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基于CarSim的轿车中心区操纵稳定性仿真分析
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第54卷第1l期 Vo1.54 No.1l 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING 2016年l1月 November 2016 doi:10.3969/j.issn.1673—3142.2016.11.004 基于CarSim的轿车中心区操纵稳定性仿真分析 康小鹏 。李磊 (J.610106四川省成都市成都学院机械工程学院;2.610039四川省成都市西华大学汽车与交通学院) [摘要]汽车操纵稳定性分析在整车研发及测试过程中具有非常重要的作用。中心区操纵稳定性评价作为构 成汽车操纵稳定性客观评价的重要环节,在2014年以前并未纳入到相关国家标准当中。基于CarSim建立了 某乘用车数字模型,按照GBfr 6323—2014中规定的转向盘中心区操纵稳定性试验方法进行了虚拟试验,并 对试验车中心区操稳性进行了评价。在对国标的评价指标构成体系进行了分析后,对其提出了合理化优化建 议。结果表明:利用Carsim可以快速有效地对汽车操稳性进行仿真分析和评价;国标中客观评价指标体系可 进行适"3优化。 -[关键词]中心区;操纵稳定性;CarSim;仿真分析;虚拟试验 [中图分类号]U461.1 [文献标志码]A [文章编号]1673—3142(2016)11-0014—05 Simulation Analysis of On-center Handling Stability Based on CarSim Kang Xiaopeng ,Li Lei (1.School of Mechanical Engineering,Chengdu University,Chengdu City,Sichuan Province 610106,China; 2.School of Automobile&Transportation,Xihua University,Chengdu City,Sichuan Province 610039,China) [Abstract]Vehicle handling and stability analysis plays a very important role in the process of vehicle development and testing. As an important part of the objective evaluation of vehicle handling and stability,the on—center handling and stbiality evaluation was not included in the relevant national standards before 2014.A passenger car digitl modela was built based on CarSim,after this a vitrual experiment was carried out according to the test method of steering wheel on-center handling stability of GB/T 6323-2014,and the on-center handling stability of the test car was evaluated.After analyzing the evaluation index system of the national standard,the reasonable optimization suggestions were put forward.The results show that it can be used to simulate and evaluate the handling stability of the vehicle quickly and efectively by CarSim,and the objective evaluation index system of the national stndard can be optiamized. [Key words]on-center,handling stability;CarSim;simulation analysis;vitrual experiment O引言 汽车操纵稳定性是影响汽车底盘性能的重要 因素之一。在整车的研发和测试过程中,如何准确 高效地进行操纵稳定性的评价一直以来都是汽车 工程师关注的焦点 ]。目前世界上各大汽车公司 此.利用客观评价指标在汽车设计阶段基于整车 的虚拟数字模型预测其操纵稳定性仍然有其十分 重要的价值。 1中心区操纵稳定性评价 客观评价以量化的指标衡量汽车操稳性的优 劣,就要求能尽可能全面覆盖汽车行驶过程中的 各种工况。根据汽车行驶过程中的侧向加速度与 都有一套适合自己的评价标准以及具备一定汽车 动力学专业知识的操稳性评价工程师队伍[2]。虽 然主观评价仍然被广泛作为操稳性的最终评价手 段。但其缺陷也显而易见:不同评价者的主观感受 存在较大差异;对评价师队伍素质要求较高;试验 过程人力物力成本及危险性高;可重复性差[3]。因 基金项目:四川I省教育厅科技项目(16ZB0166);成都学院青年基 金(2015XJZ17) 车速可作出“车速一侧向加速度”特性场图,如图 1所示.图中将车辆的行驶工况划分为线性区、非 线性区和中心区三个区域。“非线性区”右侧的区 域属于车辆失稳的区域,此时轮胎力已经饱和,此 时操纵稳定性对于车辆而言意义不大,因此不在 本文讨论的范畴。处于“线性区”行驶的车辆产生 的运动响应与驾驶员的操纵输入有较强的线性关 收稿13期:2016—06—03 修回日期:2016—06—08 第54巷 ll期 康小鹏等:基于CarSim的轿车中心区操纵稳定性仿真分析 l5 系,主要反映的是汽车稳定行驶工况 、处于“非线 性【)(”行驶的车辆产生的运动响应与驾驶员的操 纵输入则呈现明显的非线性关系,主要反映汽车 在较高车速或较大方向盘转角T况下侧向加速度 较久的丁况 而处于“巾心区”行驶的车辆也表现 出非线性特性,主要}}{转向系统f摩擦、间隙、动 车公司(如GM,Ford。Toyota等)和零部件供应商 用来进行动力学仿真以及控制系统的开发 根据传统车辆动力学及现代多体动力学理 ∞∞∞∞∞∞∞加0 论.CarSim软件巾将整车模型简化为10个刚体, 总共27个自由度,简化刚体列表和具体自由度数 量如表1所示 表1车辆模型刚体及自由度 Tab 1 Rigid body and degree of freedom of vehicle mode 力转向特性及悬架橡胶衬套等非线性冈素造成的 影响.这些非线性闪素往往也能对汽车的操纵稳 定性有非常大的影响 该【)(域中车辆的响应对于 驾驶员的输入操纵,主要反映的是汽车转向盘转 角不大、转速缓慢等极小侧向加速度时的工况[4]。 0 0 l 0 2 0 3()4 0 5 0 6 0 7 0.8 侧向加速度,g 图1轿车“车透一侧向加速度”特性场图 Fig.1 Characteristic field of vehicle speed vs lateral acceleration 2014年之前.我同汽车操纵稳定性试验标 准 以来主要由稳态回转试验、转向楹阶跃输人 试验、转向盘角脉冲输入试验、转向轻便性试验、蛇 行试验和转向回正性能试验6项试验来评价车辆 的操纵稳定性、 这六项试验主要覆盖线性区和非线 性 ,埘中心区的评价则只有高速转向回正试验稍 有涉及,这与ISO和因际I二知名汽车厂商很早就制 定了该项评价指标_卡}j比 得比较落后,而最新的国 标r1 已经加入了中心 操纵稳定性试验方法。 2基于CarSim的中心区操纵稳定性试验 随着计算机技术与汽车理论研究的发展,全 球各人汽车公司把越来越多的汽车试验1二作放到 虚拟环境中进行.可以节省大量的时间和成本 2.1整车模型 CarSim作为面向系统特性建模的动力学仿真 软件, 依赖于系统具体结构,具有求解速度快、运 算稳定、界面直观等特点,非常适合用于汽车动力 学仿真..其模型精度很大程度上取决于关键子系统 及零部件特性参数的精度,因而近年来被各大汽 模型通过传动系与制动系来确定车轮的制动 和驱动。传动系与制动系模型如图2、图3所示。 通过转向系和悬架K&C特性综合确定车轮的运 动量.再根据相应的轮胎模型计算轮胎力: ,转向 系模型如图4所示。 菀矗 ,—.--、、 车轮转角,一、 转向盘输入 图4转向系模型 Fig.4 Steering system model 16 农业装备与车辆工程 2016正 轮胎模型采用Pacejka魔术公式轮胎模型。该 模型用一套三角函数公式来表达轮胎的纵向力、 侧向力及回正力矩,结构简单、拟合精度高,非常 适合用于分析汽车操纵稳定性[7]。 魔术公式一般形式: y( )=y( )+ 『 y=Dsin(Carctan(Bx-E(Bx-arctan(Bx))))} (1) : +.s l 式中:l,——侧向力、纵向力或回正力矩; ——侧 偏角 或纵向滑移率A;D——峰值因子; —— 刚度因子;卜曲线形状因子;E——曲线曲率 因子;Sh——曲线水平方向漂移; ——曲线垂直 方向漂移。 整车主要参数如表2所示。 表2整车参数 Tab.2 Vehicle parameters 项目 数值 簧载质量/kg 1 11O 横摆转动惯量 k m l 443.1 质心至前,后轴距离/m 1.O4/1.56 前/后轮距/m 1.48/1.485 质心高度/m 0.54 前/后轮侧偏刚度/(N/rad1 —45 240,一63 240 2.2中心区操纵稳定性试验虚拟试验 参照GB/T 6323—2014/,(汽车操纵稳定性试验 ,方法》中汽车中心区操纵稳定性试验的试验规范 进行虚拟试验,采用转向盘正弦波输入,如图5所 示,试验车速100 km/h[引。 瞬 ……捌 八……八…。i 八…俺 ’ … 尽 图5转向盘转角 Fig.5 Steering wheel angle 按照试验标准记录相应数据,试验结果如图 6一图1O所示。 2.3试验数据处理及结果分析 2.3.1试验数据处理 如图11所示,选取与纵坐标轴对称的占横坐 标区间比例60%的区域A对试验记录的5组回 ‘害 一 -Z 5 .. .. . . 胡 1 — 4一i2-io—i— 一 厘 辩 转向盘转角/(。) 图6转向盘力矩与转向盘转角关系 Fig.6 Steering wheel torque vs steering wheel angle 。一 一 l 2 4 6 8 10 12 14 1 一一2 ・一d 黜 据 转向盘转角,(。) 图7横摆角速度与转向盘转角关系 Fig.7 Yaw rate vs steering wheel angle ‘ 一4 . . 10’一 一 {lil! 娅 黜 蜒 转向盘力矩/(N・m) 图8横摆角速度与转向盘力矩关系 Fig.8 Yaw rate vs steering wheel torque 0.2・ - O.1一 . . ... ... —— , . .. Cz 足 4’ 8.1 ’l 1 兽S 转向盘转角,(。) 图9侧向加速度与转向盘转角关系 Fig.9 Lateral acceleration vs steering wheel angle 邑 蟊 ‘\ 3 l_ 2 一一 1、 0... 0. 隶 二二] 侧向加速度 图1O转向盘力矩与侧向加速度关系 Fig.10 Steering wheel torque vs lateral acceleration 第54卷第l1期 康小鹏等:基于CarSim的轿车中心区操纵稳定性仿真分析 17 1——纵坐标迟滞2——横坐标迟滞区A——多项式拟合区 图11迟滞回线 Fig.1 1 Hysteresis loop 线组进行三阶多项式拟合,并绘制迟滞回线,通过 计算可得到标准中所要求的各项试验结果。 由于没有统一的客观评价指标.ISO及世界 各大汽车制造厂商的标准各不相同。我国标准在 借鉴和综合考虑上述各标准后对中心区操纵稳定 性的客观评价指标共计20项。如表3所示。 表3试验结果 Tab.3 Test restJlts 评价指标 试验结果 序号 2 在中心区操稳性的主观评价中通常将驾驶员 … ¨一… .………的主观感受分为4类:滞后特性、灵敏度特性、线 性度特性和路感特性。由于主观评价仍然作为操 稳性的最终评价标准.客观评价应尽可能选择与 主观评价指标相关性较好的指标进行评价。 由表2中可以得出。该试验车滞后特性较为 明显,转向灵敏度较差,由指标9,10,17,18计算 可得线性度较好,易于驾驶,路感较好。 2.3.3评价指标优化 表2中对于滞后特性的评价指标有序号3、 4、6、7、11、12、13、14、16、19、20,对于灵敏度特性 的评价指标有序号l、2、5…8 9 10.对于路感特性 的评价指标有序号15、17、18。可见标准中用于滞 后特性的评价指标较多。没有直接关于线性度的 评价指标。 针对以上问题.结合ISO和世界各大厂商的 评价标准.可以对国标的评价指标进行适当调整 使其更全面和直观。中心区操稳性主要对应汽车 的高速行驶工况.其方向盘转角通常较小.横摆角 速度绝对值较小。且高速时驾驶员对侧向加速度 的变化敏感度明显高于横摆角速度。所以可去除 反映滞后特性的与横摆角速度相关的指标6、7, 指标l4、19表达重复,保留其一即可,故去除指标 19。添加直接描述线性度特性的指标.转向灵敏度 之比al(描述车辆由直线行驶状态到驶离中心区 的过程中,车辆侧向运动响应的一致性)、转向盘 力矩梯度比a2(描述车辆由直线行驶状态到驶离 中心区的过程中,转向盘力矩变化的一致性)。路 感在实际驾驶过程中对于驾驶员的主观感受来说 影响较大,标准中相应评价标准只有3项,因此添 加路感特性的评价指标。转向功灵敏度a3(该指 标过小会使车辆转向沉重、响应迟钝。该指标过大 会令驾驶员有转向过轻车辆发飘的感觉)。调整后 的评价指标如表4所示。 表4调整后的评价指标 Tab.4 Adjusted evaluation index 评价指标分类 评价指标序号 滞后特性 3,4、11 12、13 14 16、20 灵敏度特性 1、2、5、8、9、10 线性度特性 a1、a2 路感 l5、17、18、a3 3总结 …一 通过对某轿车进行转向盘中心区操纵稳定性 仿真分析可以看出:在已获取车辆系统特性参数 的情况下,利用CarSim可以快速有效地进行汽车 18 农业装备与车辆工程 Co.Kg,2002. 2016拄 操稳性试验,并对其性能进行评价。中心区操稳性 客观评价指标世界范围内还没有统一的标准.国 [2]SchoegglP,RamschakE.Vehicle drivability assessment using neur ̄networks for development,calibration and quality tests 标评价体系中存在冗余的评价指标以及缺少对线 性度特性的直接评价指标。同时也应该看到本文 还有很多未尽考虑的地方:(1)由于主观评价的离 散程度较高,个体差异大(受时间、地点、个人习 [R].SAE,2000-01-0702,2000. [3] 白艳,贾鑫,宗长富,等.汽车操纵稳定性客观评价方法综述 [J].科学技术与工程,2012(6):1339—1347. [4]王长青.乘用车中心区操纵稳定性客观评价指标体系研究 惯、心理等因素综合影响),驾驶员主观感受的客 观量化的准确性和可靠性有多高。(2)本文模型中 驾驶员为开环控制模型.与实际环境存在误差。 [D].长春:吉林大学,2012. [5] Mechanical Simulation Corporation.CarSim reference manual, Version 6.03[R].2005—07. [6] 李志魁.基于CarSim的整车动力学建模与操纵稳定性仿真 分析[D].长春:吉林大学,2007. (3)模型未考虑驾驶员精神负担。在今后的研究中 可以对以上欠缺的方面继续展开研究。 参考文献 [7]Paeejka H B,Bakker E.A new tire model with an application in vehicle dynamics studies[C].SAE,890087.1989. [8]GB/T 6323—2014,汽车操纵稳定性试验方法[S]. 作者简介康小鹏,讲师,博士研究生,主要研究方向:车辆系统动 力学及其控制。E—mail:setem1949@foxmail.com [1]Benrn Heissing,Hans Jfirgen Brand1.Subjektive beurteilung des fahrverhahens[M].Wurzburg:Vogel Business Media Gmbh& 未来十年机器人和人工智能将带来多行业冲击 1.汽车 人手组装iPhone中的细小零件。 5.农业 未来5年.大部分新车将成为更为智能的“互 联汽车”。到2025年,大约有10%的新车将完全实 现无人自动驾驶。日本即将开始对“机器人出租 车”进行使用测试.这种出租车将会在2020年东 京奥运会期间承担起运输任务。 2.金融 机器人和人工智能在对于农业发展的改变也 显而易见。未来将会有更多无人驾驶的拖拉机、无 人机和挤奶机出现在农场里。到2025年,农民可 以利用人工智能技术和大数据分析手段来优化农 作物的产量。 6.服务业 金融领域的最大变革在于传统的投资专家将 被机器人金融顾问所取代。到2020年,全球金融 市场将会有价值2.2万亿美元的投资活动由人工 智能计算机完成。金融业的发展模式将由高频交 易和复杂算法向全自动资金管理转变。 3.医疗保健 伴随着越来越多个人定制化机器人的诞生, 服务行业发展前景也将迎来巨大的变革。机器人 的加入可以替代人类承担更多简单单调、危险又 或是繁琐的工作。 7.人工智能 到2024年。人工智能技术市场价值或达到 未来的医院将利用机器人完成各方面的工 作.从关键性手术到照顾残障病人等等。2000年 时全球大约有1 000台手术是由机器人辅助参与 的.而到2014年这一数字猛增至57万台,而在未 来还会继续增加。科技的应用将有效弥补受训医 疗人员的短缺。 4.制造业 430亿美元。在2040年至2050年之间,完全人工 智能f即一台计算机能够真正地模仿人类思维的 技术1有50%左右的机会可以实现,到2075年这 一可能性将上升到90%。 8.航空航天和国防 如今全世界大约有90个国家使用无人机,其 中30个国家使用武装无人机。未来5年内,全球 商用和军用无人机的数量预计将增长2倍。与此 目前全世界有1O%的制造工作由机器人完 成,随着机器人成本的降低,这一比例在未来10 年内将上升至45%。制造机器人的功能也越来越 强大,尽管有部分制造工作还需要人工完成,但诸 如富士康这样的公司已经投资研发机器人来替代 同时.陆地用全自动军用汽车和机器人也正在研 发之中。
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