制追業(yè)信息化的真/建/CAD/ CAM/CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION汽車動力學(xué)模型仿真劉金龍1,王博2,仝立帥3(1哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院,山東威海2642092長城汽車股份有限公司技術(shù)中心動力總成工程研究院性能分析科,河北保定0710003北京汽車研究總院有限公司車身部,北京101300)摘要:為了模擬汽車的操控穩(wěn)定性,在 MATLAB/ SIMULINK平臺上建立了七自由度車輛動力學(xué)仿真模型。嵌入某汽車參數(shù)后,對模型進行了前輪轉(zhuǎn)角階躍輸入下的仿真分析。結(jié)果表明,搭建的模型可以真實地反映車輛運動特性的變化。關(guān)鍵詞:動力學(xué)模型;七自由度:橫擺角速度:質(zhì)心側(cè)偏角中圖分類號:U4616文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1002-2332014)05-0107-02Simulation of Vehicle DynamicsLIU Jinlong, WANG Bo, TONG Lishuai(1. School of Automotive Engineering, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China; 2.Great Wall Automobile StockCo, Ltd Technology Institute, Baoding 071000, China; 3. Beijing Automotive Technology Center, Beijing 101300, China)Abstract: In order to simulate the vehicle handling, a seven degrees of freedom (DOF ) model of vehicle wasestablished on the platform of MALTAB/SIMULINK. This model, embedded in a certain car, was simulated under a stepinput in front wheels. The results show that this model can reveal accurate reflections of operating characteristicschanges in vehicles.Key words: dynamic model; seven DOF, Yaw velocity; sideslip angle0引言隨著汽車車速的提高和道路車輛密度的增加,操控穩(wěn)定性逐漸成為汽車發(fā)展的研究熱點1。由于汽車存在很多的非線性并且影響車輛運行的參數(shù)2,傳統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性分析一般都是通過實車試驗來獲得數(shù)據(jù)3。但是在極限工況下,實車試驗存在很大的風(fēng)險。隨著虛擬樣機技術(shù)的泛應(yīng)用,能夠避免時空限制并且極大地降低試驗成本的操控穩(wěn)定性虛擬試驗仿真分析逐漸受到了人們的關(guān)注5。七自由度模型全面考慮了車輛縱向與側(cè)向的運動,故在理論上可行。1七自由度整車模型采取固結(jié)于汽車質(zhì)心的車身坐標(biāo)系的七自由度非線性整車模型。車輛縱向、側(cè)向和橫擺運動是評價動力學(xué)的3個圖1整車動力學(xué)模型自由度;車輪運動模型作為4個單自由度,如圖1所示基于Z軸做扭矩平衡,可以得出車輛橫擺角速度應(yīng)用牛頓第二定律可以推出汽車縱向和側(cè)向方向的運動方程:L i=al(F,+F*)sind+ F,+F+ )cos ]+tm[(Fw-Fnr)cos8+(ErF+ )sins J/2+t(Fm-Fm)n2-(Fm+Fm/b.(3)m(v-V,)=(FF)cos-(FFs)sin+FFm;(1)式中:a和b分別是前軸和后軸到車輛質(zhì)心間的距離m(v,-rv,)=(F+F)io+(FF)oS+Fn+Fn。(2)和。分別為前后軸輪距;L為整車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動慣量式中:V,和V,分別為車輛縱向和側(cè)向速度;r為車輛橫擺汽車質(zhì)心側(cè)偏角是縱向與運動方向,即汽車旋轉(zhuǎn)圓角速度;6為前輪轉(zhuǎn)向角;F和F,分別為輪胎縱向力和側(cè)切線之夾角向力;i=幾,f,n,m,分別對應(yīng)左前輪、右前輪、左后輪、右后B= arctan(V,V)。輪;m為整車質(zhì)量。對單個車輪取力矩平衡得[6]陶元芳,張長利,苗苗實現(xiàn)文檔自動化的幾種方法[J.機械工程與自動化,2009,157:193-195作者簡介:陶元芳中國煤化工向為機被CAD7]董黎敏,朱世和徐燕申,等CAPP的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J]天津收稿日期:2014CNMHG理工學(xué)院學(xué)報,2004,20(2):43-45(編輯立明)機械工程師2014年第5期107制設(shè)業(yè)信息化ANUFACTURING。 RMATIZATION仿離/建/cAD/ CAM/CAE/CAPPIn@=-R, FrTa+Ta, i=fl,fr, rl, rro(5)0.025式中:l為車輪旋轉(zhuǎn)慣量;a為車輪角速度;7和T分別為車輪的驅(qū)動和制動力矩。汽車在運動中會發(fā)生載荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在忽略汽車側(cè)0.015傾與俯仰運動的情況下,前輪與后輪的瞬時垂直載荷為:Fi=mgb/(21)-mVhe/(2L)Fmy hb/(tud), i= fr;(6)0.005F=mga/(20)+mV,h /(20)Fmyha/(tD),ierl, rr; (7)式中為前后軸軸距;h為質(zhì)心高度。根據(jù)汽車橫擺的影響,可以得出各輪胎的側(cè)偏角:時間/sa=8-arctan[(V,+ar)/(V,Frm/2)l, i=f,fr;圖3橫擺角速度a=-arctan[(v -br)/(V, Frt.2/2),i=rl, rro(9)態(tài),雖然在穩(wěn)態(tài)輸出時有振蕩,但是都保持在較小的范圍車輪輪心在車輪坐標(biāo)系下的縱向速度的計算可以忽內(nèi)。圖4所示為汽車質(zhì)心側(cè)偏角?？梢钥闯鲈谇拜嗈D(zhuǎn)角階略輪胎側(cè)偏角躍輸入發(fā)生前,質(zhì)心側(cè)偏角為零;在前輪轉(zhuǎn)角有穩(wěn)定的輸u=(V, Ftw/2)cos+(V, +ar )sins, i=fl, fr(10)入后,質(zhì)心側(cè)偏角能一直保持在較小的范圍內(nèi)。圖3與圖u=V +t, /2, i=rl, rro(11)4中的曲線共同說明了汽車在整個過程中具有良好的操車輪滑移率是在車輪運動中滑動成分所占的比例控穩(wěn)定性。S=(o, R -;)/u,i=f fr, rl,rro(12)式中,R為車輪有效滾動半徑。輪胎模型采用 Dugoff模型,輪胎縱向力和側(cè)向力與輪胎剛度和滑移率等參數(shù)有關(guān)F=KS/(1+S)(A);F= C.tan(1+S)f(A)。(14)(2-A1)A,A<1,其中,A(Ap)(15)λ;≥1;A=F2(1+S)2V(Ks)+( C. tana)2。(16)56式中:K和C分別為輪胎縱向剛度和側(cè)偏剛度;λ;為輪時間/s胎動態(tài)參數(shù);為路面摩擦因數(shù)。圖4質(zhì)心側(cè)偏角2模型仿真的建立通過上述的理論模型,在 MATLAB/SIMULINK平臺結(jié)論建立七自由度汽車操縱穩(wěn)定性模型,其系統(tǒng)模型圖如圖2從設(shè)計思路出發(fā),結(jié)合全文的分析,可知此七自由度所示。車輛動力學(xué)模型與仿真符合汽車的運行狀態(tài)具體表現(xiàn)在:1)橫擺角速度有穩(wěn)定的輸出;2)質(zhì)心側(cè)偏角始終保持在較小的范圍內(nèi)波動。rfu)[參考文獻]縱向速度[1]郭天太基于虛擬現(xiàn)實的汽車操縱穩(wěn)定性試驗技術(shù)[]機械工程師,2003(8):31-33[2]Zhang Z, Zhang N, Huang C, et al. Observer-based H, controlfor vehicle handling and stability subject to parameteruncertainties []Journal of Systems and Control Engineering2013,227(9):704-717角速度[3]姚時音,孫仁云基于七自由度車輛模型的穩(wěn)定性仿真研究轉(zhuǎn)角階躍輸人西華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,27(2):58-60[4]羅彥輝,喬長勝紀(jì)宏超,等基于 ADAMS/Car微型觀光旅游電圖2七自由度動力學(xué)模型動汽車操縱穩(wěn)定性仿真[J]機械工程師,2013(12):154-1563仿真結(jié)果分析[5]徐延?？紤]路面不平度的汽車穩(wěn)定性控制的研究[J]汽車工程,2005,27(3):330-333(編輯啟迪)在對模型不加控制的情況下,給前輪轉(zhuǎn)角一個階躍信號。圖3所示為汽車橫擺角速度的變化曲線?？梢钥闯鲎髡吆喗閅H中國煤化工要從事新能源汽車與前輪轉(zhuǎn)角階躍輸入發(fā)生前,橫擺角速度為零;當(dāng)前輪有恒CNMHG定的輸入后,橫擺角速度能夠快速地進入到穩(wěn)定輸出狀收稿日期:2014-02-19月93數(shù)據(jù)機械工程師2014年第5期