nèi)的行駛駛距離為: （單位位：m）c減速工況況 因因?yàn)闇p速工工況下，汽汽車油門松松開并且輕輕微制動(dòng)，那那么這段時(shí)時(shí)間內(nèi)的油油耗為怠速速油耗消耗耗率與減速速時(shí)間的乘乘積。其中：怠速油耗耗消耗率，單單位：L/s;:減速時(shí)間間，單位ss。 如果這段段計(jì)算期間間開始速度度為(單位位：km/h)，截截止速度為為(單位：km/hh)，那么么這段時(shí)間間內(nèi)的行駛駛距離為: （單位位：m）d怠速停車車公況如果怠速停停車時(shí)間為為(單位：s),那那么燃油消消耗量（單單位：L）為為：其中：怠速油耗耗消耗率，單單位：L/s;：時(shí)間,單單位：s 綜綜

19、合上述計(jì)計(jì)算，對(duì)等等速，等減減速，怠速速組成循環(huán)環(huán)工況的等等效百公里里油耗為：（單位：LL）其中：為各個(gè)階階段燃油消消耗量的總總和（單位位：L）。：為各個(gè)階階段行駛路路程總和（單單位：m）。 輸入?yún)?shù)數(shù)表1.4.4 輸入入?yún)?shù)參數(shù)名稱某微型汽車車發(fā)動(dòng)機(jī)形式式456Q總重1450kkg空氣阻力系系數(shù)0.44傳動(dòng)效率90%迎風(fēng)面積2.25mm2主減速器傳傳動(dòng)比5.1255變速器5擋1擋3.65222擋1.94773擋1.42334擋1.05擋0.7955滾動(dòng)阻力系系數(shù)0.0133燃油密度7.05NN/cm33車輪半徑0.2655m怠速燃油消消耗率0.2999ml/ss計(jì)算實(shí)例結(jié)結(jié)果多工況油耗耗表1

20、.4.5工況油耗10工況8.77LL某微型車44擋等速百百公里油耗耗圖1.4.9某微型型車4擋等等速百公里里油耗 某微型車車5擋等速速百公里油油耗圖1.4.10某微微型車5擋擋等速百公公里油耗1.4.33 操縱穩(wěn)穩(wěn)定性仿真真和系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化(1) 計(jì)計(jì)算目的 汽汽車操縱穩(wěn)穩(wěn)定性不僅僅影響到汽汽車駕駛的的操縱方便便程度，而而且也是決決定高速汽汽車安全行行駛的一個(gè)個(gè)重要性能能，根據(jù)操操縱穩(wěn)定性性涉及的具具體內(nèi)容需需仿真計(jì)算算包括如下下幾個(gè)方面面的內(nèi)容：時(shí)域計(jì)算算、頻域計(jì)計(jì)算、瞬態(tài)態(tài)響應(yīng)計(jì)算算、穩(wěn)態(tài)響響應(yīng)計(jì)算、角輸入響響應(yīng)計(jì)算、力輸入響響應(yīng)計(jì)算等等內(nèi)容。角階躍輸入入響應(yīng)a原理如圖1.44.11，我我們采

21、用三三自由度汽汽車模型，也也就是航向向角、車身身側(cè)傾角、重心處側(cè)側(cè)偏角來描描述汽車的的運(yùn)動(dòng)。根根據(jù)圍繞ZZ軸，X軸軸的力矩平平衡以及沿沿Y軸的受受力平衡列列出微分方方程，然后后進(jìn)行求解解。圖1.4.11 三三自由度模模型b方程推導(dǎo)導(dǎo)坐標(biāo)系統(tǒng) 依依據(jù)上圖以以汽車靜止止時(shí)重心鉛鉛垂線與側(cè)側(cè)傾軸線的的交點(diǎn)為坐坐標(biāo)原點(diǎn)，以以汽車縱向向水平軸線線取為X軸軸線，前進(jìn)進(jìn)方向?yàn)檎较颍^過原點(diǎn)與XX軸垂直方方向向上為為Z軸，與與X，Z軸軸線垂直方方向?yàn)閅軸軸線,坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)符合合右手法則則。 在在將前輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向角（轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角角）看做已已知輸入時(shí)時(shí)，汽車的的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)態(tài)可以用三三個(gè)廣義坐坐標(biāo)來表示示：航向角角、重

22、心側(cè)側(cè)偏角和車車身側(cè)傾角角。按右手手定則，、的正向與與Z軸一致致。正向與與X軸正向向一致。 輪輪胎在側(cè)向向力作用下下產(chǎn)生側(cè)偏偏角1（前前輪）與22（后輪），它它們由側(cè)向向力、與相應(yīng)輪輪胎的特性性所決定。在既定側(cè)側(cè)偏角方向向的情況下下，、以與Y軸軸相反的方方向?yàn)檎?。符?hào)說明 如如果單位不不進(jìn)行特殊殊說明均采采用國(guó)際單單位制。：整車質(zhì)量量（kg）：懸架上質(zhì)質(zhì)量(kgg):軸距(mm)：重心到前前后軸的距距離(m) ：整車?yán)@繞垂直軸線線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣慣量(kgg.m2) ：懸架上上質(zhì)量繞通通過懸掛質(zhì)質(zhì)量重心的的X軸的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.mm2) ：懸架上上質(zhì)量繞通通過懸掛質(zhì)質(zhì)量重心的的X，Z的的軸慣性積積(

23、kg.m2) ：前輪單單側(cè)側(cè)偏剛剛度(N/rad) ：后輪單單側(cè)側(cè)偏剛剛度(N/rad):前輪回正正力矩系數(shù)數(shù)(N.mm/radd):后輪回正正力矩系數(shù)數(shù)(N.mm/radd)：前輪側(cè)傾傾轉(zhuǎn)向系數(shù)數(shù)：后輪側(cè)傾傾轉(zhuǎn)向系數(shù)數(shù)：前側(cè)傾角角剛度(NN.m/rrad)：后側(cè)傾角角剛度(NN.m/rrad)：前側(cè)傾角角阻尼(NN.m/rrad/ss)：后側(cè)傾角角阻尼(NN.m/rrad/ss):側(cè)傾力臂臂(m)，懸懸掛上質(zhì)量量重心到側(cè)側(cè)傾中心的的垂直距離離 ：汽車航航向角(rrad) ：懸架上上質(zhì)量與懸懸架下質(zhì)量量之間相對(duì)對(duì)側(cè)傾角(rad) ：重心處處速度與絕絕對(duì)坐標(biāo)之之間的夾角角(radd):橫擺角速速

24、度(raad/s):側(cè)傾角速速度(raad/s):重心處側(cè)側(cè)偏角(rrad):前輪有效效側(cè)偏角(rad):后輪有效效側(cè)偏角(rad):名義前輪輪轉(zhuǎn)角(rrad):車速(mm/s):前輪側(cè)向向力(N):后輪側(cè)向向力(N)(c) 方方程推導(dǎo)過過程 在在上述坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)中，坐坐標(biāo)原點(diǎn)OO的絕對(duì)加加速度在YY軸方向的的投影為：在不太大的的范圍內(nèi)，故 (1.4.18)懸架上質(zhì)量量重心的橫橫向絕對(duì)加加速度在YY軸上的投投影為 (1.4.19) 按按達(dá)朗貝爾爾原理，可可列出如下下三個(gè)平衡衡方程：繞Z軸力矩矩平衡式: (1.44.20)沿Y軸力平平衡式： (1.4.211)即 (11.4.222)繞X軸力矩矩平

25、衡式： (1.44.23) 其其中是懸架架上質(zhì)量繞繞車身重心心的縱軸的的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量，顧及，得得 (1.4.244)由于 (1.44.25)及幾何關(guān)系系： (1.4.266)得 (1.4.27) 其中 (1.4.288)為了便于上上機(jī)運(yùn)算，可可令四維向向量 (1.44.29)為系統(tǒng)的狀狀態(tài)變量 那那么我們就就可以把上上述微分方方程改寫成成為狀態(tài)變變量X的一一階微分方方程 (11.4.330)其中 (1.4.31) (1.4.322) (11.4.333) 利利用上述方方程就可以以進(jìn)行汽車車角輸入操操縱穩(wěn)定性性能仿真計(jì)計(jì)算。(d)計(jì)算算結(jié)果參考考標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)試驗(yàn)驗(yàn)安全車操操縱穩(wěn)定性性性能要求求極其試驗(yàn)

26、驗(yàn)方法汽車操縱縱穩(wěn)定性指指標(biāo)限值和和評(píng)價(jià)方法法GB/T130047-991c仿真計(jì)算算輸入?yún)?shù)列列表如表1.44.6表1.4.6 輸入入?yún)?shù)參數(shù)名稱參考設(shè)計(jì)車車型1整車質(zhì)量（設(shè)設(shè)計(jì)載荷）1250kkg簧載質(zhì)量（設(shè)設(shè)計(jì)載荷）1121kkg軸距2548mmm整車重心至前軸距離離1.0866m整車重心至后軸距離離1.4622m整車?yán)@Z軸軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2139kkg*m2懸架上質(zhì)量量繞X軸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量455kgg*m2懸架上質(zhì)量量繞XY軸軸慣性積0前輪側(cè)偏剛剛度(單輪輪)231477N/raad后輪側(cè)偏剛剛度(單輪輪)383188N/raad前輪回正力力矩系數(shù)0后輪回正力力矩系數(shù)0前側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)-0.111

27、4后側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)0前側(cè)傾角剛剛度477855N/raad后側(cè)傾角剛剛度575255N/raad前側(cè)傾角阻阻尼2311NN/radd/s后側(cè)傾角阻阻尼2212NN/radd/s側(cè)傾力臂0.46mm仿真計(jì)算條條件 車速v=440，800，1100km/hh角階躍輸入入,并且使使汽車的側(cè)側(cè)向加速度度位于之間間。(c) 仿仿真計(jì)算結(jié)結(jié)果車速V=440km/h時(shí)的操操縱穩(wěn)定性性計(jì)算結(jié)果果如圖 1.4.112所示:圖1.4.12 橫橫擺角速度度曲線(車車速V=440km/h)圖1.4.13 橫橫擺角速度度曲線(車車速V=880km/h)圖1.4.14 橫橫擺角速度度曲線(車車速V=1120kmm/h)(d

28、)結(jié)果果統(tǒng)計(jì)與分分析 上上面三個(gè)圖圖就是在不不同車速度度情況下，某某型轎車(以下簡(jiǎn)稱稱車型1)作為新設(shè)設(shè)計(jì)(以下下簡(jiǎn)稱為車車型2)的的近似參考考車型, 汽車角階階躍輸入響響應(yīng)曲線，對(duì)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定定時(shí)間也變變長(zhǎng)，在高高速情況下下這種趨勢(shì)勢(shì)更加明顯顯數(shù)據(jù)具體體統(tǒng)計(jì)如下下表1.44.7：表1.4.7 瞬態(tài)態(tài)響應(yīng)計(jì)算算結(jié)果 指標(biāo)速度超調(diào)量反映時(shí)間穩(wěn)定時(shí)間車型1車型2車型1車型2車型1車型2V=40kkm/h0.24%0.44%0.49ss0.47SV=80kkm/h11.6%12.0%0.21ss0.23ss0.64ss0.74ssV=1100km/hh39%46%0.15ss0.17ss0.67ss0

29、.8s從上面表格格中的數(shù)據(jù)據(jù)基本上可可以看出各各項(xiàng)指標(biāo)變變化不大，并并且都位于于美國(guó)安全全實(shí)驗(yàn)車橫橫擺瞬態(tài)響響應(yīng)滿意區(qū)區(qū)域之內(nèi)。力階躍輸入入響應(yīng)方程推導(dǎo)(a)符號(hào)號(hào)說明除了上述角角輸入運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程輸入入的參數(shù)之之外，還包包括如下參參數(shù)：前輪回正正力臂。包包括主銷后后傾距與輪輪胎拖距（mm）：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kkg.m22）：兩前輪繞繞主銷的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kkg.m22）：轉(zhuǎn)向盤自自由時(shí)抵抗抗前輪轉(zhuǎn)角角的剛性（NN.m/rrad）：轉(zhuǎn)向盤自自由時(shí)前輪輪繞主銷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的當(dāng)量量阻力系數(shù)數(shù)（N.mm/radd/s）:轉(zhuǎn)向柱與與Z軸的夾夾角（raad）:轉(zhuǎn)向系總總傳動(dòng)比:轉(zhuǎn)向盤上上的駕駛員員輸入力矩矩（N.

30、mm）(b)坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng) 如如下圖所指指示，考慮慮汽車以一一定的車速速V作等速速行駛，略略去汽車的的垂直振動(dòng)動(dòng)和輪胎撓撓度的變化化，略去空空氣動(dòng)力對(duì)對(duì)橫向力與與力矩的影影響，研究究駕駛員給給轉(zhuǎn)向盤以以力指令輸輸入時(shí)汽車車的操縱運(yùn)運(yùn)動(dòng)。與分分析角輸入入運(yùn)動(dòng)類似似，取一套套固定于汽汽車的相對(duì)對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng),以整車車的重心鉛鉛垂線與側(cè)側(cè)傾軸（前前后側(cè)傾中中心的連線線）的交點(diǎn)點(diǎn)為原點(diǎn)，以以汽車的縱縱向水平軸軸為X軸。以過原點(diǎn)點(diǎn)與X軸垂垂直的方向向?yàn)閅軸（以以汽車的左左側(cè)方向?yàn)闉檎颍^過原點(diǎn)的鉛鉛垂軸為ZZ軸。這樣樣的坐標(biāo)取取法符合右右手定則。在水平平平面上的所所有角度（前前輪轉(zhuǎn)角、側(cè)偏角、方位角等等）

31、及對(duì)應(yīng)應(yīng)的角速度度與角加速速度均取逆逆時(shí)針方向向?yàn)檎ㄒ嘁喾嫌沂质侄▌t而與與Z軸正向向一致。車車速向量的的增量與YY軸的正向向一致并成成角）。在在將駕駛員員給轉(zhuǎn)向盤盤的力矩TT看作已知知輸入時(shí)，則則汽車的運(yùn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可可用四個(gè)廣廣義坐標(biāo)來來近似表示示：方位角角（航向角角），重心側(cè)側(cè)偏角，車身側(cè)側(cè)傾角與轉(zhuǎn)向盤盤轉(zhuǎn)角（或參考考轉(zhuǎn)向角）。按右手定定則，、均以與ZZ軸方向一一致為正向向。角以與XX軸方向一一致為正向向。側(cè)向力的方方向由所假假定的前后后偏離角的的方向確定定。因此以以與Y軸方方向相反為為正向。(c)方程程推導(dǎo)過程程 在在上述坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)中，坐坐標(biāo)原點(diǎn)OO的絕對(duì)加加速度在YY軸方向的的投影為：

32、 (1.4.344)其中，是絕絕對(duì)速度在在X軸方向向的投影，考考慮不大的情情況， ，故故 (1.44.35)懸架上質(zhì)量量重心的橫橫向絕對(duì)加加速度在YY軸上的投投影為； (1.4.36)按達(dá)郎貝爾爾原理,繞繞Z軸力矩矩平衡式： (1.4.37)沿Y軸力平平衡式： (11.4.338)繞X軸力矩矩平衡式： (1.4.399)其中，是懸懸架上質(zhì)量量繞過車身身重心的縱縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量，顧顧及，得 (1.44.40)繞主銷的力力矩平衡式式： (1.4.41)另外，由幾幾何關(guān)系： (1.4.422)以及輪胎特特性： (11.4.443)可以得到如如下方程：令六維矢量量 (1.44.45) 為為系統(tǒng)狀態(tài)態(tài)變

33、量，則則上述運(yùn)動(dòng)動(dòng)方程式可可寫成狀態(tài)態(tài)變量xx的一階階微分方程程： (1.4.466)式中： (1.44.47)(1.4.48) (1.4.49) (11.4.550)利用上述方方程就可以以進(jìn)行力輸輸入仿真計(jì)計(jì)算。b仿真計(jì)算算(a)參數(shù)數(shù)輸入表在原有三自自由度汽車車模型輸入入數(shù)據(jù)的基基礎(chǔ)上，還還需要輸入入數(shù)據(jù)如下下表1.44.8表1.4.8輸入數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)名稱車型1車型2前輪回正力力臂0.0877m0.0877m轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量0.0544kg*mm20.0544kg*mm2前輪繞主銷銷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.92kkg*m23.92kkg*m2轉(zhuǎn)向剛度294N/rad294N/rad轉(zhuǎn)向阻尼00轉(zhuǎn)向柱與Z

34、Z軸夾角69度56度轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳傳動(dòng)比22.422.4(b) 仿仿真計(jì)算結(jié)結(jié)果車速v=440，800km/h力階躍輸入入并且側(cè)向向加速度之之間圖1.4.15為速速度V=440km/h的橫擺擺角速度圖1.4.15速度度V=400km/hh的橫擺角角速度圖1.4.16為速速度V=880km/h的橫擺擺角速度:圖1.4.16為速速度V=880km/h的橫擺擺角速度 從從上面的計(jì)計(jì)算結(jié)果我我們可以看看出新車相相對(duì)與原某某一車型的的超調(diào)量和和穩(wěn)定時(shí)間間都有所加加大，有關(guān)關(guān)力階越輸輸入響應(yīng)的的評(píng)價(jià)和分分析內(nèi)容，我我們將通過過如下各個(gè)個(gè)項(xiàng)目的計(jì)計(jì)算來體現(xiàn)現(xiàn)?；卣芰τ?jì)計(jì)算 計(jì)算的的方法是首首先讓汽車車保持等速

35、速圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)，然后把把加載到方方向盤上的的作用力突突然撤掉，所所以這種計(jì)計(jì)算的汽車車運(yùn)動(dòng)實(shí)際際上力階躍躍輸入，因因此計(jì)算采采用4自由由度汽車方方向盤力輸輸入模型，汽汽車初始狀狀態(tài)保持側(cè)側(cè)向加速度度為等速圓圓周運(yùn)動(dòng)。方向盤力輸輸入模型如如下：t(s)時(shí)間T (N.m)方向盤輸入力矩圖1.4.17力階階躍輸入計(jì)算結(jié)果如如下： 汽汽車運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)為側(cè)向向加速度，車車速40kkm/h, 如圖11.4.118。圖1.4.18 為為車速400km/hh的橫擺角角速度汽車運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)為側(cè)向向加速度，車車速80kkm/h,如圖1.4.199所示。圖1.4.19 為為車速800km/hh的橫擺角角速度 從從上面的計(jì)

36、計(jì)算結(jié)果我我們可以得得到如下結(jié)結(jié)論：新的的某汽車相相對(duì)上面某某車型的算算例而言回回正能力有有所下降，當(dāng)當(dāng)時(shí)幅度不不大，主要要表現(xiàn)在回回正橫擺角角速度幅度度的收斂速速度以及過過度時(shí)間長(zhǎng)長(zhǎng)度上，尤尤其是高速速時(shí)這種表表現(xiàn)更加明明顯。盡管管如此，仍仍然滿足美國(guó)國(guó)家家安全性的的操縱穩(wěn)定定性能要求求及其試驗(yàn)驗(yàn)方法的的規(guī)定,松松開方向盤盤之后2ss，在車速速40kmm/h的情情況下橫擺擺角速度應(yīng)應(yīng)該等于零零，在車速速等于800km/hh的情況下下不超過44o/s撒手穩(wěn)定性性仿真試驗(yàn)驗(yàn) 撒撒手穩(wěn)定性性仿真實(shí)際際上是力脈脈沖試驗(yàn)，仿仿真計(jì)算時(shí)時(shí)汽車的運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)是是汽車以恒恒定的車速速行駛，突突然給方向向盤施加

37、一一個(gè)力矩輸輸入，然后后猛然撒手手，其輸入入為一個(gè)力力脈沖，具具體表示如如下圖1.4.200。方向盤力輸入力矩T（N.m）時(shí)間T（s）T004s圖1.4.20 方方向盤力輸輸入曲線汽車運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)為側(cè)向向加速度，車車速40kkm/h, 如圖11.4.221。圖1.4.21 為為車速400km/hh的橫擺角角速度 汽汽車運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)為側(cè)向向加速度。頻率響應(yīng) 汽汽車操縱穩(wěn)穩(wěn)定性能頻頻率響應(yīng)是是指方向盤盤在正弦輸輸入的情況況下，頻率率從時(shí)，汽汽車橫擺角角速度與方方向盤轉(zhuǎn)角角輸入之間間的關(guān)系。對(duì)于計(jì)算算模型而言言可以等效效為橫擺角角速度與前前輪轉(zhuǎn)角之之間的關(guān)系系。對(duì)于操縱穩(wěn)穩(wěn)定性的頻頻域特性要要求如下：

38、應(yīng)應(yīng)有足夠?qū)拰挼耐l帶帶，以保證證有必要的的反應(yīng)速度度和高頻反反應(yīng)，但是是通頻帶太太寬也會(huì)增增大對(duì)擾動(dòng)動(dòng)的反應(yīng)。通常規(guī)定定幅頻特性性降至穩(wěn)態(tài)態(tài)增益（=0處的增增益）的770%處的的頻率為頻頻帶寬度。 在在有效通頻頻帶內(nèi)，幅幅頻特性宜宜平坦，不不宜有明顯顯的選擇性性（諧振峰峰），以免免反應(yīng)有過過大的幅值值失真。最最大增益與與穩(wěn)態(tài)增益益的比值越越大，說明明系統(tǒng)的阻阻尼越小，超超調(diào)量越大大，過渡時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)。 相相頻特性要要求在有效效通頻帶內(nèi)內(nèi)相位超前前和滯后都都盡量小，通通常在車速速低時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)相位滯后后，在車速速高時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)相位超前前，這兩種種相位失真真都會(huì)造成成反應(yīng)的誤誤差。 我我們采用前前面使用的的汽車3自自由度模型型進(jìn)行計(jì)算算，計(jì)算結(jié)結(jié)果如下：圖1.4.22 兩兩種車型的的幅頻特性性曲線圖1.4.23 兩兩種車型的的相頻特性性曲線相關(guān)的計(jì)算算數(shù)據(jù)總結(jié)結(jié)如下表11.4.99：表1.4.9 計(jì)算算結(jié)果f=0增益益共振頻率共振時(shí)增幅幅比b/aaf=0.11Hz相位角度f=0.66Hz相位角(度度)通頻帶寬車型13.44114s-110.541.02-6.4-21.331.84HHz車型23.40558s-110.541.03-6.6-24.991.71HHz 從從上面的表表格中，我我們基本上上可以得到到