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北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文
畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文)
報(bào)告(論文)題目：基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的汽車四輪
轉(zhuǎn)向仿真研究
作者所在系部： 機(jī)電工程學(xué)院
作者所在專業(yè)： 車輛工程
作者所在班級： B13142
作 者 姓 名 ： 文家麒
作 者 學(xué) 號 ： 201322350
指導(dǎo)教師姓名： 趙秋芳
完 成 時(shí) 間 ：
北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制
北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文
摘要
本文研究了四輪轉(zhuǎn)向汽車的操縱穩(wěn)定性特性，在ADAMS中建立四輪轉(zhuǎn)向車輛模型并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，和二輪轉(zhuǎn)向車輛操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了對比。具體內(nèi)容如下：
介紹了使用的動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS并，說明ADAMS工作的基礎(chǔ)工作原理。
建立了四輪轉(zhuǎn)向汽車的二自由度車輛數(shù)學(xué)模型，分析二自由度車輛模型動(dòng)力學(xué)方程以及公式中各項(xiàng)參數(shù)的物理意義。
在ADAMS/car中建立整車動(dòng)力學(xué)模型，利用ADAMS自帶仿真控制器進(jìn)行仿真。
對四輪車輛虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真，研究車輛操縱穩(wěn)定性特性。仿真結(jié)果表明4輪轉(zhuǎn)向汽車相對于2輪轉(zhuǎn)向汽車操縱穩(wěn)定性得到了很大提高。
關(guān)鍵詞： 四輪轉(zhuǎn)向 ADAMS 操縱穩(wěn)定性 仿真
Abstract
This paper studies the four-wheel steering vehicle steering stability characteristics of four-wheel steering vehicle model is established in ADAMS and the dynamic simulation, and compares the two wheel steering vehicle steering stability. The details are as follows:
This paper introduces the dynamic simulation software ADAMS and explains the basic working principle of ADAMS.
The establishment of a four-wheel steering vehicle two degrees of freedom vehicle model, analysis of dynamics equation of two degrees of freedom vehicle model and the physical significance of the various parameters in formula.
The vehicle dynamics model is established in ADAMS/car, and the simulation controller is simulated by ADAMS.
The simulation model of the four-wheel vehicle virtual prototype is simulated, and the stability characteristics of the vehicle are studied. The simulation results show that the steering stability of the four-wheel steering car is greatly improved.
Keywords: Four-wheel steering ADAMS Handling stability simulation
目 錄
摘要 I
Abstract II
目 錄 III
第一章 緒論 1
1.1四輪轉(zhuǎn)向汽車的特點(diǎn) 1
1.2 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展 1
1.3 本論文的研究意義及內(nèi)容 2
第二章 四輪轉(zhuǎn)向車輛的仿真環(huán)境 3
2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping,VP）的概念 3
2.2 ADAMS軟件介紹 3
2.3 ADAMS工作的理論基礎(chǔ) 4
2.3.1 動(dòng)力學(xué)方程的建立 4
2.3.2 動(dòng)力學(xué)方程求解 5
2.3.3靜力學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 7
第三章 四輪轉(zhuǎn)向車輛建模 9
3.1 四輪轉(zhuǎn)向車輛的數(shù)學(xué)模型 9
3.2輪胎的非線性模型 11
3.2.1 Fiala輪胎模型 11
3.2.2 Pacejka的“魔術(shù)公式”輪胎模型 12
3.2.3 郭孔輝的輪胎穩(wěn)態(tài)指數(shù)統(tǒng)一模型 13
3.3基于ADAMS的四輪轉(zhuǎn)向虛擬樣機(jī)模型 13
3.3.1 創(chuàng)建前懸架模型 14
3.3.2 后懸架模型 16
3.3.3 轉(zhuǎn)向系模型 17
3.3.4輪胎與路面的創(chuàng)建 17
3.3.5 四輪轉(zhuǎn)向整車模型 20
第四章 四輪轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果 22
4.1汽車操縱穩(wěn)定性 22
4.2四輪轉(zhuǎn)向的仿真分析 22
總 結(jié) 26
致 謝 27
參考文獻(xiàn) 28
IV
第一章 緒論
現(xiàn)代社會(huì)由于人們生活質(zhì)量的提高和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，人們對汽車的駕駛舒適性和安全性越重視。汽車四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（Four-Wheel Steering，4WS）在這樣情形下出現(xiàn)了，汽車4輪轉(zhuǎn)向技術(shù)能有效提高汽車操縱穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性
1.1四輪轉(zhuǎn)向汽車的特點(diǎn)
現(xiàn)在，汽車轉(zhuǎn)式有前輪轉(zhuǎn)向（Front-Wheel Steering，F(xiàn)WS）和四輪轉(zhuǎn)向。前一種轉(zhuǎn)向方式只利用前兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制車輛的前進(jìn)方向，這種轉(zhuǎn)向方式存在低速時(shí)響應(yīng)慢，轉(zhuǎn)向僵硬不靈活，高速時(shí)方向穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)[1]。人們因?yàn)檫@些缺點(diǎn)的存在，開始讓后輪也在車輛轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，于是四輪轉(zhuǎn)向概念被逐漸提了出來[1]。
后一種轉(zhuǎn)向方式，在車輛以較慢速度行駛中，讓后輪朝與前輪相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)中心比使用第一種轉(zhuǎn)向方式的汽車更接近車身，可以減小車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，增加車輛的靈活性，后一種轉(zhuǎn)向方式的汽車內(nèi)輪差也減小了很多。
汽車在較高的速度行駛時(shí)，因?yàn)樾枰屲圀w方向與車輛前進(jìn)方向一致，四輪轉(zhuǎn)向汽車通過讓前后輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)減小了質(zhì)心側(cè)偏角。使轉(zhuǎn)向半徑增大減小汽車發(fā)生側(cè)翻的可能性。后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向也減少了車輛到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，較好地加快了汽車轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應(yīng)。
1.2 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展
20世紀(jì)初， 汽車行駛速度不是很快，為了減少汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，人們就讓汽車在改變方向時(shí)后兩個(gè)車輪與前兩個(gè)車輪反向轉(zhuǎn)動(dòng) ，這就是四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的萌芽。1907年，在日本產(chǎn)生的一個(gè)和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有關(guān)的專利。通過一種結(jié)構(gòu)使汽車獲得較小的轉(zhuǎn)彎半徑，這種結(jié)構(gòu)是利用一根軸將前后輪的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)鏈接起來。這種結(jié)構(gòu)最開始是運(yùn)用在軍用車輛和工程車輛上，使它們在惡劣工況下運(yùn)行也能有比較高的機(jī)動(dòng)性。
車輛科學(xué)的不斷發(fā)展，日本在4WS系統(tǒng)上的研究取得了較高的成就。1980年，在Nissan公司產(chǎn)生了一輛實(shí)驗(yàn)用的四輪轉(zhuǎn)向車輛，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)可達(dá)到30度，還能朝與前輪相同方向或相反方向偏轉(zhuǎn)。1985年，日本Nissan公司在沒有先例的情況下首次把4WS系統(tǒng)使用在客車上。1989，該公司為了對主動(dòng)控制后輪反向轉(zhuǎn)向角度設(shè)計(jì)出了SUPER HICAS系統(tǒng)。由于電子技術(shù)和控制方法的發(fā)展和改進(jìn)，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)也取得了重大突破。2001年，德爾福公司開發(fā)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)首次在通用2002 Sierra Denadi大型皮卡車上使用[2]。
我國的汽車工業(yè)的自主研發(fā)能力不是很高，是因?yàn)槲覈嚬I(yè)有起步晚發(fā)展較慢的特點(diǎn)。我國現(xiàn)在對于4WS系統(tǒng)的研究相對集中在幾所高校里，國內(nèi)對4WS開始研發(fā)的汽車制造商還基本沒有。高校研究4WS的研究條件也不是很好，研究還處于初始階段，該研究還處于初始階段,主要研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制4WS車輛的方法。其中,北京理工大學(xué)安裝BJ130型4WS系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究
1.3 本論文的研究意義及內(nèi)容
虛擬樣機(jī)技能夠在計(jì)算機(jī)中的建模軟件中建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異同模型，還可以能夠幫助我們解決存在于系統(tǒng)中的非線性問題，我們能夠?qū)W習(xí)掌握使用這種技術(shù)在虛擬樣機(jī)軟件中建立四輪轉(zhuǎn)向車輛模型。
在對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究中，一般是研究車輛的操縱穩(wěn)定性。本論文主要研究了下列內(nèi)容
1.對4WS汽車的原理和特性進(jìn)行了分析，并對模型的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了研究。
2.在ADAMS/car模塊下建立了非線性四輪轉(zhuǎn)向車輛動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型。
3.實(shí)現(xiàn)后輪在仿真過程進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。在ADAMS環(huán)境中對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行仿真。
4.按照國標(biāo)中汽車試驗(yàn)條件，對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真。
第二章 四輪轉(zhuǎn)向車輛的仿真環(huán)境
2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping,VP）的概念
簡單來講，虛擬樣機(jī)技術(shù)就是使用者首先在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字化的機(jī)械系統(tǒng)模型，然后進(jìn)行仿真并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。他的數(shù)字設(shè)計(jì)方法基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型[3]。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可以使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品開發(fā)早期就可以比較直觀的利用該技術(shù)比較直觀的觀察產(chǎn)品的特性,在虛擬環(huán)境下直接進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測試、仿真模擬,創(chuàng)新給設(shè)計(jì)師帶來設(shè)計(jì)靈感,有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量,減少在設(shè)計(jì)過程中由于各種各樣的實(shí)際條件的限制導(dǎo)致的錯(cuò)誤,對加快產(chǎn)品開發(fā)周期有重要意義[3]。
現(xiàn)在，許多公司都開發(fā)了許多功能強(qiáng)大的虛擬樣機(jī)技術(shù)的軟件，大都是國外機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司所開發(fā)，使用比較廣泛的有的美國一些公司開發(fā)的ADAMS,CADSI的DADS。
2.2 ADAMS軟件介紹
ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件，是由美國機(jī)械動(dòng)力公司（MechanicaIDynamics Inc.）開發(fā)的。
ADAMS有含有5類基本模塊,用戶不僅可以建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,并可以使用這些模塊當(dāng)中的各種各樣的功能解決應(yīng)用工業(yè)問題，通過建模與仿真分析可以快速和有效的觀察到產(chǎn)品功能的優(yōu)劣和設(shè)計(jì)的可行性,基本的ADAMS配置方案包括交互式圖形環(huán)境,ADAMS/View使用分層方式來完成建模工作,通過連接一組組件一起由機(jī)械運(yùn)動(dòng)對[4]。ADAMS/Slover自動(dòng)建立機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程,并提供靜力學(xué),運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果。仿真結(jié)果直觀和直觀地描述了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,并可視化分析結(jié)果。
ADAMS的設(shè)計(jì)流程包括創(chuàng)建模型、測試和驗(yàn)證模型、細(xì)化模型和迭代、優(yōu)化設(shè)計(jì)、定制界面。
建立仿真模型確定幾何形狀、力、接觸、鏈接、運(yùn)動(dòng)
變參數(shù)設(shè)計(jì)確定參數(shù)，定義設(shè)計(jì)變量
設(shè)計(jì)變參數(shù)設(shè)計(jì)用戶化界面、菜單
動(dòng)作可靠性分析
確定模型，輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)、實(shí)驗(yàn)圖形
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案
仿真、動(dòng)畫、繪圖
修改模型
增加摩擦力、力函數(shù)、彈性體、控制系
優(yōu)化模型
2.3 ADAMS工作的理論基礎(chǔ)
ADAMS/Solver是一個(gè)能力非常具巨大的求解器，可以對所建模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，以下為ADAMS建立動(dòng)力學(xué)返程以及求解方法。
ADAMS利用6個(gè)廣義坐標(biāo)來表示每個(gè)剛體，廣義坐標(biāo)是剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反應(yīng)剛體方位的歐拉角，即qf=[x，y，z，ψ，θ，φ]fT，使用稀疏矩陣的方法來求解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程式[10]。
2.3.1 動(dòng)力學(xué)方程的建立
(2－1)
完整約束方程： (2—2)
非完整約束方程： (2—3)
式中:
(2—4)
式中：
2.3.2 動(dòng)力學(xué)方程求解
ADANS使用兩種算法：一是運(yùn)用GSTIFF積分器、DSTIFF積分器和BDF積分器，來求解稀疏耦合的非線性微分代數(shù)方程；二是利用ABAM(Adams-Bashorth and Adams-Moulton)解積分程序，求解獨(dú)立坐標(biāo)微分方程[8]。
（1）微分—代數(shù)方程求解算法
可以有效求解以上方程的Gear預(yù)估—校正算法：
(2—5)
式中時(shí)間步長。
（2—4）后差分積分程序）來校正。
(2—6)
式中，—在時(shí)的近似值；
—Gear積分程序的系數(shù)值。
將公式（2—6）轉(zhuǎn)化為以下形式：
(2—7)
將公式（2—4）在時(shí)刻展開，得：
(2—8)
，其
(2—9)
其中表示第次迭代，
(2—10)
由（2—7）式可知： (2—11)
由（2—8）式可知： (2—12)
將式（2—11），（2—12）代入公式（2—9得）：
(2—13)
式中：
通過分解系統(tǒng)矩陣公式（（2—13）左邊部分）求解，計(jì)算出重復(fù)上述迭代校正步長，一直到計(jì)算結(jié)果滿足收斂條件。
控制積分誤差的工作步驟，認(rèn)為滿足預(yù)估值和校正值的差值小于規(guī)定的積分誤差限的解為正確解，，然后繼續(xù)下面一個(gè)時(shí)刻的求解；拒絕不滿足該條件的解值，并縮短積分步長，重新進(jìn)行預(yù)估—校正計(jì)算過程。
2.3.3靜力學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，將式（2—13）中的速度，：
(2—14)
解系統(tǒng)的約束方程：
(2—15)
：
(2—16)
(2—17)
(2—18)
：
(2—19)
第三章 四輪轉(zhuǎn)向車輛建模
3.1 四輪轉(zhuǎn)向車輛的數(shù)學(xué)模型
汽車數(shù)學(xué)模型就是用數(shù)學(xué)符號、公式表達(dá)實(shí)際汽車的各種的性質(zhì)、規(guī)律和結(jié)構(gòu)。想要模型越精確，需要考慮的因素就越多，模型也就越復(fù)雜。數(shù)學(xué)模型對四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究有很大的用處。
車輛運(yùn)動(dòng)過程中，如果看成是剛體，他就六個(gè)自由度，如果看成是柔性體,就會(huì)有許多自由度，計(jì)算就會(huì)很困難,車輛數(shù)學(xué)模型的簡單還是復(fù)雜與研究程度有關(guān)，研究程度高模型就越復(fù)雜，相對研究程度低模型也就越簡單[11]。只含車身側(cè)向、橫擺運(yùn)動(dòng)的二自由度四輪轉(zhuǎn)向車輛數(shù)學(xué)模型應(yīng)用也很多。
在建立四輪專向車輛數(shù)學(xué)模型前，我們做出如下假設(shè)：
1.假設(shè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入。
2.假設(shè)懸架沒有功用，簡單認(rèn)為車輛只是沿地面平行運(yùn)動(dòng)，
3.側(cè)向加速度不大于0.4g，前后輪側(cè)偏角不大于5°，輪胎側(cè)偏特性不超出線性范圍。
4.取較小的驅(qū)動(dòng)力，不受空氣動(dòng)力影響。
5.假設(shè)地面切向力不會(huì)對輪胎側(cè)偏特性的產(chǎn)生影響。
6.假設(shè)載荷變化不會(huì)引起輪胎特性的變化并且假設(shè)輪胎回轉(zhuǎn)正力矩不對輪胎產(chǎn)生作用。
7.汽車是對稱的,前軸和后軸上的每對車輪由一個(gè)單輪代表,兩個(gè)轉(zhuǎn)彎剛度。
8.假設(shè)車輛后輪轉(zhuǎn)向角度不大，無論前輪還是后輪側(cè)偏力均朝向y軸方向。
(3—1)
：
(3—2)
根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合公式（3—1）（3—2）可得車輛的動(dòng)力微分方程：
(3-3)
此外，重心處的側(cè)向加速度為：
取為狀態(tài)變量，為輸入變量，則公式（3—3）可變形為方程：
(3-4)
式中：
以上是四輪轉(zhuǎn)向車輛的二自由度動(dòng)力學(xué)模型，不考慮許多的因素帶來的影響并且車輛是處于理想環(huán)境中運(yùn)行，所以這個(gè)模型存在不小的局限性。
3.2輪胎的非線性模型
輪胎的建模是研究車輛操作穩(wěn)定性重要部分。輪胎模型一般分為兩種,一種是理論模型。通過對輪胎的數(shù)值描述和變形機(jī)理的分析,建立了剪切力與反扭矩的關(guān)系及相應(yīng)的參數(shù)[]。二是經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式。對大量輪胎力特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。輪胎力的特點(diǎn),有效地表達(dá)的公式,其中包含的擬合參數(shù)。
3.2.1 Fiala輪胎模型
1954年，行駛理論被德國學(xué)者E.Fiala提了出來，并由此導(dǎo)出了著名的輪胎彈性梁模型。這是第一個(gè)能夠描述輪胎側(cè)偏特性的模型
輪胎結(jié)構(gòu)模型如圖3.2所示。A相當(dāng)于一個(gè)輪轂,它可以被認(rèn)為是一個(gè)剛體,B是一個(gè)相當(dāng)數(shù)量的彈簧。 C相當(dāng)于輪胎胎面基。D相當(dāng)于胎面膠。
定義無量綱滑移率
(3—5)
β表示的是輪胎側(cè)偏角（其余章節(jié)中表示汽車重心側(cè)滑角），K代表的是β=0時(shí)的側(cè)度，μ代表的是地面附著數(shù)，代表的是垂荷。
輪胎側(cè)偏力。回正力矩M可由下式得到：
(3—6)
(3—7)
3.2.2 Pacejka的“魔術(shù)公式”輪胎模型
歐洲的荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)H.B.Pacejka教授開發(fā)的“魔術(shù)公式”， 也叫Delft模型,對三角函數(shù)擬合輪胎配方實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合,得到了縱向力比較整體的表達(dá),側(cè)向力和回正力矩公式輪胎模型。其廣義力Y的一般表達(dá)式為[9]:
其廣義力Y（輪胎側(cè)偏力、縱向力和回正力矩）的一般表達(dá)式為：
(3—8)
(3—9)
式中形狀因子的具體取只決定于輪胎自身的特性和需要求解的廣義力的類別和載荷并沒有關(guān)系。其他參數(shù)都和載荷有關(guān)，表達(dá)式：
(3—10)
(3—11)
求輪胎側(cè)偏力時(shí)，橫向力零點(diǎn)處剛度為：
(3—12)
求縱向力和揮著力矩時(shí)，橫向力零點(diǎn)處剛度為：
(3—13)
剛度因子：
(3—14)
對上面的三個(gè)因子進(jìn)行修正，即：
； (3—15)
(3—16)
計(jì)算側(cè)向力和回正力矩時(shí)， ，計(jì)算回力時(shí)， 是來修的。這樣，表達(dá)輪的主要分的是數(shù)合的數(shù)。
H.B．Pacejka的“魔術(shù)公式”模型有下面的這些特征：
1）用一套公式可以表示模型的力特征，統(tǒng)一性強(qiáng)，編程方便，需擬合參數(shù)較少。
2）對國家橫向力、中國縱向力和自回正力矩有比較高的擬合精度。
3）該公式是非線性特殊函數(shù)。
4）值得變化對擬合的殘差影響較大。
3.2.3 郭孔輝的輪胎穩(wěn)態(tài)指數(shù)統(tǒng)一模型
1984年，我國一汽車研究所的郭孔輝基于Fiala的理論基后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建側(cè)向力和回矩的半驗(yàn)“指數(shù)公式”輪胎模型[2]。
：
其中：
。
表縱向摩擦系數(shù)，代表側(cè)向摩擦系數(shù)，代表側(cè)向剛度，代表側(cè)偏剛度，代表側(cè)向滑移速度，代表轉(zhuǎn)折系數(shù)，代表回正力臂，代表輪胎的橫向偏距，和垂直載荷存在關(guān)系的參數(shù)的有，，和：
郭孔輝穩(wěn)態(tài)指數(shù)統(tǒng)一模型的特點(diǎn)：
1.模型采用無量綱的表達(dá)式。
2.在純工況下和聯(lián)合工況下，它表達(dá)式都是一樣的。
3.可表達(dá)各種載荷下的特性。
4.它可以確保更少的模型參數(shù),可以用來實(shí)現(xiàn)全局表達(dá)式精度。冪指數(shù)可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式形式。
5.能擬合原點(diǎn)剛度。
Fiala輪胎模型文件也在ASAMS軟件中很好調(diào)用，參數(shù)的改寫很方便，本文中車輛建模將采用Fiala輪胎模型。
3.3基于ADAMS的四輪轉(zhuǎn)向虛擬樣機(jī)模型
ADAMS/car和ADAMS/view建模區(qū)別是，在view中能在一個(gè)界面當(dāng)中完整的建立起整車模型，在car中建立模型要建立整車模型，先要建立各個(gè)系統(tǒng)的模板并創(chuàng)建成子系統(tǒng)，然后利用信息交換器把各個(gè)子系統(tǒng)組裝在一起，組成整車模型。
由于在car中分享文件中有汽車各個(gè)系統(tǒng)的模板如懸架系統(tǒng)，本文選擇在car中建立模型。因?yàn)闆]有整車的具體數(shù)據(jù)，本文選擇car自帶的模板文件組裝四輪轉(zhuǎn)向整車模型。下文以前懸架為例對模板的建立進(jìn)行較詳細(xì)的介紹。
3.3.1 創(chuàng)建前懸架模型
由于沒有前懸架的硬點(diǎn)坐標(biāo)所以我用adams/car中自帶的模板的數(shù)據(jù)。首先在電腦打開軟件選擇進(jìn)入模板模式，打開要使用的前懸架模型記錄它的硬點(diǎn)坐標(biāo)（圖3—4），創(chuàng)建控制臂（圖3—5），選擇Adjust菜單中的Hardpoint創(chuàng)建起有l(wèi)ca屬名的硬點(diǎn)，然后給控制臂創(chuàng)建part可以選擇build菜單中的part命令選擇新建或向?qū)蓀art，新建和向?qū)^(qū)別主要是前者需要自己輸入part的屬性（如質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）后者軟件根據(jù)要?jiǎng)?chuàng)建的part的幾何形狀自自主生成，然后給part賦予幾何形狀（圖3—5），創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)（圖3—6），先創(chuàng)建車輪中心和轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)外點(diǎn)的硬點(diǎn)，再在車輪中心創(chuàng)建part，給轉(zhuǎn)向節(jié)賦予幾何形狀。后續(xù)其余桿件創(chuàng)建都和上述過程查不了太多，不再敘述。
下面介紹下彈簧和減震器的創(chuàng)建（圖3—7），一樣先創(chuàng)建減震器的端點(diǎn)硬點(diǎn)，減震器的創(chuàng)建有兩種方式一種是把它看成兩個(gè)部分通過運(yùn)動(dòng)副連接起來還有一種比較簡單的直接用力學(xué)原件生成，但是這需要選擇兩個(gè)part，在這個(gè)模型中沒有車身的part，利用mount命令生成一個(gè)代替車身的part，再利用力學(xué)原件生成減震器。添加彈簧，彈簧硬點(diǎn)就是減震器的硬點(diǎn)，在力學(xué)原件用選擇spring命令選擇萬向節(jié)part和車身代替part在減震器上生成彈簧。
創(chuàng)建起前懸架的主要幾何形狀。然后再給前懸架上添加運(yùn)動(dòng)副，主要是一些球副、鎖止副和旋轉(zhuǎn)副等。上文描述了前懸架的基本創(chuàng)建過程，最終創(chuàng)建完成的前懸架如圖3—8
圖3—4 懸架硬點(diǎn)圖
圖3—5 控制臂圖
圖3—6 控制臂與萬向節(jié)圖
圖3—7 控制臂、轉(zhuǎn)向拉桿和減震器圖
圖3—8 前懸架總成圖
3.3.2 后懸架模型
后懸架和前懸架比較，后懸架比前懸架多了兩個(gè)組成部分是驅(qū)動(dòng)軸和副車架。驅(qū)動(dòng)軸是利用恒速度與主軸和發(fā)動(dòng)機(jī)連接，下控制臂和副車架之間有轉(zhuǎn)動(dòng)副。提取car中的模板如圖3—9。
圖3—9 后懸架圖
3.3.3 轉(zhuǎn)向系模型
本文提取的ADAMS/car中的轉(zhuǎn)向系模型是齒輪齒條式的，它的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)互相咬合的小齒輪和齒條，通過轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，由齒條直線運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)橫拉桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。模型圖如圖3—10
圖3—10
3.3.4輪胎與路面的創(chuàng)建
影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素有許多，其中非常重要的就有輪胎和路面。ADAMS/car中的共享文件中就有許多輪胎模型，其中fiala輪胎模型仿真的精確度就比較高，本文調(diào)用fiala輪胎模型。它的文件是：
$----------------------------------------------------------MDI_HEADER
[MDI_HEADER]
FILE_TYPE = 'tir'
FILE_VERSION = 2.0
FILE_FORMAT = 'ASCII'
(COMMENTS)
{comment_string}
'Tire - XXXXXX'
'Pressure - XXXXXX'
'Test Date - XXXXXX'
'Test tire'
'New File Format v2.1'
$---------------------------------------------------------------units
[UNITS]
LENGTH = 'meter'
FORCE = 'newton'
ANGLE = 'rad'
MASS = 'kg'
TIME = 'sec'
$---------------------------------------------------------------model
[MODEL]
! use mode 1 2 3
! ------------------------------------------
! relaxation lengths X
! smoothing X
!
PROPERTY_FILE_FORMAT = 'UATIRE'
USE_MODE = 2
$-----------------------------------------------------------dimension
[DIMENSION]
UNLOADED_RADIUS = 0.295
WIDTH = 0.195
ASPECT_RATIO = 0.55
$-----------------------------------------------------------parameter
[PARAMETER]
VERTICAL_STIFFNESS = 190000
VERTICAL_DAMPING = 50
ROLLING_RESISTANCE = 0.003
CSLIP = 80000
CALPHA = 60000
CGAMMA = 3000
UMIN = 0.8
UMAX = 1.1
REL_LEN_LON = 0.6
REL_LEN_LAT = 0.5
$---------------------------------------------------------------shape
[SHAPE]
{radial width}
1.0 0.0
1.0 0.2
1.0 0.4
1.0 0.6
1.0 0.8
0.9 1.0
$---------------------------------------------contact patch parameters
! 3D contact can be switched on by deleting the comment ! character
! When no further coefficients are specified, default values will be taken
![CONTACT_COEFFICIENTS]
CONTACT_MODEL = '3D_ENVELOPING'
我使用水平路面，它的文件是：
$----------------------------------------------------------MDI_HEADER
[MDI_HEADER]
FILE_TYPE = 'rdf'
FILE_VERSION = 5.00
FILE_FORMAT = 'ASCII'
(COMMENTS)
{comment_string}
'flat 2d contact road for testing purposes'
$---------------------------------------------------------------UNITS
[UNITS]
LENGTH = 'mm'
FORCE = 'newton'
ANGLE = 'radians'
MASS = 'kg'
TIME = 'sec'
$---------------------------------------------------------------MODEL
[MODEL]
METHOD = '2D'
FUNCTION_NAME = 'ARC901'
ROAD_TYPE = 'flat'
$------------------------------------------------------------GRAPHICS
[GRAPHICS]
LENGTH = 2000000.0
WIDTH = 1000000.0
NUM_LENGTH_GRIDS = 200
NUM_WIDTH_GRIDS = 100
LENGTH_SHIFT = 20000.0
WIDTH_SHIFT = 0.0
$----------------------------------------------------------PARAMETERS
[PARAMETERS]
MU = 1.0
$--------------------------------------------------------------RESSYS
[REFSYS]
OFFSET = 0.0 0.0 0.0
ROTATION_ANGLE_XY_PLANE = 0.0
3.3.5 四輪轉(zhuǎn)向整車模型
將上列各個(gè)模型生成子系統(tǒng)然后進(jìn)行組裝并組裝上發(fā)動(dòng)機(jī)模型，得到圖3—10的整車模型，然后就可以開始進(jìn)行仿真
圖3—10 整車模型
第四章 四輪轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果
4.1汽車操縱穩(wěn)定性
簡單來說汽車操縱穩(wěn)定性就是指汽車遵循駕駛者指令行駛的能力，還包括抵抗外界干擾保持穩(wěn)定行駛的能力。它是汽車操縱性能與汽車行駛穩(wěn)定性的總稱。
汽車操縱穩(wěn)定性有兩種評價(jià)方法和兩類實(shí)驗(yàn)，他們是主觀評價(jià)和客觀評價(jià)，室內(nèi)臺架實(shí)驗(yàn)和道路實(shí)驗(yàn)。道路實(shí)驗(yàn)主要有6種，即蛇形實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入實(shí)驗(yàn)）、轉(zhuǎn)向回正性能實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)[13]。評價(jià)指標(biāo)主要是測試儀器測出的具有表征性的物理量。
4.2四輪轉(zhuǎn)向的仿真分析
本章使用上文中建立的仿真四輪轉(zhuǎn)向汽車模型來進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并且結(jié)合了2WS轉(zhuǎn)向汽車的特性，主要做了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真（定轉(zhuǎn)彎半徑法）和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)。
1穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：這項(xiàng)測試用來檢驗(yàn)轉(zhuǎn)特性和車身側(cè)偏特性。試驗(yàn)方法定轉(zhuǎn)彎半徑法，開始以側(cè)向加速的3米每秒的平方眼半徑為15米的圓周行駛500米進(jìn)行預(yù)熱。然后開始試驗(yàn)設(shè)置如下：
2轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)：測定從轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入開始到所測變量達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值為止的這段時(shí)間內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)過程。這項(xiàng)測試是用來評價(jià)汽車的轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)品質(zhì)。仿真設(shè)置如下：
圖4—1 質(zhì)心側(cè)偏角
圖4—2 空氣阻力圖
圖4—3 前輪轉(zhuǎn)向角變化曲線
圖4—4前扭轉(zhuǎn)力變化曲線
紅線為4WS車輛模型，藍(lán)線為2WS車輛模型，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析:
1在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中4WS車輛模型和2WS車輛模型的質(zhì)心側(cè)偏角開始是基本重合的，但轉(zhuǎn)向后期明顯2WS汽車模型質(zhì)心側(cè)偏角小于4WS汽車模性，并且4WS汽車受到受的空氣阻力明顯小于2WS汽車。
2從方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)的結(jié)果來看，由前輪轉(zhuǎn)向角隨時(shí)間變化曲線圖來看4WS車輛模型比2WS車輛模型對于方向盤的輸入更快的做出反應(yīng)，前輪轉(zhuǎn)向角更快的穩(wěn)定下來。
根據(jù)上面的分析來看4WS車輛比2WS車輛有更好的轉(zhuǎn)向性能和更快的瞬態(tài)響應(yīng)性能，因此可以得到四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性有不錯(cuò)的提升。
總 結(jié)
本文研究了四輪轉(zhuǎn)向?qū)ζ嚥倏v穩(wěn)定性影響。完成這個(gè)課題后發(fā)現(xiàn)，采用動(dòng)力學(xué)理論和相關(guān)軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真不僅能令人滿意的完成這個(gè)工作，而且還擁有減短實(shí)驗(yàn)周期，降低研究開發(fā)成本的優(yōu)點(diǎn)。
本文的主要成果有：
1.通過過對課題的研究，了解了ADAMS建立動(dòng)力學(xué)方程的和求解的一般過程，學(xué)習(xí)并掌握了這個(gè)軟件的使用方法。
2.按照教程建立了四輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型，并使用AMAMS/car建立四輪轉(zhuǎn)向整車模型。
3.不使用聯(lián)合仿真，消除了聯(lián)合仿真設(shè)定和連接誤差的影響，并加快了仿真速度。
本文認(rèn)為，在當(dāng)前工作基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開展以下幾個(gè)方面的研究工作：
1.在更專業(yè)的ADAMS/car上建立更詳細(xì)完整的汽車整車模型，添加更精確的參數(shù)給汽車模型，提高模型與實(shí)車的相似度。
2.搭建具有4WS功能的底盤控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺，進(jìn)行4WS車輛操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，冰將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
3.建立更加符合實(shí)際運(yùn)行情況的動(dòng)力學(xué)模型，把車輛虛擬仿真設(shè)計(jì)和實(shí)際4WS車輛實(shí)際結(jié)合起來。
4.根據(jù)操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，對四輪轉(zhuǎn)向車輛模型進(jìn)行其他項(xiàng)目仿真，并按評價(jià)細(xì)則對控制方法進(jìn)行評估。
5.參考橫擺角速度跟蹤控制建立更加符合實(shí)際情況的模型，仿真分析獲得更加優(yōu)秀的橫擺角速度的響應(yīng)值。
致 謝
在完成論文的過程中，我碰到了各種各樣的困難。我的論文能順利完成，首先我要感謝的是的指導(dǎo)老師趙老師，每次我遇到不懂的地方向她請教時(shí)，她都會(huì)細(xì)心的給我講解問題的關(guān)鍵，幫助我克服困難。從課題的選定到查閱各種資料一直到最后的設(shè)計(jì)完成花費(fèi)了趙老師寶貴的時(shí)間和精力。
我還要感謝我宿舍的各位同學(xué)，他們能耐下性子幫我解決一些我課題中的一些問題，還有和我一個(gè)設(shè)計(jì)小組的同學(xué)他們在我設(shè)計(jì)遇到難點(diǎn)是，總會(huì)為我提出一些建議幫助我完成課題。在此我向這些在我完成本論文過程中提供幫助的朋友表示由衷的感謝。
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