基于CARSIM的汽車操縱性研究

基于CARSIM的汽車操縱性研究摘要：此論文講述了汽車在不同速度、簧載質(zhì)量、懸架剛度、阻尼系數(shù)等各種條件下汽車的操縱性狀況，并以此分析影響汽車操縱性的各種因素，綜合對比得出最佳操縱性參數(shù)，根據(jù)汽車在不同參數(shù)條件下的行駛特點，運用CARSIM仿真軟件的汽車動力學模型，并進行建模分析，最后對汽車的操縱性進行曲線和動畫仿真研究，比較各種參數(shù)下的曲線和動畫優(yōu)缺點，最終得出合理結(jié)論。關(guān)鍵詞：操縱性影響因素CARSIM汽車動力學仿真研究引言車輛的操縱性是車輛可以很精確地跟隨駕駛員的思想和操作指令。簡單地說，汽車司機要在非直線道路或不平的路面完成或操縱的轉(zhuǎn)向而且轉(zhuǎn)向是合理的，而不是轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足的現(xiàn)象，這對汽車操縱穩(wěn)定性的評價，提供了合理的依據(jù)。汽車的操縱性往往與穩(wěn)定性密切相關(guān)，可以稱之為操作穩(wěn)定性。車輛操縱穩(wěn)定性對駕駛員在正常的精神狀態(tài)或身體狀態(tài)有著不過分的緊張情緒，駕駛汽車仍能根據(jù)我自己的想法去行駛；如果遇到轉(zhuǎn)彎、大風、路面不平等非正常情況，操縱車還能抵抗這些非正常條件的干擾，并能正常行駛，這是就是汽車操縱穩(wěn)定性。［1］車輛操縱穩(wěn)定性一方面會涉及車輛駕駛的操縱難易情況，另一方面它也決定車輛在中高速行駛時的安全性能，與此同時還或多或少的干涉到車輛其他性能，其主動安全性占據(jù)主導，重點體現(xiàn)著汽車技術(shù)含量，也是國內(nèi)眾多汽車企業(yè)競爭的焦點。此篇論文主要圍繞汽車操縱性做研究分析，并且對穩(wěn)定性做簡要的介紹。1意義及現(xiàn)狀分析如今,我國的車輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，并且已經(jīng)開始走進一個新的階段，汽車已經(jīng)普及千家萬戶，可是汽車普及必然帶來一定的負面影響，汽車的安全性能有待日益改善，而汽車的操縱穩(wěn)定性絕大部分取決于汽車車輪，汽車輪胎在不同條件下的操縱性如何，必然關(guān)系著人身及財產(chǎn)的安危，所以需要對汽車的操縱性進行研究分析，并且選擇最佳操縱方案。1.1意義本文結(jié)合汽車的操縱性研究，采用不同的汽車參數(shù)進行比較，運用CARSIM軟件模型對汽車進行整車建模和仿真分析，最終得出最佳結(jié)論。此論文的研究意義如下：(1)對選定車輛進行系統(tǒng)性能實驗（參照他人實驗結(jié)論），運用CARSIM仿真軟件對汽車進行整車建模分析。(2)對選定的車輛操縱穩(wěn)定性分析實驗，基于選車CarSim仿真分析結(jié)果是第一階段的績效評價，從而可以靈活方便的設(shè)置測試過程和測試環(huán)境，精確定義每個車輛系統(tǒng)的屬性文件和特征參數(shù)。這是汽車研發(fā)是最重要的一步。(3)運用CARSIM軟件對車輛采用開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合的汽車操縱穩(wěn)定性仿真方法，可以增進我們對此軟件仿真的認識，對于車輛底盤、輪胎開發(fā)具有重要意義。1.2CARSIM軟件的現(xiàn)狀分析CARSIM仿真軟件美國機械仿真公司MSC（MechanicalSimulationCorporation）在1996年開發(fā)的一種車輛動力學仿真軟件，此軟件的動態(tài)仿真來源于美國密西根大學運輸研究中心（theUniversityofMichiganTransportationResearchInstitute)理論與實踐的多年積累。CARSIM軟件擁有準確、迅速、容易操作的優(yōu)點。而且CARSIM可以模擬出汽車在各種路況中車輛的加速、制動和汽車方向盤調(diào)節(jié)，運用動畫效果和曲線圖清晰直觀的研究并分析車輛對駕駛員，空氣動力學和路面輸入的各種響應(yīng)。預測和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性、動力性和經(jīng)濟性，同時被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)。CarSim仿真軟件的仿真機械公司MSC（1996機械仿真公司開發(fā)的汽車動力學仿真軟件，該軟件的動態(tài)仿真源在運輸研究中心在密歇根大學交通研究所密歇根大學）積累多年的理論與實踐探索。CarSim軟件具有準確、快速的優(yōu)點，操作方便。分析可以模擬汽車所有道路車輛在加速、剎車和方向盤的調(diào)整以及使用動畫和圖形的驅(qū)動程序的清晰直觀的分析和研究，空氣動力學和路面輸入響應(yīng)。車輛操縱穩(wěn)定性、制動性能、乘坐舒適性、動力性和經(jīng)濟性的預測與仿真在現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)的發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在汽車動力性能不斷提高，如發(fā)動機缸數(shù)增加，渦輪增壓系統(tǒng)能顯著增加汽車動力性能，使汽車速度更快，但車在高速化的過程中如果過快轉(zhuǎn)向，如遇上冰雪雨造成地面潮濕天氣造成車輛橫向滑動或轉(zhuǎn)向不輕彈，駕駛員造成危及生命。這是風雨天氣，交通事故頻發(fā)的原因。當車輛在行駛過程中的快速轉(zhuǎn)向，離心力的汽車將汽車的后輪，車輪側(cè)的力量大于或等于地面時的附著力。車輛橫向滑移問題，導致車輛過多轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。另一種情況是在制動曲線道路由于汽車制動力不均勻時，車輛，也將導致汽車甩尾、側(cè)滑，導致車輛失去操縱穩(wěn)定性。通常的汽車操縱穩(wěn)定性控制，通常采用橫擺角速度和質(zhì)心的側(cè)方向速度用作評價汽車失去操縱穩(wěn)定性的基準。車輛橫向速度值可以反映車輛側(cè)滑角的變化。車輛操縱穩(wěn)定性和駕駛?cè)说陌踩允蔷o密相連的，車輛行駛過程主要是通過轉(zhuǎn)向和制動來實現(xiàn)，如果車輛的穩(wěn)定性好，當暴露于外界干擾時，車輛行駛的偏差比較少，駕駛員可以有充分的時間使用車輪和制動系統(tǒng)來糾正偏差，遇到外的偏差和偏差都很快增加，要控制可能發(fā)生事故［2］。2CARSIM軟件介紹此小節(jié)針對CARSIM進行簡要介紹，包括CARSIM軟件的組成和CARSIM汽車模型介紹兩個方面。CarSim軟件特點：使用方便，操作快速，準確的模擬，良好的可擴展性，行業(yè)標準的軟件。CarSim使用的參數(shù)特性的建模思想的形式，簡單清晰的操作界面，用戶可以了解車輛模型，模擬分析的結(jié)果，適合于汽車的動態(tài)仿真。用戶可以準確、快速地利用軟件進行仿真研究，為機械工程設(shè)計提供參考。2.1CARSIM軟件三個組成部分：1.圖形化數(shù)據(jù)庫包括控制數(shù)據(jù)庫的方向和速度，數(shù)據(jù)庫的外部環(huán)境（道路、外部風）和車輛模型數(shù)據(jù)庫三部分。這三個數(shù)據(jù)庫涉及人-車-路三部分。數(shù)學模型求解器在數(shù)學模型的求解，仿真時間可以設(shè)置，并仿真步長一系列的信息，這是最重要的操作分析。CarSim可以用C語言、Matlab／Simulink的連接，方便、快速、準確。仿真結(jié)果后處理CARSIM軟件的后處理能力非常強大，其中包括曲線圖形和動畫仿真兩個方面。操作者可以根據(jù)某一個輸出特性參數(shù)隨著時間的變化或另外一種特性參數(shù)值變化的曲線，還可以根據(jù)動畫仿真直觀了解車輛的響應(yīng)，并做定量分析。CARSIM整車模型介紹CarSim軟件結(jié)合現(xiàn)代多體動力學與傳統(tǒng)的車輛動力學方法建模思想，并簡化了。如圖所示剛體數(shù)量自由度數(shù)量簧載質(zhì)量1簧載質(zhì)量的移動自由度（X、Y、Z)3非簧載質(zhì)量4非簧載質(zhì)量自由度4車輪4車輪旋轉(zhuǎn)自由度4發(fā)動機1傳動系旋轉(zhuǎn)自由度1總數(shù)10輪胎瞬態(tài)特性自由度8制動壓力自由度4總數(shù)27車輛模型的簡化3CARSIM整車模型的建立及車輛模型系統(tǒng)介紹CarSim軟件模型包括七個子系統(tǒng)，包括車身、輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架、制動系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、空氣動力學。結(jié)合起來，我們可以建立一個多自由度的車輛模型，包括彈簧負載的自由度，非彈簧負載的自由度，車輪的轉(zhuǎn)動自由度等。CARSIM汽車模型CARSIM軟件整車模型所包括的子系統(tǒng)以下分別對車輛模型系統(tǒng)具體的參數(shù)和曲線以及如何獲取進行進一步分析研究，其中曲線的獲取在仿真中分析。3.1車體（SprungMassfromWholeVehicle)車體部分也作為建模部分，主要介紹了汽車的質(zhì)量、外形尺寸參數(shù)汽車質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量、尺寸參數(shù)沒有嚴格的實驗采集，但通過查閱相關(guān)資料和理性選擇的參考軟件CarSim，因為水平約束和參數(shù)的選擇并不是最準確的，但相對合理的。具體如下：序號具體參數(shù)數(shù)值單位整車質(zhì)量M1車寬1880mm2車高1480mm3軸距3050mm4輪距1600mm5質(zhì)心高度h530mm6質(zhì)心距前軸距離x1400mm7簧載質(zhì)量M1650kg8前輪高度h320mm9后輪高度h300mm10轉(zhuǎn)動慣量928.1Kg-11轉(zhuǎn)動慣量2788.5Kg-12轉(zhuǎn)動慣量3234.0Kg-圖3.1.1:車體（SprungMassfromWholeVehicle)界面在CarSim坐標系統(tǒng)建立一個相對完整的車體的界面，如圖所示：在CarSim軟件，你可以使用車輛前輪軸中心的高度確定車輛坐標系的坐標原點，通常輸入一定載荷下車輪半徑。汽車左、右對稱平面內(nèi)定義X軸線，車頭前面是正面的；Z軸的方向垂直于地面的方向，上方為正；利用右手定則確定Y軸，向右為正方向。圖3.1.2CARSIM汽車坐標系3.2輪胎（Tires)圖3.2.1CARSIM中輪胎（Tires)界面CARSIM具體參數(shù)值如下:參數(shù)數(shù)值Effectiverollingradius（有效轉(zhuǎn)動半徑）365mmUnloadedradius(非承載半徑）390mmSpringrate(彈簧剛度）420N/mmMaximumallowedforce(最大承載壓力）N100000Rollingresistancemoment(旋轉(zhuǎn)阻力矩）不懂輪胎參數(shù)175/65R143.2.1輪胎的坐標系在CARSIM軟件中建立輪胎坐標系是為了研究輪胎的力學特性，如圖所示：在垂直汽車輪胎旋轉(zhuǎn)軸線的車輪中分平面設(shè)為車輪平面，車輪旋轉(zhuǎn)軸線在地平面上的投影線與地平面和車輪平面的交線的交點定義為坐標系的原點。地平面和車輪平面的交線記為X軸，取向前為正。Z軸與地平面垂直，取上方為正。Y軸位于地平面，取面向車輪前進方向左方向為正。圖中還標記了地面切向反作用力Fx、地面?zhèn)认蚍醋饔昧y、地面法向反作用力Fz、回正力矩Tz（地面反作用力繞Z軸的力矩）、側(cè)偏角α（輪胎接地印記中心位移方向與X軸的夾角）、外傾角β（垂直平面與車輪平面的夾角）。（待改動）圖3.2.2CARSIM輪胎模型3.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SteeringSystem)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SteeringSystem）界面3.3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對研究汽車的操縱性至關(guān)重要，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞很大一部分決定了操縱性如何，因此在論文中主要研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，也是建模的另一部分。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求就是工作要可靠、操縱要輕便、汽車在轉(zhuǎn)向時車輪盡可能的做純滾動盡可能的減少滑動，否則會導致汽車漂移甩尾現(xiàn)象，如果轉(zhuǎn)向輪收到的沖擊較大或者方向盤的感覺太明顯（打手），對駕駛員是不利的，所以要確保駕駛員有很好的路面感覺。如下為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)的一些參數(shù)布置：具體參數(shù)數(shù)值Columninertia(轉(zhuǎn)向柱慣量）0.02Systeminertia(系統(tǒng)慣量）0.0001Columndamping(轉(zhuǎn)向柱阻尼）0.01Nm-s/degColumnhysteresis(轉(zhuǎn)向柱干摩擦）0.1NmHysteresisrefangle(參考角度）0.5deg轉(zhuǎn)向系內(nèi)參數(shù)布置如下為主銷幾何學參數(shù)：在后面的CARSIM軟件仿真中將著重介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中主銷力矩、車輪轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向力矩、方向盤轉(zhuǎn)角、車輛縱向加速度、不足轉(zhuǎn)向梯度等隨汽車參數(shù)的變化而變化的情況。3.3.2CARSIM轉(zhuǎn)向系模型在CARSIM汽車模型中，轉(zhuǎn)向受到兩個特性的影響：懸架K&C特性和轉(zhuǎn)向系特性。兩個特性效應(yīng)疊加達到總體的轉(zhuǎn)向效果，下面介紹轉(zhuǎn)向系的影響。CARSIM轉(zhuǎn)向系包括彈性運動學特性（Compliance)和轉(zhuǎn)向系運動學特性（Kinematics),下面簡稱K特性和C特性。Roadwheelsteer（車輪轉(zhuǎn)向）Roadwheelsteer（車輪轉(zhuǎn)向）OutOutOutOutInInInInGearratio+Compliance+ComplianceGearratio+Compliance+ComplianceCARSIM轉(zhuǎn)向系模型車輪轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的關(guān)系如圖所示，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器輸出之比由GearRatio（傳動比）表示。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的彈性輪角度的變化，在轉(zhuǎn)向力矩變動的時候，左、右車輪被干擾。3.4懸架系統(tǒng)（Suspension)在CARSIM軟件懸架選項里有扭轉(zhuǎn)梁懸架、獨立懸架、非獨立懸架三種懸架形式。運動學（Kinematics)特性和彈性運動學(Compliance)特性都存在于三種懸架中，而此篇論文只針對獨立懸架做研究分析。3.4.1獨立懸架運動學特性（IndependentSuspensionkinematics)獨立懸架運動學特性界面此界面講述了獨立懸架的運動學特性（K特性），詳細參數(shù)如下：序號具體參數(shù)數(shù)值單位1非簧載質(zhì)量（Unsprungmass）90kg2部分轉(zhuǎn)向（Fractionsteered）0.803車輪轉(zhuǎn)動慣量（spininertia）0.94前輪輪心高度320mm5后輪輪心高度300mm6車輪外傾角值（camber）Left:0、right:0deg7車輪前束角值（toe)Left:0.1、right:0.1deg除此之外，在獨立懸架運動學特性中還定義了一系列參數(shù)隨輪跳的變化曲線，主銷后傾角、車輪外傾角線、輪心縱向位移、輪心側(cè)向位移和車輪前束角。由于汽車在行駛過程中，車輪的質(zhì)量中心和車輪的中心位置發(fā)生改變，從而會影響車輛的控制。3.4.2獨立懸架彈性運動學特性（IndependentSuspensionCompliance)獨立懸架彈性運動學界面（C特性）界面在此界面中主要包含了C特性參數(shù)，前懸架的剛度為34N/mm,后懸架剛度為46N/mm.詳細參數(shù)曲線有減振器速度特性曲線、橫向穩(wěn)定桿輔助側(cè)傾剛度曲線和懸架彈性特性曲線。懸架的C特性曲線通常是線性關(guān)系，所以C特性系數(shù)在CARSIM軟件中可以用來論述車輪中心位置以及輪胎參數(shù)定位隨汽車車輪受到外力變化的情況，詳細情況如下：序號變化參數(shù)LeftRight1前束角與縱向力系數(shù)（Toe/)-1.9e-6-1.9e-62外傾角與縱向力系數(shù)（Camber/)003輪心縱向位移與縱向力系數(shù)（Longitudinaldisplacement/)2.0e-42.0e-44前束角與側(cè)向力系數(shù)（Steer/)-3.3e-5-3.3e-55車輪外傾角與側(cè)向力系數(shù)（Inclination/)5e-55e-56輪心側(cè)向位移與側(cè)向力系數(shù)（Lateraldisplacement/)2.2e-52.2e-57前束角與回正力矩系數(shù)（Steer/)1.4e-41.4e-48外傾角與回正力矩系數(shù)（Inclination/)-5.3e-5-5.3e-5在懸架K&C特性中，前束角的變化是由懸架引起的轉(zhuǎn)向效應(yīng)，車輪的最終轉(zhuǎn)向角是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能和懸架引起的轉(zhuǎn)向組合，本文并不對此做過多贅述。3.5傳動系（Powertrain)本文傳動系采用的是前輪驅(qū)動，符合大多數(shù)汽車車型。傳動系界面汽車傳動系由傳動系由離合器、變速器、萬向傳動裝置和驅(qū)動橋組成，在CARSIM詳細參數(shù)如下：序號變化參數(shù)曲線或數(shù)值1發(fā)動機萬有特效曲線略2離合器特性曲線略3離合器扭轉(zhuǎn)剛度略4變速器各檔齒輪傳動比及轉(zhuǎn)動慣量5變速器各檔位傳動效率6加減檔時刻表略7減速器力矩特性曲線略8發(fā)動機功率125kw9內(nèi)部傳動6-speedtransmission10阻尼系數(shù)（dampratio）0.9變速器各檔齒輪傳動比及轉(zhuǎn)動慣量在傳動系中只對傳動比和轉(zhuǎn)動慣量做簡單的介紹，并不深究。3.6制動系（Brakes)制動系界面在CARSIM汽車制動系中可以描繪出制動力矩曲線以及制動壓力分配曲線等。具體性能參數(shù)如下：序號性能參數(shù)LeftRight1流體運動學時間常數(shù)0.06sec0.06sec2流體傳遞滯后003ABS開啟和關(guān)閉的滑移率門限值OFF0.2、ON0.5OFF0.2、ON0.54ABS工作最低車速沒找到5制動力矩250N-m/MPa150N-m/MPa3.5空氣動力學（Aerodynamics)圖3.5空氣動力學界面在CARSIM汽車空氣動力學中的一系列具體參數(shù)如下：序號性能參數(shù)1空氣動力學參考點坐標2車輛正投影面積3空氣動力學力矩參考長度4空氣動力學六分力系數(shù)與側(cè)風角度的關(guān)系曲線空氣動力學部分也不作為論文研究重點4CARSIM操縱性仿真分析操縱性對于汽車的行駛、安全至關(guān)重要，并且在大學汽車專業(yè)課的學習中曾做過汽車操縱性的實驗，包括轉(zhuǎn)向輕便型實驗、穩(wěn)態(tài)回正實驗、高速回正實驗、低速回正實驗、轉(zhuǎn)向角脈沖實驗、轉(zhuǎn)向角階躍實驗等等，由于本文選定的車輪模型實驗受到限制，故省略了對選定汽車的操縱性試驗，直接利用理論實驗結(jié)果并根據(jù)理論知識及向指導老師學習之后，利用CARSIM仿真軟件進行深入分析。在CARSIM仿真中運用到以下基本可變數(shù)據(jù)：車速、簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量、懸架剛度、懸架阻尼系數(shù)。以下是可變數(shù)據(jù)的默認值序號參數(shù)數(shù)值單位1速度120Km/h2簧載質(zhì)量1650kg3非簧載質(zhì)量90kg4懸架剛度前懸架34、后懸架46N/mm5懸架阻尼系數(shù)06仿真數(shù)據(jù)選擇六個與汽車操縱性相關(guān)的曲線圖，分別是:（1）主銷力矩（KingpinTorque)隨時間的變化曲線圖（2）車輪轉(zhuǎn)向角（RoadWheelSteerAngle)隨時間的變化曲線圖（3）轉(zhuǎn)向力矩（SteerTorque)隨時間的變化曲線圖(4）阻尼力（DampingForce)隨時間的變化曲線圖(5)方向盤轉(zhuǎn)角（SteerWheelAngle)隨時間的變化曲線圖(6）不足轉(zhuǎn)向梯度（UndersteerGradient)對比側(cè)向加速度（LatAccel)的變化曲線4.1CARSIM速度仿真研究如果汽車的操縱性較差并且發(fā)生跑偏時，駕駛員需要轉(zhuǎn)動方向盤進行方向矯正，所以駕駛感覺較差，給駕駛帶來很大的負擔，如果長途駕駛導致的疲勞程度會更大，因為駕駛員要時刻保持汽車能沿著直線行駛，如果在筆直的道路汽車行駛的軌跡彎彎曲曲，一方面導致燃油消耗嚴重，另一方面也會加快輪胎或者汽車零部件的磨損。當汽車磨損達到一定程度汽車的操縱性就會變得更差，形成惡性循環(huán)，久而久之交通事故就很難避免在CARSIM速度試驗中采用三種速度進行仿真，分別為80km/h、120km/h、200km/h，三種速度對比分析梯度較大，目的是為了得到更有效的結(jié)果對比，以下是CARSIM仿真分析結(jié)果。120km/h仿真結(jié)果4.1.1不同車速對比分析仿真曲線選用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steeringsystem）中的一些參數(shù)，包括主銷轉(zhuǎn)矩、車輪轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)向力矩、方向盤轉(zhuǎn)角、阻尼力、不足轉(zhuǎn)向與車輪縱向加速度等，以下是速度仿真曲線如圖： 圖1不同車速下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同車速下的車輪轉(zhuǎn)向力矩對比圖3不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同車速下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同車速下的輪胎側(cè)向力對比 圖5不同車速下的不足轉(zhuǎn)向梯度對比由以上仿真曲線對比可得到結(jié)論：（1）行駛速度較低的汽車操縱性相對好些，切各項參數(shù)變化較為平穩(wěn)，基本不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向失穩(wěn)、滑移等現(xiàn)象，所以低速行駛?cè)绻倏v性能不好導致汽車跑偏，告訴情況下一定會發(fā)生跑偏，而在告訴行駛發(fā)生跑偏，低速則不一定。（2）如果汽車在超速行駛時會主銷轉(zhuǎn)矩、車輪轉(zhuǎn)向角會發(fā)生非常頻繁的波動，不足轉(zhuǎn)向梯度在告訴轉(zhuǎn)向過程中會出現(xiàn)峰值，這也應(yīng)該是國家在設(shè)定高速公路120km/h的依據(jù)之一，防止因轉(zhuǎn)向操縱失穩(wěn)而發(fā)生交通事故。隨著汽車速度升高轉(zhuǎn)向力矩逐漸變大，具體參見縱坐標數(shù)值，當車速超過一定值時，當輪胎可提供的側(cè)向力達到飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)向力矩并發(fā)生一定的緩慢波動，基本不再增加隨后開始減小，總的回正力矩不再增加。4.2CARSIM簧載質(zhì)量仿真研究在CARSIM軟件中簧載質(zhì)量的默認值為1950kg,非簧載質(zhì)量默認值90kg（無法變動),通過改動簧載質(zhì)量的數(shù)值來對比分析仿真結(jié)果，分別采用簧載質(zhì)量為1500kg、1650kg、1900kg進行對比研究。以下是仿真曲線：圖1不同簧載質(zhì)量下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同簧載質(zhì)量下的車輪轉(zhuǎn)向力矩對比圖3不同簧載質(zhì)量下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同簧載質(zhì)量下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同簧載質(zhì)量下的阻尼力對比圖6不同簧載質(zhì)量下的不足轉(zhuǎn)向梯度對比簧載質(zhì)量是懸架以上并且由彈性元件支撐的汽車零部件的質(zhì)量，所以在懸架以下不受支撐的部件屬于非簧載質(zhì)量，包括車橋和車輪，本文討論的是簧載質(zhì)量的變化引起的汽車操縱性變化，暫不討論非簧載質(zhì)量。通過曲線仿真分析得出以下結(jié)論：4.3CARSIM懸架剛度仿真研究本文車輛的懸架采用的是獨立懸架，懸架剛度對汽車的操縱性會產(chǎn)生一定的影響，如果懸架剛度較小或者懸架比較軟，可以提高汽車的舒適性，但是操縱性將會相對降低，汽車舒適性與汽車操縱性往往成反比，以下采用不同的懸架剛度來研究汽車操縱性。4.3.1不同懸架剛度對比分析仿真曲線如下：圖1不同懸架剛度下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同懸架剛度下的車輪轉(zhuǎn)向力矩對比圖3不同懸架剛度下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同懸架剛度下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同懸架剛度下的阻尼力對比圖5不同懸架剛度下的不足轉(zhuǎn)向梯度對比4.4CARSIM懸架減振器阻尼系數(shù)仿真研究減振器阻尼增大時，耗散的能量會增加，懸架動撓度在車身和懸架共振區(qū)的幅值都降低，而兩共振區(qū)之間動撓度幅值幾乎沒有變化．圖1不同車速下的主銷轉(zhuǎn)矩對比圖2不同車速下的車輪轉(zhuǎn)向力矩對比圖3不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)角對比圖4不同車速下的車輪轉(zhuǎn)角對比圖5不同車速下的阻尼力對比圖5不同車速下的不足轉(zhuǎn)向梯度對比4汽車操縱穩(wěn)定性的評價汽車操縱穩(wěn)定性關(guān)系到車輛的諸多方面，對操縱穩(wěn)定性進行評價需要運用非常多的物理參量。最基本的兩種評價方法是主觀評價和客觀評價。4.1車輛操穩(wěn)性評價的基本概念想要更好的研究車輛操穩(wěn)性的評價，首先要分析評價的幾個基本概念。4.1.1擾動反應(yīng)評價和指令反應(yīng)評價車輛行駛時，車輛是在2個方面輸入，一是由路面帶來的不平坦或降雪天氣擾動輸入即擾動響應(yīng)評價。二是驅(qū)動程序自己的指令輸入命令響應(yīng)評估。4.1.2角輸入反應(yīng)評價和力輸入反應(yīng)評價采用角輸入來控制車輛的轉(zhuǎn)向角輸入響應(yīng)評價汽車司機評價，汽車司機輸入力來控制車輛的轉(zhuǎn)向評價威力輸入響應(yīng)評價。4.1.3不同工作點的評價在日常生活中，車輛行駛速度、行駛速度、地面附著條件等不同，使車輛行駛工況多變。因此，在綜合考慮車輛速度，有什么樣的道路條件和橫向加速度的情況下，進行了全面的評價。和三維點建立的一些工作條件是“工作點”。4.1.4線性區(qū)評價和非線性區(qū)評作為一個復雜的非線性系統(tǒng)，車輛需要分為兩個區(qū)域：線性區(qū)域和非線性區(qū)域。在地面上，車輛具有小的接地系數(shù)是一個較大的轉(zhuǎn)向運動設(shè)置的非線性區(qū)域評價，而在地面上的車輛與地面上的一個大的接地系數(shù)做一個小的轉(zhuǎn)向運動的非線性區(qū)評價。車輛通常在線性區(qū)域，所以線性評價是車輛保持良好的操縱性和穩(wěn)定性的基本評價。非線性區(qū)域的車輛將導致車輛操縱穩(wěn)定性和嚴重惡化，并在非線性區(qū)域發(fā)生嚴重的交通事故，因此對車輛的非線性評價是保持良好的處理和穩(wěn)定的重要性4.1.5穩(wěn)態(tài)評價和動態(tài)評價穩(wěn)態(tài)指的是車輛的速度是恒定的，沒有外界干擾，方向盤指示不改變，車輛的輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)的平衡。當車輛達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時，則是穩(wěn)態(tài)評價。然而，這是很少在實際車輛運動中實現(xiàn)的。對車輛的接受程度進行評價，對車輛的轉(zhuǎn)向命令的穩(wěn)定平衡狀態(tài)進行動態(tài)評價。所有車輛的運行問題都來自于動態(tài)響應(yīng)，因為在穩(wěn)定狀態(tài)下沒有穩(wěn)定問題。穩(wěn)態(tài)特性是汽車的結(jié)果具有的基本條件和穩(wěn)態(tài)實驗良好的動態(tài)特性可以達到非線性區(qū)域，或限制側(cè)滑，但動態(tài)測試不是那么容易。穩(wěn)態(tài)評價操作簡便，可通過穩(wěn)態(tài)評價對汽車動力特性進行進一步研究。4.1.6開環(huán)評價和閉環(huán)評價開環(huán)評價是實驗評價的主要方法，它指的是不考慮駕駛員特征，只考慮車輛自身性能的評價，閉環(huán)評價是綜合考慮駕駛員和車輛本身的評價，更加全面。然而駕駛員因人而異，不能完全達到統(tǒng)一的標準。開環(huán)評價是實驗評價的主要方法，它是不考慮駕駛員的特性，只考慮對車輛本身性能的評價，對閉環(huán)評價是綜合考慮駕駛員和車輛本身的綜合考慮，比較全面。然而，司機因人而異，不能完全符合統(tǒng)一標準。路面不平側(cè)風駕駛?cè)寺访娌黄絺?cè)風駕駛?cè)寺访鏃l件路面條件汽車運動（橫擺、側(cè)傾汽車運動（橫擺、側(cè)傾......)駕駛員的手腳交通狀況汽駕駛員的手腳交通狀況汽車氣候氣候4.1.7主觀評價和客觀評價（待改動）1、主觀評價汽車操穩(wěn)性主觀評價是一個合理的評價，使評估人員根據(jù)測試，以評估他們的感情。根據(jù)項目和評價標準的規(guī)定，也有一個閉環(huán)評價。主觀評價的優(yōu)點：（1）主觀評價主要考慮到人自身的條件，更加切合實際狀況，駕駛員自己來操縱汽車，所以操穩(wěn)性的最終評價方法依舊是主觀評價法；（2）駕駛員自身在進行主觀評價試驗時，還能發(fā)現(xiàn)實驗儀器檢驗不到的問題。主觀評價的缺點：主觀評價受很多因素的影響,評價的結(jié)果不同的司機會有很大差異；（2）一般來說,它不給“性能”和“汽車結(jié)構(gòu)”這兩者之間有什么聯(lián)系信息。（3）在設(shè)計階段產(chǎn)生的原型,因此增加成本評估和設(shè)計周期。2、客觀評價汽車操穩(wěn)性客觀評價方法是基于操縱穩(wěn)定性試驗儀器表征的物理量,如橫擺角速度、橫向加速度、傾斜角度和轉(zhuǎn)向力評估的穩(wěn)定性控制方法，其優(yōu)缺點省略。5影響車輛操縱穩(wěn)定性的因素有很多因素可以影響車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，主要有傳動系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三個方面。5.1行駛系行駛系中影響操縱穩(wěn)定性的主要因素有：前輪定位參數(shù)、后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)及橫向穩(wěn)定桿、輪胎、前軸或車架變形、懸架等。5.1.1前輪定位參數(shù)的影響前輪定位參數(shù)包括：前輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前輪前束。前輪外傾角，是指通過前輪中心的汽車橫向平面與前輪平面的交線線與地面垂直線所成的夾角，前輪外傾角一般在1°左右，如圖5.1.1所示。它的作用主要是當汽車行駛時，將輪轂壓向內(nèi)軸承，而減輕外端較小的軸承載荷，同時，可以防止因前軸變形和主銷孔與主銷間隙過大引起前輪內(nèi)傾，減輕輪胎著地與主銷軸線與地面交點間的距離，從而使轉(zhuǎn)向輕便。圖5.1-1前輪外傾角圖5.1-2朱銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角，是指主銷軸線與地面垂直的橫向平面的車輛角度，如圖2所示。主銷傾角對操縱穩(wěn)定性的影響，主要是回正力矩，它是提高車身前部車輪轉(zhuǎn)動，由于對輪回系統(tǒng)勢能的提高的時刻，它和側(cè)向力無關(guān)。所以可以說，主銷角主要是在低速時的正效應(yīng)，“后傾距離”主要是在高速時的正效應(yīng)。主銷后傾角、主銷軸線是指在汽車縱向平面角的地面上，如圖3所示。自動控制的主銷后傾角的穩(wěn)定性的影響主要通過“向后拖動輪胎地面?zhèn)认蛄Ξa(chǎn)生的回正力矩，力矩的產(chǎn)生和輪胎側(cè)偏角類似附加轉(zhuǎn)向角，它和側(cè)向力是成正比的，使汽車往往足以將增加，有利于提高車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。如果施法者角度減小，返回力矩變小，轉(zhuǎn)向盤的擾動力矩大于方向盤的擾動力矩。圖5.1.-3主銷后傾角圖5.1-4前輪前束當車輛轉(zhuǎn)向時，在離心力作用下，車身向外傾斜，外懸掛在壓縮狀態(tài)下，外傾角逐漸減小，向負外傾角變化；內(nèi)輪懸掛處于拉伸狀態(tài)，使原本變?nèi)醯呢撏鈨A角改變外傾角。從而提高了車輪軸承側(cè)力的能力，提高了車輛的穩(wěn)定性。前束（如圖4所示）不會太大，如果前束過大，外傾角、主銷內(nèi)傾角變小，將使前輪擺頭現(xiàn)象出現(xiàn)，驅(qū)動狩獵，轉(zhuǎn)向操作不穩(wěn)定。前懸架導向機構(gòu)幾何參數(shù)的確定變化趨勢和前輪定位參數(shù)變化率。在車輪跳動時，車輪的外傾角變化，包括車身和車輪的滾動產(chǎn)生的外傾角變化，由兩個部分引起的車輪相對車身的跳動。雙橫臂式獨立懸架，一改之前的車輪車身側(cè)方向傾斜，使外傾角、輪胎側(cè)偏剛度小，使車輛在轉(zhuǎn)向效果提高；改變?nèi)Q于懸架幾何后，手臂的運動下，雙橫臂結(jié)構(gòu)，往往彎度彈簧壓縮行程減小，和身體側(cè)傾外傾變化相反的變化的原因，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向過度的傾向。（2）后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響后懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)對車輛操縱穩(wěn)定性的影響與前懸架結(jié)構(gòu)相似。正是在汽車轉(zhuǎn)向時，左右輪獨立懸架由于車身的相對距離變化，由于車身滾動，在外輪上跳躍，縮短了車身之間的距離，內(nèi)輪下降，車身與距離增大。懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)是不同的，當車輪在上下跳動時，車輪的角度變化會有所不同。前輪前端是指汽車轉(zhuǎn)向向內(nèi)的前端，使前輪的前端小于后端的距離。兩個前和背輪之間的差異，稱為前束值，一般不超過8~12mm。它的作用是消除由于外傾角使車輪滾動出來，車輪滾動側(cè)邊修剪現(xiàn)象引起的，引導前輪行駛沿著一條直線。（3）橫向穩(wěn)定桿的影響橫向穩(wěn)定桿通常用于改善懸架的側(cè)剛度，或前后懸架的角度剛度比。當汽車轉(zhuǎn)彎時，它可以防止出現(xiàn)大的橫向橫滾和橫向角振動體，以保證車輛具有良好的行駛穩(wěn)定性。提高橫向穩(wěn)定桿剛度，前懸架的剛度增大的滾動角，方向盤附近的變負荷增加，前軸的側(cè)偏剛度減小，平均每個車輪，汽車轉(zhuǎn)向不足的增加量。橫向穩(wěn)定桿與嚴厲的前懸架是提高汽車轉(zhuǎn)向有用，可以提高汽車的駕駛性能。（4）輪胎的影響輪胎是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一，增加了輪胎的承載能力，特別是在輪胎的負載能力，如增加輪胎的尺寸或提高水平，或由單胎變?yōu)殡p胎將改善車輛穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向特性。改變輪胎的外傾角也能提高車輛的操縱穩(wěn)定性。這是因為后輪胎的負傾角可以增加后輪胎的橫向剛度，從而降低了過度的轉(zhuǎn)向傾向。（5）前軸或車架變形的影響直接影響到組件的連接和協(xié)調(diào)，這直接影響到控制的穩(wěn)定性。如果汽車前軸的變形，它將改變主銷孔軸線的位置，主銷角變大，傾角越小，反之，傾角變小的角變大，從而推動會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向沉重，磨輪胎而且沒有能力自動校正。（6）懸架的影響當車輛受到側(cè)向力時，汽車前后軸垂直荷載的變化量的大小是影響其穩(wěn)定性的主要原因之一。如果汽車前軸左、右車輪垂直載荷變動量較大，汽車數(shù)量的增加往往與轉(zhuǎn)向不足；如果垂直載荷變動量后軸左右車輪比較大，車量減少轉(zhuǎn)向不足的傾向。影響汽車前橋和后橋的主要因素，對豎向荷載和變動量的左、右車輪：前后側(cè)偏剛度懸架，懸架的質(zhì)量、質(zhì)心位置、前后懸架側(cè)傾中心位置等。這些參數(shù)也影響了懸架系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定性。5.2汽車操縱穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向系的影響當汽車在滾動時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和，如果不協(xié)調(diào)，就會導致轉(zhuǎn)向盤卷，干擾轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動學關(guān)系。當汽車在一條直道上時，當馬車和軸的相對運動時，由前輪的轉(zhuǎn)動引起，并損壞了汽車的操縱穩(wěn)定性。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度將由于該輪轉(zhuǎn)向變形，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度低、轉(zhuǎn)向車輪的變形轉(zhuǎn)向角，從而增加車輛的轉(zhuǎn)向不足的傾向；側(cè)偏剛度高，車輪的變形可能轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角度小，降低汽車的不足趨勢。5.2汽車操縱穩(wěn)定性傳動系的影響縱向驅(qū)動力會增加前驅(qū)動汽車的不足轉(zhuǎn)向趨勢。當然，用發(fā)動機進行制動時，將使汽車有增加過多轉(zhuǎn)向的趨勢。所以，大功率的前驅(qū)動汽車在加速過程中，若將加速踏板踩到底后突然松開，則汽車的轉(zhuǎn)向特性會發(fā)生明顯的變化，甚至成為過多轉(zhuǎn)向。因此，汽車會發(fā)生出乎意料的突然駛向彎道內(nèi)側(cè)的“卷入”現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^采用自動變速器、有限差速作用差速器(LSD)和使驅(qū)動輪在制動時能產(chǎn)生不足變形轉(zhuǎn)向的懸架來減少、消除卷入現(xiàn)象。縱向驅(qū)動力將增加前車小于趨勢。當然，當發(fā)動機被用于制動時，汽車會有增加的趨勢。因此，在高功率的汽車在加速過程中，如果油門踏板后，突然松開，那么，汽車的轉(zhuǎn)向特性將顯著改變，甚至成為過多。因此，汽車會突然發(fā)生突然轉(zhuǎn)向內(nèi)部的“參與”現(xiàn)象的角落里。它可以減少和利用自動變速器消除參與的現(xiàn)象，表現(xiàn)差的有限差分法（LSD）和驅(qū)動輪產(chǎn)生制動時懸架變形不足。后輪驅(qū)動汽車在發(fā)動機制動時，由于制動力的作用增大了側(cè)角的產(chǎn)生過多的后橋產(chǎn)生的趨勢，以及其他因素的綜合影響，后輪驅(qū)動汽車也經(jīng)?！皡⑴c”現(xiàn)象。6提高汽車操縱穩(wěn)定性的措施（待改動）車輛操縱穩(wěn)定性不僅影響車輛的操縱性，而且決定了高速車輛的安全性能，因此人們稱之為高速車輛的生命線。正因為如此，人們一直在尋找方法來提高車輛的操縱穩(wěn)定性。提高處理和常用方法的穩(wěn)定性：防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動力控制系統(tǒng)（TCS）、四輪轉(zhuǎn)向（4WS）系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）。帶有4WS的在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，后兩輪也隨著前兩輪有相應(yīng)的轉(zhuǎn)向運動。一般兩輪轉(zhuǎn)向汽車（2WS）在中、高速作圓周行駛時，車身后部甩出一點，車身以稍稍橫著一點的姿態(tài)作曲線運動，增加了駕駛者在判斷與操作上的困難。電控4WS汽車的質(zhì)心側(cè)偏角總接近于零，車廂與行駛軌跡方向一致，汽車自然流暢地作曲線運動，駕駛者能方便地判斷與操作，顯著地改善了操縱穩(wěn)定性。隨著汽車在上路的時候，經(jīng)過兩輪與前兩輪都有相應(yīng)的轉(zhuǎn)向運動。一般二一轉(zhuǎn)向（2WS）汽車，高速循環(huán)驅(qū)動，后尸體拋了一點，身體微微側(cè)身一點態(tài)度的運動曲線，增