面向主觀評(píng)價(jià)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真研究

1、論文題目：面向主觀評(píng)價(jià)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真研究專 業(yè)：車輛工程指導(dǎo)老師：*教授摘要正文：以虛擬樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真和并行工程為核心的汽車數(shù)字化開發(fā)是繼福特的流水線生產(chǎn)和豐田的精益生產(chǎn)之后最具革命性的重大技術(shù)進(jìn)步。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)搭建汽車數(shù)字化平臺(tái)可以極大的降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，預(yù)先了解產(chǎn)品的性能，為整車開發(fā)技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。目前汽車虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)僅能分析客觀評(píng)價(jià)的汽車穩(wěn)態(tài)工況的性能指標(biāo)，對(duì)于涉及主觀評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)過程尚不能給予設(shè)計(jì)指導(dǎo)。汽車開發(fā)流程的分析調(diào)校階段仍然需要依靠專業(yè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)人員在實(shí)車設(shè)計(jì)出來以后，按照一定的主觀感覺評(píng)價(jià)規(guī)范，通過對(duì)被評(píng)價(jià)汽車的觀察、操縱感受進(jìn)

2、行評(píng)價(jià)。其主要原因就是作為汽車虛擬樣機(jī)核心的汽車動(dòng)力學(xué)模型可以準(zhǔn)確描述汽車的穩(wěn)態(tài)工況的性能指標(biāo)，卻無(wú)法仿真汽車行駛過程中的動(dòng)態(tài)行為，導(dǎo)致汽車無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化開發(fā)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有汽車動(dòng)力學(xué)模型多以描述汽車的開環(huán)固有特性為主，在汽車的客觀評(píng)價(jià)區(qū)段與實(shí)車在穩(wěn)態(tài)工況性能指標(biāo)上能夠達(dá)到相當(dāng)高的一致性，可以用來進(jìn)行汽車主性能的客觀評(píng)價(jià)。而目前還沒有一套公認(rèn)統(tǒng)一的客觀定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，汽車最終的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)手段仍由主觀評(píng)價(jià)來決定。汽車客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大都是針對(duì)汽車穩(wěn)態(tài)工況的性能指標(biāo)，而實(shí)際汽車在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)很多與其不相關(guān)的異?，F(xiàn)象，尤其在汽車的動(dòng)態(tài)行駛過程中的表現(xiàn)尤為突出。隨著車

3、速的不斷提高，汽車的響應(yīng)頻帶加寬，各總成相互影響加劇，出現(xiàn)了愈來愈嚴(yán)重的低速工況下沒有的動(dòng)態(tài)過程現(xiàn)象。現(xiàn)有客觀指標(biāo)，可以有效反應(yīng)汽車穩(wěn)態(tài)工況下的運(yùn)動(dòng)主性能，但不能控制動(dòng)態(tài)過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，而這些異常在實(shí)車開發(fā)中往往只能通過主觀評(píng)價(jià)來進(jìn)行評(píng)判。因此要想提高汽車動(dòng)力學(xué)模型的工程利用價(jià)值，就無(wú)疑需要完善汽車動(dòng)力學(xué)模型，使其不僅能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)汽車的穩(wěn)態(tài)性能，而且能夠描述主觀評(píng)價(jià)的汽車動(dòng)態(tài)過程，從而真正為汽車工程技術(shù)提升和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提高服務(wù)，反過來也會(huì)促進(jìn)汽車虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣和進(jìn)一步的發(fā)展。本文的研究工作主要圍繞汽車主觀評(píng)價(jià)中與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的轉(zhuǎn)向過程的動(dòng)態(tài)仿真問題展開研究。目前模型在轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程的仿

4、真中存在以下不足，主要表現(xiàn)為直線行駛抗干擾能力較差，微小的干擾都會(huì)引起汽車的跑偏；在偏離行駛路線后，自身協(xié)調(diào)穩(wěn)定性描述不準(zhǔn)確，導(dǎo)致回正性與實(shí)車有一定差異；在方向盤中間位置，汽車反應(yīng)過于靈敏，汽車中心區(qū)路感信息描述不足等。針對(duì)上述問題，研究?jī)?nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)集中在以下影響汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)的建模方面：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一體化模型的建立、系統(tǒng)內(nèi)靜動(dòng)摩擦分離模型的建立、考慮胎體彈性的車輪模型的描述、動(dòng)力傳動(dòng)系差速器模型的建立等。然后在驗(yàn)證模型與實(shí)車在穩(wěn)態(tài)操縱性能一致的基礎(chǔ)上，進(jìn)行汽車線路保持性和中心區(qū)等轉(zhuǎn)向工況的動(dòng)態(tài)仿真研究，論證了所建模型的有效性。縱觀全文，可將研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)方面：首先充分調(diào)研了

5、國(guó)內(nèi)外汽車動(dòng)力學(xué)模型的研究進(jìn)展，針對(duì)目前汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的工程需求，分析了無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的原因。限于時(shí)間的原因，本文主要針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程仿真中與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)展開研究，并確定了研究的技術(shù)路線和主要研究?jī)?nèi)容。其次，汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程仿真關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究。針對(duì)汽車模型在轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程仿真中存在的不足，重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：（1）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一體化建模，能夠很好的保證左右車輪的貫通，組成一個(gè)完備的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，真實(shí)的描述左右車輪在汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程仿真中的相互協(xié)調(diào)性，在駕駛員撒手工況下，左右車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以相互協(xié)調(diào)，準(zhǔn)確估計(jì)左右車輪之間的耦合關(guān)系，這種協(xié)調(diào)能力能夠保證汽車具備較好的

6、自身穩(wěn)定性。另外轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包含的慣量、剛度、阻尼、助力等環(huán)節(jié)也會(huì)對(duì)汽車性能產(chǎn)生很大的影響，這就需要建立盡可能詳盡的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，為汽車性能的準(zhǔn)確仿真提供基礎(chǔ)。（2）以往對(duì)汽車系統(tǒng)內(nèi)存在的摩擦環(huán)節(jié)分析時(shí)往往忽視了靜摩擦力的作用效果，用動(dòng)摩擦算法代替靜摩擦力的計(jì)算，使得接觸的兩物體即使在處于靜摩擦狀態(tài)下，依然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度，模型自身抵抗外界微小干擾的能力不足。本文通過在轉(zhuǎn)向球頭銷處建立基于靜動(dòng)分離的摩擦模型能夠有效地模擬汽車自身的抗干擾能力，使得汽車在直線行駛時(shí)，即使存在微小的干擾，依然能夠維持原有行駛線路，這與實(shí)車也是相符的。（3）建立了考慮胎體彈性的車輪模型。通過構(gòu)建胎體和輪胎接地印跡塊

7、組成的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，能夠根據(jù)接地印跡塊動(dòng)力學(xué)方程準(zhǔn)確計(jì)算輪胎的瞬態(tài)滑移率，且保證了輪胎縱向和側(cè)向滑移率的協(xié)調(diào)。采用“六向彈簧阻尼器”描述胎體彈性，能夠有效地估計(jì)車輪制動(dòng)力矩與滾動(dòng)阻力矩的相互關(guān)系，保證汽車通過懸架、胎體的彈性變形自動(dòng)協(xié)調(diào)整車各個(gè)部件關(guān)系的能力。輪胎接地印跡塊與路面的作用力按照動(dòng)靜摩擦分離的方式計(jì)算，通過胎體彈簧阻尼器的受力估計(jì)輪胎在靜摩擦狀態(tài)下的外部作用力，從而可以根據(jù)接地印跡塊的靜動(dòng)摩擦狀態(tài)準(zhǔn)確描述汽車原地轉(zhuǎn)向和起步停車等工況。（4）建立面向結(jié)構(gòu)的差速器模型。以往差速器模型的建立往往基于運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，體現(xiàn)了兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，這種建模方式割斷了左右車輪的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系，不能真實(shí)反

8、映兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速差的自適應(yīng)性。汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)仿真過程中，左右車輪轉(zhuǎn)速差自適應(yīng)性的保證能夠更加真實(shí)的反應(yīng)兩側(cè)差速效應(yīng)對(duì)汽車穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的匹配提供技術(shù)保障。另外，建立整車動(dòng)力學(xué)模型并與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)工況性能指標(biāo)的對(duì)比，驗(yàn)證了模型與實(shí)車的一致性。為后面汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程仿真的研究提供有效地研究對(duì)象，論證了即使模型在穩(wěn)態(tài)工況性能指標(biāo)上與實(shí)車保持較好的一致性，由于缺乏相應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)會(huì)造成汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)過程仿真的不準(zhǔn)確。第三，汽車線路保持性仿真研究。通過施加在實(shí)際汽車行駛過程中可能遇到的各種微小干擾，來驗(yàn)證所建立關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)于汽車抗干擾能力實(shí)現(xiàn)的有效性。由于建立了一體化的轉(zhuǎn)向系

9、統(tǒng)模型，并考慮了靜摩擦環(huán)節(jié)和包含胎體彈性的車輪模型，汽車模型能夠有效抵抗方向盤微小干擾輸入、路面微小不平激勵(lì)、加工和裝配允許誤差造成的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱以及左右車輪的轉(zhuǎn)速差等干擾因素，維持原有線路行駛，提高了汽車模型仿真的逼真度。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一體化建模的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性參數(shù)對(duì)汽車回正性能的影響，進(jìn)而為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和匹配提供參考建議。第四，汽車中心區(qū)性能仿真研究。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車中心區(qū)性能研究成果的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)有試驗(yàn)方法存在的不足，并補(bǔ)充了新的試驗(yàn)方法，進(jìn)而能夠全面反映汽車中心區(qū)的性能。結(jié)合前面嵌入的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靜摩擦環(huán)節(jié)對(duì)方向盤中間位置“路感”和轉(zhuǎn)向靈敏度的影響，并研究了輪胎胎體彈性與中心區(qū)死區(qū)的關(guān)系及其存在的原因。綜上所述，借助現(xiàn)有的理論方法以及仿真條件，在調(diào)