汽车动力学模型仿真

制追业信息化的真/建/CAD/ CAM/CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION汽车动力学模型仿真刘金龙1,王博2,仝立帅3(1哈尔滨工业大学汽车工程学院,山东威海2642092长城汽车股份有限公司技术中心动力总成工程研究院性能分析科,河北保定0710003北京汽车研究总院有限公司车身部,北京101300)摘要:为了模拟汽车的操控稳定性,在 MATLAB/ SIMULINK平台上建立了七自由度车辆动力学仿真模型。嵌入某汽车参数后,对模型进行了前轮转角阶跃输入下的仿真分析。结果表明,搭建的模型可以真实地反映车辆运动特性的变化。关键词:动力学模型;七自由度:横摆角速度:质心侧偏角中图分类号:U4616文献标志码:A文章编号: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引言随着汽车车速的提高和道路车辆密度的增加,操控稳定性逐渐成为汽车发展的研究热点1。由于汽车存在很多的非线性并且影响车辆运行的参数2,传统的操纵稳定性分析一般都是通过实车试验来获得数据3。但是在极限工况下,实车试验存在很大的风险。随着虚拟样机技术的泛应用,能够避免时空限制并且极大地降低试验成本的操控稳定性虚拟试验仿真分析逐渐受到了人们的关注5。七自由度模型全面考虑了车辆纵向与侧向的运动,故在理论上可行。1七自由度整车模型采取固结于汽车质心的车身坐标系的七自由度非线性整车模型。车辆纵向、侧向和横摆运动是评价动力学的3个图1整车动力学模型自由度;车轮运动模型作为4个单自由度,如图1所示基于Z轴做扭矩平衡,可以得出车辆横摆角速度应用牛顿第二定律可以推出汽车纵向和侧向方向的运动方程: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分别是前轴和后轴到车辆质心间的距离m(v,-rv,)=(F+F)io+(FF)oS+Fn+Fn。(2)和。分别为前后轴轮距;L为整车绕Z轴的转动惯量式中:V,和V,分别为车辆纵向和侧向速度;r为车辆横摆汽车质心侧偏角是纵向与运动方向,即汽车旋转圆角速度;6为前轮转向角;F和F,分别为轮胎纵向力和侧切线之夹角向力;i=几,f,n,m,分别对应左前轮、右前轮、左后轮、右后B= arctan(V,V)。轮;m为整车质量。对单个车轮取力矩平衡得[6]陶元芳,张长利,苗苗实现文档自动化的几种方法[J.机械工程与自动化,2009,157:193-195作者简介:陶元芳中国煤化工向为机被CAD7]董黎敏,朱世和徐燕申,等CAPP的发展及研究现状[J]天津收稿日期:2014CNMHG理工学院学报,2004,20(2):43-45(编辑立明)机械工程师2014年第5期107制设业信息化ANUFACTURING。 RMATIZATION仿离/建/cAD/ CAM/CAE/CAPPIn@=-R, FrTa+Ta, i=fl,fr, rl, rro(5)0.025式中:l为车轮旋转惯量;a为车轮角速度;7和T分别为车轮的驱动和制动力矩。汽车在运动中会发生载荷转移现象。在忽略汽车侧0.015倾与俯仰运动的情况下,前轮与后轮的瞬时垂直载荷为:Fi=mgb/(21)-mVhe/(2L)Fmy hb/(tud), i= fr;(6)0.005F=mga/(20)+mV,h /(20)Fmyha/(tD),ierl, rr; (7)式中为前后轴轴距;h为质心高度。根据汽车横摆的影响,可以得出各轮胎的侧偏角:时间/sa=8-arctan[(V,+ar)/(V,Frm/2)l, i=f,fr;图3横摆角速度a=-arctan[(v -br)/(V, Frt.2/2),i=rl, rro(9)态,虽然在稳态输出时有振荡,但是都保持在较小的范围车轮轮心在车轮坐标系下的纵向速度的计算可以忽内。图4所示为汽车质心侧偏角。可以看出在前轮转角阶略轮胎侧偏角跃输入发生前,质心侧偏角为零;在前轮转角有稳定的输u=(V, Ftw/2)cos+(V, +ar )sins, i=fl, fr(10)入后,质心侧偏角能一直保持在较小的范围内。图3与图u=V +t, /2, i=rl, rro(11)4中的曲线共同说明了汽车在整个过程中具有良好的操车轮滑移率是在车轮运动中滑动成分所占的比例控稳定性。S=(o, R -;)/u,i=f fr, rl,rro(12)式中,R为车轮有效滚动半径。轮胎模型采用 Dugoff模型,轮胎纵向力和侧向力与轮胎刚度和滑移率等参数有关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分别为轮胎纵向刚度和侧偏刚度;λ;为轮时间/s胎动态参数;为路面摩擦因数。图4质心侧偏角2模型仿真的建立通过上述的理论模型,在 MATLAB/SIMULINK平台结论建立七自由度汽车操纵稳定性模型,其系统模型图如图2从设计思路出发,结合全文的分析,可知此七自由度所示。车辆动力学模型与仿真符合汽车的运行状态具体表现在:1)横摆角速度有稳定的输出;2)质心侧偏角始终保持在较小的范围内波动。rfu)[参考文献]纵向速度[1]郭天太基于虚拟现实的汽车操纵稳定性试验技术[]机械工程师,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]姚时音,孙仁云基于七自由度车辆模型的稳定性仿真研究转角阶跃输人西华大学学报:自然科学版,2008,27(2):58-60[4]罗彦辉,乔长胜纪宏超,等基于 ADAMS/Car微型观光旅游电图2七自由度动力学模型动汽车操纵稳定性仿真[J]机械工程师,2013(12):154-1563仿真结果分析[5]徐延海考虑路面不平度的汽车稳定性控制的研究[J]汽车工程,2005,27(3):330-333(编辑启迪)在对模型不加控制的情况下,给前轮转角一个阶跃信号。图3所示为汽车横摆角速度的变化曲线。可以看出作者简介YH中国煤化工要从事新能源汽车与前轮转角阶跃输入发生前,横摆角速度为零;当前轮有恒CNMHG定的输入后,横摆角速度能够快速地进入到稳定输出状收稿日期:2014-02-19月93数据机械工程师2014年第5期