团固四嗟国哩 仿真，建搬ＩＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥＩＣＡＰＰ 汽车动力学模型仿真 刘金龙，，王博 ，仝立帅 （１．哈尔滨工业大学汽车工程学院，山东威海２６４２０９；２．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０７１０００：３．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ＭＡ下ＬＡＢ／ＳｔＭＵＬｉＮＫ平台上建立了七自Ｆｈ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；－＇ｔｚ自由度；横摆角速度；质心侧偏角 一 中图分类号：Ｕ ４６１：６ 文献标志码：Ａ 文章编号：ｔ００２—２３３３（２０１４）０５—０１０７—０２ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ＬＩＵ Ｊｉｎｌｏｎｇ ， ＷＡＮＧ Ｂｏ ，ＴＯＮＧ Ｌｉｓｈｕａｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｅｉｈａｉ ２６４２０９，Ｃｈｉｎａ；２（；ｒｅａｌ Ｗａｌｌ Ａｕｔｏｎｍｂｉｈ Ｓｔｏ（・ｋ ｃｔ），１ ｔｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１０００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０】３００，Ｃｈｉｌｌａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ，ａ ｓｅｖｅｎ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ（１）ＯＦ）ｍｏ（１ｅｌ ｏｆ ｖｅｈｉ【・ｌｅ ｗａｓ ｅｓｔａｈｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＭＡ１ ＴＡＢ／ＳＩＭＵＩ ＩＮＫ．Ｔｈｉｓ ｍｏｄｅ１．ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ａ（ ｅｒｔａｉｎ ｃａｒ．ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｉ１１ｌｄｃｒ ａ ｓｔｅｐ ｉ“ｌＪｕｌ ｉ１１ ｆｒｏｎｔ ｗｈｅｅｌｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕ］ｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｒｅｖｅａｌ ａｃｃｕｒａｔｅ ｒｅｔｌｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｐｍ’ａｔｉｎｇ ｒｈａｌ’ａ（‘ｌｅｔ’ｉｓｔｉ（‘ｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ；ｓｅｖｅｎ ＤＯＦ；Ｙａｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｓｉｄｅｓｌｉｐ ａｎｇｌｅ ０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 ］。由于汽车存在很多 的：作线性并且影响车辆运行的参数 ，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 ］。但是在极限１Ｉ 况下，实车试验存在很大的风险 ］。随着虚拟样机技术的 广泛应用，能够避免时空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 理沦Ｊ．可行。 １七自由度整车模型 采取 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 自由度；车轮运动模型作为４个单自由度，如图１所示。 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： ｍ（Ｖ 一ｒＶ ）＝（ Ｆ ＋Ｊ ）ＣＯｓ６一（ ）ｓｉｎ６＋ ；（１） 基于ｚ轴做扭矩平衡，可以得Ｉ叶｛车辆横摆角速度： ｌｊ＝ａｌ（ ）ｓｉｎ６＋（ ）（，０ ｊ＋ｆ Ｉｌ（ ／，一 ）ｃｏｓ￣＋ （ 一 ）ｓｉｎ６］１２＋ｔ （ 一 ）／２一（ ｒ』＋ ）／ｂ。（３） 式中：ａ和ｂ分别是前轴和后轴到车辆质心间的距离；ｔ ）ｓｉ ＋（ ）ｃｏｓ８＋ 。（２） ｍ（ｖ 一ｒＶ ）：（ 和ｔ 分别为前后轴轮距；，：为整车绕ｚ轴的转动惯量。 汽车质 Ｃ，Ｎ偏角是纵向与运动方向，即汽车旋转网 切线之夹角。 ｌｆ＝ａｒｃｔａｎ（Ｙ，，／ｌ／，）。 （４） 式中：Ｖ 和Ｖ 分别为车辆纵向和侧向速度；ｒ为车辆横摆 角速度；６为前轮转向角； 和 分别为轮胎纵向力和侧 向力；ｉ＝ｌ，ｆｆｒ，ｒｌ，ｒｒ＇分别对应左前轮、右前轮、左后轮、右后 轮；ｍ为整车质量。 ｌ６］陶兀芳，张长利，苗苗．实现文档自动化的几种方法［Ｊ］．机械工 程 ｊ自动化，２００９．１５７：１９３一ｌ９５． 对单个车轮取力矩平衡得： 作者简介：陶元芳（１９５７一），男，教授，主要研究方向为机械ＣＡＤ 收稿日期：２０１４—０２—１９ Ｉ７ 芾黎敏，朱世和，徐燕申，等．ＣＡＰＰ的发展及研究现状［Ｊ］．天津 ｒ 学院学报，２００４，２０（２）：４３—４５． （编辑立明） 机械工程师２０１４年第５期 １０７ 圃固四匣团哩 仿囊，建暖ＩＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥＩＣＡＰＰ ， ＝－Ｒ 一 ＋ ， ，ｒｌ，ｒｒ。 （５） 式中：｜ｒ， 为车轮旋转惯量； ．为车轮角速度； 和 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 倾与俯仰运动的情况下，前轮与后轮的瞬时垂直载荷为： ＝ｍｇｂ／（２１）－ｍ ／（２１）干ｍ ＾ ／（ｆ ）， ： Ｅ，＝ｍｇａ／（２１）＋ｍｆ＠ ／（２１）Ｔｉｎ ； （６） （ｚ ），ｉ＝ｒｌ，ｒｒ； （７） 式中：ｆ为前后轴轴距； 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： ａ￣－６一ａｒｃｔａｎ［（ 、＋ ）／（Ｖ￣Ｔ－ｒｔ １／２）］，ｉ－ｌ，ｆｆｒ； Ｏ／ｉ￣－－ａｒｃｔａｎ［（Ｖ、一ｂｒ）／（Ｖ Ｔ－ｒｔ ２／２）］，ｉ＝ｒｌ，ｒｒｎ 略轮胎侧偏角： “ ＝（Ｖ Ｔ－－ｔ ｌ／２）ＣＯｓ６＋（Ｖ￣＋ａｒ）ｓｉｎ６，ｉ＝ｌ，ｆｆｒ； ｕｉ＝Ｖ Ｔ－ｔ ２／２，ｉ＝ｒｌ，ｒｒ。 （８） （９） 态，虽然在稳态输出时有振荡，但是都保持在较小的范围 内。图４所示为汽车质心侧偏角。可以看出在前轮转角阶 跃输入发生前，质心侧偏角为零；在前轮转角有稳定的输 （１０） （１ １） 车轮轮心在车轮坐标系下的纵向速度的计算可以忽 入后，质心侧偏角能一直保持在较小的范围内。网３与图 ４中的曲线共同说明了汽车在整个过程中具有良好的操 控稳定性 车轮滑移率是在车轮运动中滑动成分所占的比例： Ｓ。＝（∞ Ｒ 一Ｈ ）ｌｕ ， ，２，ｆｒ，ｒｌ，ｒｒ。 式中，尺 为车轮有效滚动半径。 轮胎刚度和滑移率等参数有关。 ＝ …（１２） 轮胎模型采用Ｄｕｇｏｆｆ模型，轮胎纵向力和侧向力与 Ｓ／【１＋Ｓ ） Ａ ）； （１３） Ｆｃ ｔａｎａ ／（１＋Ｓ ）八Ａ ）。 （１４） 其中， Ａ Ａ ＝｛；：一Ａ Ａ” ： （Ｉ＋Ｓ ）／２、／（Ｋ Ｓ ） ＋（Ｃ ｔａｎａ ） 。 ｃ ５ （１６） 式中：Ｋ 和ｃ 分别为轮胎纵向刚度和侧偏刚度；Ａ 为轮 胎动态参数； 为路面摩擦因数。 ２模型仿真的建立 通过卜述的理论模型，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ平台 建立七自由度汽车操纵稳定性模型，其系统模型图如图２ 所示 ４结论 从设计思路出发，结合全文的分析，可知此七自由度 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。 ［参考文献］ ［１］郭天太．基于虚拟现实的汽车操纵稳定性试验技术［Ｊ］．机械＿Ｔ 程师，２００３（８）：３１—３３． １ ２ ｊ Ｚｈａｎｇ Ｚ，Ｚｈａｎｇ Ｎ，Ｈｕａｎｇ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｏｂｓｅｒｖｅｒ—ｂａｓｅｄ Ｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ ｌＪ Ｊ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． ２０１３．２２７（９）：７０４—７１７． ［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［Ｊ］． 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 动汽车操纵稳定性仿真［Ｊ］．机械工程师，２０１３（１２）：１５４—１５６． ３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 前轮转角阶跃输入发生前，横摆角速度为零；当前轮有恒 作者简介：刘金龙（１９９ ），男，硕士研究生，主要从事新能源汽车与 系统动力学的研究等。 收稿日期：２０１４～０２—１９ 定的输入后，横摆角速度能够快速地进入到稳定输出状 １０８；机械工程师２０１４年第５期
