基于CARSIM的汽車操縱性研究

摘要：此論文講述了汽車在不同速度、簧載質(zhì)量、懸架剛度、阻尼系數(shù)等各種條件下汽車的操縱性狀況，并以此分析影響汽車操縱性的各種因素，綜合對比得件的汽車動力學(xué)模型，并進(jìn)行建模分析，最后對汽車的操縱性進(jìn)行曲線和動畫仿真研究，比較各種參數(shù)下的曲線和動畫優(yōu)缺點，最終得出合理結(jié)論。關(guān)鍵詞：操縱性影響因素CARSIM汽車動力學(xué)仿真研究引言車輛的操縱性是車輛可以很精確地跟隨駕駛員的思想和操作指令。簡單地說，汽車司機要在非直線道路或不平的路面完成或操縱的轉(zhuǎn)向而且轉(zhuǎn)向是合理的，而不是轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足的現(xiàn)象，這對汽車操縱穩(wěn)定性的評價，提供了合理的依據(jù)。汽車的操縱性往往與穩(wěn)定性密切相關(guān)，可以稱之為操作穩(wěn)定性。車輛操縱穩(wěn)定性對駕駛員在正常的精神狀態(tài)或身體狀態(tài)有著不過分的緊張情緒，駕駛汽車仍能根據(jù)我自己的想法去行駛；如果遇到轉(zhuǎn)彎、大風(fēng)、路面不平等非正常情況，操縱車還能抵抗這些非正常條件的干擾，并能正常行駛，這是就是汽車操縱穩(wěn)定性。車輛操縱穩(wěn)定性一方面會涉及車輛駕駛的操縱難易情況，另一方面它也決定車輛在中高速行駛時的安全性能，與此同時還或多或少的干涉到車輛其他性能，其主動安全性占據(jù)主導(dǎo)，重點體現(xiàn)著汽車技術(shù)含量，也是國內(nèi)眾多汽車企業(yè)競爭的焦點。此篇論文主要圍繞汽車操縱性做研究分析，并且對穩(wěn)定性做簡要的介紹。1意義及現(xiàn)狀分析如今，我國的車輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，并且已經(jīng)開始走進(jìn)一個新的階段，汽車已經(jīng)普及千家萬戶，可是汽車普及必然帶來一定的負(fù)面影響，汽車的安全性能有待日益改善，而汽車的操縱穩(wěn)定性絕大部分取決于汽車車輪，汽車輪胎在不同條件下的操縱性如何，必然關(guān)系著人身及財產(chǎn)的安危，所以需要對汽車的操縱性進(jìn)行研究分析，并且選擇最佳操縱方案。本文結(jié)合汽車的操縱性研究，采用不同的汽車參數(shù)進(jìn)行比較，運用CARSIM軟件模型對汽車進(jìn)行整車建模和仿真分析，最終得出最佳結(jié)論。此論文的研究意(1)對選定車輛進(jìn)行系統(tǒng)性能實驗(參照他人實驗結(jié)論),運用CARSIM仿真仿真軟件美國機械仿真公司MSC(MechanicalSimulationCorporation)在1996年開發(fā)的一種車輛動力學(xué)仿真軟件，此軟件的動態(tài)仿真來根大學(xué))積累多年的理論與實踐探索。CarSim軟件具有準(zhǔn)確、快速的優(yōu)點，操動畫和圖形的驅(qū)動程序的清晰直觀的分析和研究，空氣動力學(xué)和路面輸入響應(yīng)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件。CarSim使用的參數(shù)特性的建模思想的形式，簡單清晰的操作1.圖形化數(shù)據(jù)庫包括控制數(shù)據(jù)庫的方向和速度，數(shù)據(jù)庫的外部環(huán)境(道路、外部風(fēng))和車輛重要的操作分析。CarSim可以用C語言、Matlab/Simulink的連接，方便、快CarSim軟件結(jié)合現(xiàn)代多體動力學(xué)與傳統(tǒng)的車輛動力學(xué)方法建模思想，并簡如圖所示剛體數(shù)量數(shù)量簧載質(zhì)量1簧載質(zhì)量的移動自由度(X、Y、Z)3非簧載質(zhì)量4非簧載質(zhì)量自由度4車輪4車輪旋轉(zhuǎn)自由度4發(fā)動機總數(shù)1傳動系旋轉(zhuǎn)自由度1輪胎瞬態(tài)特性自由度8制動壓力自由度4總數(shù)27CarSim軟件模型包括七個子系統(tǒng)，包括車身、輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架、制車體車體空氣動力學(xué)傳動系制動系彈性運動學(xué)整車以下分別對車輛模型系統(tǒng)具體的參數(shù)和曲線以及如何獲取進(jìn)行進(jìn)一步分析擇的參考軟件CarSim,因為水平約束和參數(shù)的選擇并不是最準(zhǔn)確的，但相對合序號具體參數(shù)數(shù)值單位整車質(zhì)量M1車寬mm2車高mm】軸距mm4輪距mm5質(zhì)心高度hmm6質(zhì)心距前軸距離xmm7簧載質(zhì)量M前輪高度hmm9后輪高度hmmKg-m2轉(zhuǎn)動慣量lyyKg-m2轉(zhuǎn)動慣量IzzKg-m2圖3.1.1:車體(SprungMassfromWholeVehicle)界面在CarSim坐標(biāo)系統(tǒng)建立一個相對完整的車體的界面，如圖所示：在CarSim軟件，你可以使用車輛前輪軸中心的高度確定車輛坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，通常輸入一定載荷下車輪半徑。汽車左、右對稱平面內(nèi)定義X軸線，車頭前面是正面的；Z軸的方向垂直于地面的方向，上方為正；利用右手定則確定Y軸，向右為正方向。圖3.1.2CARSIM汽車坐標(biāo)系FosdmseS州2pTelagVrPsexizdwms0Dude#mCARSIM具體參數(shù)值如下：參數(shù)數(shù)值Effectiverollingradius(有效轉(zhuǎn)動半徑)Unloadedradius(非承載半徑)Springrate(彈簧剛度)420N/mmMaximumallowedforce(最大承載壓力)NRollingresistancemoment(旋轉(zhuǎn)阻力矩)不懂輪胎參數(shù)3.2.1輪胎的坐標(biāo)系在CARSIM軟件中建立輪胎坐標(biāo)系是為了研究輪胎的力學(xué)特性，如圖所示：在垂直汽車輪胎旋轉(zhuǎn)軸線的車輪中分平面設(shè)為車輪平面，車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面上的投影線與地平面和車輪平面的交線的交點定義為坐標(biāo)系的原點。地平面和車輪平Z軸與地平面垂直，取上方為正。Y軸位于地平面，取面向車輪前進(jìn)方向左方向為正。圖中還標(biāo)記了地面切向反作用力Fx、軸的力矩)、側(cè)偏角α(輪胎接地印記中心位移方向與X軸的夾角)、外傾角β(垂直平面與車輪平面的夾角)。(待改動)Fetnevg.S4-TgePupSasnnhwy轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SteeringSystem)界面3.3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對研究汽車的操縱性至關(guān)重要，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞很大一部分決定了操縱性如何，因此在論文中主要研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，也是建模的另一部分。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求就是工作要可靠、操縱要輕便、汽車在轉(zhuǎn)向時車輪盡可能的做純滾動盡可能的減少滑動，否則會導(dǎo)致汽車漂移甩尾現(xiàn)象，如果轉(zhuǎn)向輪收到的沖擊較大或者方向盤的感覺太明顯(打手),對駕駛員是不利的，所以要確保駕駛員有很好的路面感覺。如下為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)的一些參數(shù)布置：具體參數(shù)數(shù)值Columninertia(轉(zhuǎn)向柱慣量)0.02kg-m2Systeminertia(系統(tǒng)慣量)0.0001kg-m2Columndamping(轉(zhuǎn)向柱阻尼)0.01Nm-s/degColumnhysteresis(轉(zhuǎn)向柱干摩擦)Hysteresisrefangle(參考角度)轉(zhuǎn)向系內(nèi)參數(shù)布置如下為主銷幾何學(xué)參數(shù)：在后面的CARSIM軟件仿真中將著重介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主銷力矩、車輪轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向力矩、方向盤轉(zhuǎn)角、車輛縱向加速度、不足轉(zhuǎn)向梯度等隨汽車參數(shù)的變化而變化的情況。3.3.2CARSIM轉(zhuǎn)向系模型在CARSIM汽車模型中，轉(zhuǎn)向受到兩個特性的影響：懸架K&C特性和轉(zhuǎn)向系特性。兩個特性效應(yīng)疊加達(dá)到總體的轉(zhuǎn)向效果，下面介紹轉(zhuǎn)向系的影響。CARSIM轉(zhuǎn)向系包括彈性運動學(xué)特性(Compliance)和轉(zhuǎn)向系運動學(xué)特性(Kinematics),下面簡稱K特性和C特性。Roadwheelsteer(車輪轉(zhuǎn)向)車輪轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的關(guān)系如圖所示，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器輸出之比由GearRatio(傳動比)表示。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的彈性輪角度的變化，在轉(zhuǎn)向力矩變動的時候，左、右車輪被干擾。在CARSIM軟件懸架選項里有扭轉(zhuǎn)梁懸架、獨立懸架、非獨立懸架三種懸架形式。運動學(xué)(Kinematics)特性和彈性運動學(xué)(Compliance)特性都存在于三種懸架中，而此篇論文只針對獨立懸架做研究分析。3.4.1獨立懸架運動學(xué)特性(IndependentSuspensionkinematics)KimematicsBasedonJounce*ightiihnWhealDusMiasGaenJuisP+iu.GwTirunTue(0e?GuetosioeStaficAlignmenlSefing時nFmnesdphFun0獨立懸架運動學(xué)特性界面此界面講述了獨立懸架的運動學(xué)特性(K特性),詳細(xì)參數(shù)如下：序號具體參數(shù)數(shù)值單位1非簧載質(zhì)量(Unsprung902mass)03kg-m24前輪輪心高度320mm5后輪輪心高度300mm6車輪外傾角值(camber)Left:0、right:07車輪前束角值(toe)Left:0.1、right:0.1除此之外，在獨立懸架運動學(xué)特性中還定義了一系列參數(shù)隨輪跳的變化曲線，主銷后傾角、車輪外傾角線、輪心縱向位移、輪心側(cè)向位移和車輪前束角。由于汽車在行駛過程中，車輪的質(zhì)量中心和車輪的中心位置發(fā)生改變，從而會影響車輛的控制。3.4.2獨立懸架彈性運動學(xué)特性(IndependentSuspensionCompliance)mVreseAeimnl;E-Gmefmeemsaa*PntLumgliagnTommePlnSirSawlygimeFtaEeigthsasesJuuna!ftosnitacesHenmes*Dmwny-5d.fyadta**AuslhsryBaesmwmm獨立懸架彈性運動學(xué)界面(C特性)界面在此界面中主要包含了C特性參數(shù)，前懸架的剛度為34N/mm,后懸架剛度為46N/mm.詳細(xì)參數(shù)曲線有減振器速度特性曲線、橫向穩(wěn)定桿輔助側(cè)傾剛度曲線和懸架彈性特性曲線。懸架的C特性曲線通常是線性關(guān)系，所以C特性系數(shù)在CARSIM軟件中可以用來論述車輪中心位置以及輪胎參數(shù)定位隨汽車車輪受到外力變化的情況，詳細(xì)序號變化參數(shù)Right1前束角與縱向力系數(shù)(Toe/F)-1.9e-6-1.9e-62外傾角與縱向力系數(shù)(Camber/F00displacement/F)4前束角與側(cè)向力系數(shù)(Steer/F)-3.3e-5-3.3e-55車輪外傾角與側(cè)向力系數(shù)(Inclination/F)5e-55e-5略略略略678輪心側(cè)向位移與側(cè)向力系數(shù)前束角與回正力矩系數(shù)(Steer/M)外傾角與回正力矩系數(shù)(Inclination/M)在懸架K&C特性中，前束角的變化是由懸架引起的轉(zhuǎn)向效應(yīng)，車輪的最終轉(zhuǎn)向角是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能和懸架引起的轉(zhuǎn)向組合，本文并不對此做過多贅述。3.5傳動系(Powertrain)本文傳動系采用的是前輪驅(qū)動，符合大多數(shù)汽車車型?！痢羘LsiemSesw1廣*MntSaipDunenyfepneil&.*90PwhmhnyentrehsattivaheOewuimsTraiunaifiessdiyThatmtieynalsivassjumjpttitinwdPotedwtiitiE*?傳動系界面汽車傳動系由傳動系由離合器、變速器、萬向傳動裝置和驅(qū)動橋組成，在序號變化參數(shù)曲線或數(shù)值1發(fā)動機萬有特效曲線2離合器特性曲線3離合器扭轉(zhuǎn)剛度4變速器各檔齒輪傳動比及轉(zhuǎn)動慣量5變速器各檔位傳動效率6加減檔時刻表略7減速器力矩特性曲線略9內(nèi)部傳動6-speedtransmissionN:變速器各檔齒輪傳動比及轉(zhuǎn)動慣量在傳動系中只對傳動比和轉(zhuǎn)動慣量做簡單的介紹，并不深究。3.6制動系(Brakes)××msdiisitaessgndissdopPA9atiiusiaiheliatussita.AliutidmsimtheitstboastnswmiumpetTC*ipiceetemdtinten?hsredaiwltshnep=sswcotmswmemppra=mpimpNudeosumheeonnayme:hkeGme59、00gM-nhisidimtaFltDnmitsTin:Ca=BkimFhutfrmannnrOetmysdelirnBCm*m*epBswetag料g制動系界面在CARSIM汽車制動系中可以描繪出制動力矩曲線以及制動壓力分配曲線等。具體性能參數(shù)如下：序號性能參數(shù)LeftRight1】流體運動學(xué)時間常數(shù)流體傳遞滯后0.06sec00.06sec03ABS開啟和關(guān)閉的滑移率門限值4ABS工作最低車速沒找到5制動力矩250N-m/MPa3.5空氣動力學(xué)(Aerodynamics)×xmaneC-fhiussffaisun,alhee8*abcactesrcnnspug-TlaiannssfaiteteaardnunstiisfaDsb,2M,dge-*tt圖3.5空氣動力學(xué)界面在CARSIM汽車空氣動力學(xué)中的一系列具體參數(shù)如下：序號性能參數(shù)]空氣動力學(xué)參考點坐標(biāo)2車輛正投影面積3空氣動力學(xué)力矩參考長度4空氣動力學(xué)六分力系數(shù)與側(cè)風(fēng)角度的關(guān)系曲線空氣動力學(xué)部分也不作為論文研究重點操縱性對于汽車的行駛、安全至關(guān)重要，并且在大學(xué)汽車專業(yè)課的學(xué)習(xí)中曾做過汽車操縱性的實驗，包括轉(zhuǎn)向輕便型實驗、穩(wěn)態(tài)回正實驗、高速回正實驗、低速回正實驗、轉(zhuǎn)向角脈沖實驗、轉(zhuǎn)向角階躍實驗等等，由于本文選定的車輪模型實驗受到限制，故省略了對選定汽車的操縱性試驗，直接利用理論實驗結(jié)果并根據(jù)理論知識及向指導(dǎo)老師學(xué)習(xí)之后，利用CARSIM仿真軟件進(jìn)行深入分析。懸架剛度、懸架阻尼系數(shù)。以下是可變數(shù)據(jù)的默認(rèn)值序號參數(shù)數(shù)值單位速度Km/h2簧載質(zhì)量3非簧載質(zhì)量4懸架剛度前懸架34、后懸架46N/mm5懸架阻尼系數(shù)06(1)主銷力矩(KingpinTorque)隨時間的變化曲線圖(2)車輪轉(zhuǎn)向角(RoadWheelSteerAngle)隨時間的變化曲線圖(3)轉(zhuǎn)向力矩(SteerTorque)隨時間的變化曲線圖(4)阻尼力(DampingForce)隨時間的變化曲線圖(5)方向盤轉(zhuǎn)角(SteerWheelAngle)隨時間的變化曲線圖(6)不足轉(zhuǎn)向梯度(UndersteerGradient)對比側(cè)向加速度(LatAccel)的變化曲線200km/h,三種速度對比分析梯度較大，目的是為了得到更有效的結(jié)果對比，以AamentAament.Nm0Time-##s=genm atouum ahodntaboutrunwheeltorque-N-mTee-8KSteonngSteonngwneelange·ceg400Tise-K22Earte-NL1L1dimeenlD4500Urdegtsergradant·degy*ngi*egWhm?meiR1一WoWhm?meiR1一Wogmcrt)程Tme-1400ateraiacreigrwton-ginTine-9ec120km/h仿真結(jié)果4.1.1不同車速對比分析仿真曲線選用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steeringsystem)中的一些參數(shù)，包括主銷轉(zhuǎn)矩、車圖3不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同車速下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同車速下的輪胎側(cè)向力對比度對比圖5不同車速下的不足轉(zhuǎn)向梯(1)行駛速度較低的汽車操縱性相對好些，切各項參數(shù)變化較為平穩(wěn)，基(2)如果汽車在超速行駛時會主銷轉(zhuǎn)矩、車輪轉(zhuǎn)向角會發(fā)生非常頻繁的波路120km/h的依據(jù)之一，防止因轉(zhuǎn)向操縱失穩(wěn)而發(fā)生交通事故。(3)隨著汽車速度升高轉(zhuǎn)向力矩逐漸變大，具體參見縱坐標(biāo)數(shù)值，當(dāng)車速在CARSIM軟件中簧載質(zhì)量的默認(rèn)值為1950kg,非簧載質(zhì)量默認(rèn)值90kg(無法變動),通過改動簧載質(zhì)量的數(shù)值來對比分析仿真結(jié)果，分別采用簧載質(zhì)量為圖1不同簧載質(zhì)量下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同簧載質(zhì)量下的車輪轉(zhuǎn)向力圖3不同簧載質(zhì)量下的方向盤轉(zhuǎn)角對比對比圖4不同簧載質(zhì)量下的車輪轉(zhuǎn)角鐘圖5不同簧載質(zhì)量下的阻尼力對比圖6不同簧載質(zhì)量下的不足轉(zhuǎn)向梯度對比4.3.1不同懸架剛度對比分析圖1不同懸架剛度下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同懸架剛度下的車輪轉(zhuǎn)向力矩圖3不同懸架剛度下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同懸架剛度下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同懸架剛度下的阻尼力對比圖5不同懸架剛度下的不足轉(zhuǎn)向梯都降低，而兩共振區(qū)之間動撓度幅值幾乎沒有變化.圖1不同車速下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同車速下的車輪轉(zhuǎn)向力矩對比圖3不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同車速下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同車速下的阻尼力對比圖5不同車速下的不足轉(zhuǎn)向梯度對比4汽車操縱穩(wěn)定性的評價4.1.1擾動反應(yīng)評價和指令反應(yīng)評價4.1.2角輸入反應(yīng)評價和力輸入反應(yīng)評價4.1.3不同工作點的評價4.1.4線性區(qū)評價和非線性區(qū)評4.1.5穩(wěn)態(tài)評價和動態(tài)評價穩(wěn)態(tài)特性是汽車的結(jié)果具有的基本條件和穩(wěn)態(tài)實驗良好的動態(tài)特性可以達(dá)到非4.1.6開環(huán)評價和閉環(huán)評價駕駛?cè)笋{駛員側(cè)風(fēng)汽車汽車運動4.1.7主觀評價和客觀評價(待改動)1、主觀評價汽車操穩(wěn)性主觀評價是一個合理的評價，使評估人員根據(jù)測試，以評估他們的感情。根據(jù)項目和評價標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，也有一個閉環(huán)評價。主觀評價的優(yōu)點：(1)主觀評價主要考慮到人自身的條件，更加切合實際狀況，駕駛員自己來操縱汽車，所以操穩(wěn)性的最終評價方法依舊是主觀評價法；(2)駕駛員自身在進(jìn)行主觀評價試驗時，還能發(fā)現(xiàn)實驗儀器檢驗不到的問題。主觀評價的缺點：(1)主觀評價受很多因素的影響，評價的結(jié)果不同的司機會有很大差異；(2)一般來說，它不給“性能”和“汽車結(jié)構(gòu)”這兩者之間有什么聯(lián)系信息。(3)在設(shè)計階段產(chǎn)生的原型，因此增加成本評估和設(shè)計周期。2、客觀評價汽車操穩(wěn)性客觀評價方法是基于操縱穩(wěn)定性試驗儀器表征的物理量，如橫擺角速度、橫向加速度、傾斜角度和轉(zhuǎn)向力評估的穩(wěn)定性控制方法，其優(yōu)缺點省略。5影響車輛操縱穩(wěn)定性的因素有很多因素可以影響車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，主要有傳動系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三個方面。5.1行駛系行駛系中影響操縱穩(wěn)定性的主要因素有：前輪定位參數(shù)、后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)及橫向穩(wěn)定桿、輪胎、前軸或車架變形、懸架等。5.1.1前輪定位參數(shù)的影響前輪定位參數(shù)包括：前輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前輪前束。前輪外傾角，是指通過前輪中心的汽車橫向平面與前輪平面的交線線與地面垂直線所成的夾角，前輪外傾角一般在1°左右，如圖5.1.1所示。它的作用主要是當(dāng)汽車行駛時，將輪轂壓向內(nèi)軸承，而減輕外端較小的軸承載荷，同時，可以防止因前軸變形和主銷孔與主銷間隙過大引起前輪內(nèi)傾，減輕輪胎著地與主銷軸線與地面交點間的距離，從而使轉(zhuǎn)向輕便。YY轉(zhuǎn)向軸正1TY圖5.1-