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基于的轴距对汽车操纵稳定性影响仿真

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基于ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ的轴距对汽车

操纵稳定性影响仿真

张丽霞，路军，潘福全，宋年秀

（青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛２６６５２０）

摘要：为了发现轴距对汽车操纵稳定性的影响，运

用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ软件建立了汽车整车三维实体模

型，包括前后悬架子系统、转向子系统、轮胎及车

身等结构；参照汽车操纵稳定性试验方法的国家

标准进行了汽车单移线、双移线、蛇行线、角脉冲

转向的操纵稳定性仿真分析。

关键词：汽车；操纵稳定性；轴距；仿真

中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ

ｗｈｅｅｌｂａｓｅｏｎｖｅｈｉｃｌｅｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄ

ｓｔａｂｉｌｉｔｙｂａｓｅｄｏｎＡＤＡＭ／Ｃａｒ

ＺＨＡＮＧＬｉ—ｘｉａ，ＬＵＪｕｎ，

ＰＡＮＦｕ—ｑｕａｎ，ＳＯＮＧＮｉａｎ—ｘｉｕ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＱｉｎｇｄａｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇｑｉ，，＃ａｏ２６６５２０Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｆｉｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｗｈｅｅｌｂａｓｅｔｏｖｅｈｉｃｌｅｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅＡＤＡＭＳ／Ｃａｒｓｏｆｔｗａｒｅ

ｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆ

ｃａｌ－，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｆｒｏｎｔａｎｄｒｅａｒｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｕｂｓｙｓｔｅｍ，

ｓｔｅｅｒｉｎｇｓｕｂｓｙｓｔｅｍ，ｔｉｒｅｓａｎｄｂｏｄｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆｖｅｈｉｃｌｅ

ｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｌａｎｅｃｈａｎｇｅ，ｄｏｕｂｌｅｌａｎｅ

基金项目：国家自然科学基金项目资助，项目编号：５１５０５２４４：山东省自然科学基金项目资助，项目编号：ＺＲ２０１２ＥＥＬ０９；山东省高等学校科技计划项目资助，项目编号：Ｊ１２ＬＢ０８。收稿日期：２０１５—０７—２３作者简介：张丽霞（１９７８一），女，湖北天门人，副教授，博士，研究方向为汽车系统动力学及控制。

——６——ｃｈａｎｇｅ，ｓｌａｌｏｍａｎｄａｎｇｌｅｐｕｌｓｅｉｎｐｕｔｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ；ｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｗｈｅｅｌｂａｓｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

引言

操纵稳定性是影响汽车行驶安全的关键因素。高速性能是现代轿车追求的目标之一，因此在现代高速轿

车设计与生产制造中，操纵稳定性显得更为重要，成为评价汽车性能的重要技术指标之一¨。２１。在汽车设计

中，轴距是很重要的一个参数，研究其对汽车操纵稳定

性如何影响显得尤为重要。但是如果采用实车方法，即

设计并制造出不同轴距的车，然后驾驶这些不同轴距的车进行实车实验，不仅浪费大量的人力物力，而且时间

成本非常高，且实验过程也存在不安全因素。

ＡＤＡＭＳ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｙｎａｍｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ），即机械系统动力学自动分析是美国ＭＤＩ公司开发的虚拟样机分析软件。用户可利用Ａｄａｍｓ在

计算机上建立虚拟样机，实现复杂机械系统的再现仿

真。其中ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ是专门针对轿车进行快速建立和测试整车和子系统的功能化虚拟样车。

１汽车模型的建立

ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ软件可以在不同工况下进行仿真，准

确模拟汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性等各项

性能参数旧４Ｊ。首先建立各个子系统模型，包括动力系统模型、前后悬架系统模型、转向系统模型、轮胎模

型ｂ矗Ｊ。将各个子系统再加上一个试验台，在ＡＤＡＭＳ／

Ｃａｒ标准模式下进行装配，得到整车模型见图ｌ。

万方数据山东交通科技２０１５年第５期

２ＡＤＡＭＳ软件的计算方法

ＡＤＡＭＳ程序运用拉格朗１３乘子法建立系统运动

方程：苦㈣一（詈）。ⅦＴｐ＋８ｑ＿…Ｑ…．．（・）

完整约束方程：妒（ｑ，ｔ）＝０非完整约束方程：ｐ（ｑ，ｑ，ｔ）＝０式中：卜系统能量；ｇ一广义坐标列阵；Ｑ一广义

力列阵；ｐ一对应完整约束的拉氏乘子列阵；ｐ一对应非完整约束的拉氏乘子列阵。在进行动力学分析时，ＡＤＡＭＳ采用两种算法。

（１）提供三种求解程序：ＧＳＩＴＦ积分器、ＤＳＩＴＦ积分器和ＢＤＦ积分器求解非线性微分代数方程，该方法适于

模拟特征值变化范围大的刚性系统。（２）提供ＡＢＡＭ

积分求解程序：运用坐标分离算法求解独立坐标的微分方程，该方法适用于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。

３轴距对操纵稳定性的影响分析

ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ整车（Ｆｕｌｌ—Ｖｅｈｉｃｌｅ）仿真功能可以

对汽车整车虚拟原型进行一系列的车辆动力学、操纵

稳定性和平顺性仿真，得到各种操作特性曲线和仿真

动画。整车仿真一般步骤：（１）打开或创建整车组合，在提交仿真分析之前，应在主窗口检查打开的整车模型的几何结构是否存在明显的问题，调节模型参数与设

置仿真环境；（２）进行仿真分析；（３）得到仿真结果。

３．１单移线仿真单移线仿真指驱动汽车在规定的时间内，通过Ｓ型曲线样式的道路模拟汽车的变道动作。单移线是

为了评价汽车在变车道时的操纵稳定性。仿真参数

的设置见网２．

图２单移线仿真参数设置以汽车不同轴距时，单移线仿真的车身侧倾角、

侧向加速度、横摆角速度分析轴距对汽车操纵稳定性

的影响。为了分析轴距对汽车操纵稳定性的影响，分别将

轴距增大２００ｍｍ，减小２００ｍｍ。所得仿真曲线见图

３。图中ｓｉｎｇｌｅ表示原轴距时曲线，ｓｉｎｇｌｅ—ｄ表示轴距增大后仿真曲线，ｓｉｎｇｌｅ＿ｘ表示轴距减小后仿真曲线。

仿真所得车辆运动轨迹见图４。

时问（ｓ）（ａ）单移线仿真——车身的侧倾角

时间（ｓ）（ｂ）单移线仿真——车身的侧向加速度

。‘—”Ｓｉｎｇｌｅ＿ｓｉｎ：ｃｈａｓｓｉｓｖｅｌｏｃｔｉｅｓ．ｙａｗ，，＼。、一一Ｓｌｉｎｇｌｅｘａｉｎｘ：ｈａｓｓｉｓｖｅｌｏｃｔｅｓ．ｙａｗ卿ｊ～Ｓｉｎｇｌｅ＿ｄ—ｓｉｍｃｈａｓｓｉｓｖｅｌｏｃｆｉｅｓ．ｙａｗ｛、珍＼ｊ４’、，

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ｃ）单移线仿真——车身的横摆角速度

图３单移线仿真曲线

ｄ由‰＝６０ｆ００ｎ∞一

Ｍｎ‘“ｑｔｔ铀－￡【‘血

图４单移线仿真车辆运动轨迹

由图３（ａ）（ｂ）（Ｃ）可以看出，轴距的变化对汽车瞬态响应性能影响较为明显，在设计高速轿车时应

一７一

万方数据张丽霞，路军，潘福全，宋年秀：基于ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ的轴距对汽车操纵稳定性影响仿真

该引起注意。当汽车的轴距增大时，车身侧倾角、侧

向加速度、横摆角速度减小，说明汽车的操纵稳定性

变好。当轴距减小时，车身侧倾角、侧向加速度、横摆角速度增大，可能发生汽车侧向滑动或翻车的事故。当轴距减小时，瞬态响应时间明显延长，则驾驶

员感觉到转向迟钝，汽车的操纵稳定性变差。由图４运动轨迹可以清楚地看到车辆做变更车道运动。

３．２双移线仿真双移线仿真是一个典型的汽车在行进过程中的

超车事件。双移线试验是研究汽车躲避障碍物时的瞬态闭环响应特性的重要试验，是评价汽车操纵稳定

性的重要试验ｐ。８ｏ。仿真参数的设置见图５。

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ＯｕｔｐｕｔＳｔｏｐＳｉｚｅ１００１Ｍｏｄｅｏｆ￥ｍｕｌａｔｉｏｎ而而ｉ—］ＲｏａｄＤａｔａＦｉｌｅｍＳｄｓ：／／ａｃａｔｓｈａｒｅｄ／ｒｏａｄ；ｔ１）垤ｄｆｌＩｎｎ・ａｌＶｅｌｏｃｉｔｙ阿——一而Ｆ１

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图５双移线仿真参数设置

为了分析轴距对汽车操纵稳定性的影响，分别

将轴距增大２００ｍｍ，减小２００ｍｍ。所得仿真曲线见图６。图中ｉｓｏ表示原轴距时曲线；ｉｓｏ—ｄ表示轴距

增大后仿真曲线；ｉｓｏ—Ｘ表示轴距减小后仿真曲线。仿真所得车辆运动轨迹见图７。由图６（ａ）（ｂ）（ｃ）可以看出轴距增大对汽车侧倾角、侧向加速度、横摆

角速度影响不大。轴距减小，侧倾角、侧向加速度、横摆角速度在极值处稍有减小。由图７可以看出汽

车做超车运动。

３．３蛇形线仿真蛇行驾驶仿真主要用于评估汽车的过渡响应和

侧倾稳定性。驱动器驱动汽车处于设定的纵向速度作为初始状态，在执行蛇行驾驶时，首先向一个方向

转向到设定的转向角，然后又反向转向到设定的转向角。在仿真时间达到第二次转向维持时间后结束。仿真参数的设置见图８。

为了分析轴距对汽车操纵稳定性的影响，分别将

轴距增大２００ｍｍ，减小２００ｍｍ。所得仿真曲线见图９。图中ｆｉｓｈ表示原轴距时曲线。ｆｉｓｈ—ｄ表示轴距增

大后仿真曲线，ｆｉｓｈ—Ｘ表示轴距减小后仿真曲线。仿

真所得车辆运动轨迹见图１０。

一８一八６０一ｍｘｈａ蘸一ｄＬ％ｌⅫｅｎｌｓｍｌｌ一一［ｓｏｘ＿ｄｃｃ｝‘ａ盎ｄｓｐｌａｃ日ｎｅｒ血刈ｋｄ＿ｉｌｃ＇ｃｈ＊ｉｓｄｉ利ａｃｅｍｅｎｔｓ．ｒｏｌｌ／＼

ＶＶ

００—０｛０—０魁０型０差一０重一０—０－０时间（Ｓ）ｆａ）双移线仿真——车身的侧倾角

时问（ｓ）（ｈ）双移线仿真——车身的侧向速度

ｋｌｉｅ：ｃｈａｓｓｉｓｖｄｏｄｌｉｅｓＪａｔｅｒａｌ．ｙａｗ／５一。ｂｘｉｌｃｃｈａ《，ｉｓ—Ｖｄｅｃｉｔｉｔｓ．１ａｔｅｒａｌｙａｗｉ，５＝：籼。。。ｔ。ｄ，。Ｉ。。Ｊａｔ。ｄｙ。一／＼／＼＼

Ｖ

０２．０３．０４．０５．０６．０７．０８．０９．０时问（ｓ）ｒ）双移线仿真——车身的横摆角速度

图６双移线仿真曲线

５０ｉｌｅＴｉｍｅ＝５２００Ｆｒａｍｅ－－５２４

图７双移线仿真车辆运动轨迹

由图９（ａ）（ｂ）（ｃ）可以看出轴距的变化对汽车瞬

态响应影响较大。当轴距增大时，汽车的侧倾角、侧

向加速度、横摆角速度减小。当轴距减小时，汽车的侧倾角、侧向加速度、横摆角速度增大，汽车发生侧翻０

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万方数据

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汽车理论5汽车的操纵稳定性

汽车理论5汽车的操纵稳定性

第5章 汽车的操纵稳定性

学习目标

通过本章的学习，应掌握汽车行驶的纵向和横向稳定性条件；掌握车辆坐标系的有关术语，了解影响侧偏特性的因素，掌握轮胎回正力矩与侧偏特性的关系；熟练掌握汽车的稳态转向特性及其影响因素；了解汽车转向轮的振动和操纵稳定性的道路试验内容。

汽车在其行驶过程中，会碰到各种复杂的情况，有时沿直线行驶，有时沿曲线行驶。在出现意外情况时，驾驶员还要作出紧急的转向操作，以求避免事故。此外，汽车还要经受来自地面不平、坡道、大风等各种外部因素的干扰。一辆操纵性能良好的汽车必须具备以下的能力：

（1）根据道路、地形和交通情况的限制，汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的方向行驶的能力——汽车的操纵性。

（2）汽车在行驶过程中具有抵抗力图改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力——汽车的稳定性。

操纵性和稳定性有紧密的关系：操纵性差，导致汽车侧滑、倾覆，汽车的稳定性就破坏了。如稳定性差，则会失去操纵性，因此，通常将两者统称为汽车的操纵稳定性。

汽车的操纵稳定性，是汽车的主要使用性能之一，随着汽车平均速度的提高，操纵稳定性显得越来越重要。它不仅影响着汽车的行驶安全，而且与运输生产率与驾驶员的疲劳强度有关。

5.1节汽车行驶的纵向和横向稳定性

5.1.1 汽车行驶的纵向稳定性

汽车在纵向坡道上行驶，例如等速上坡，随着道路坡度增大，前轮的地面法向反作用力不断减小。当道路坡度大到一定程度时，前轮的地面法向反作用力为零。在这样的坡度下，汽车将失去操纵性，并可能产生纵向翻倒。汽车上坡时，坡度阻力随坡度的增大而增加，在坡度大到一定程度时，为克服坡度阻力所需的驱动力超过附着力时，驱动轮将滑转。这两种情况均使汽车的行驶稳定性遭到破坏。

图5.1 汽车上坡时的受力图

图5.1为汽车上坡时的受力图，如汽车在硬路面上以较低的速度上坡，空气阻力 可以忽略不计，由于剩余驱动力用于等速爬坡，即汽车的加速阻力 ，加速阻力矩 ，而车轮的滚动阻力矩 的数值相对来说比较小，可不计入。

轮式装甲车辆不同差速器方案操纵稳定性仿真研究_孟红

轮式装甲车辆不同差速器方案操纵稳定性仿真研究_孟红

轮式装甲车辆不同差速器方案操纵稳定性仿真研究

孟红1,项昌乐2,孙旭光1,李军1,剧冬梅1(11中国兵器工业系统总体部,北京100089;21北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081) 摘要:以某轮式装甲车辆为研究对象,通过建立虚拟样机,使用动力学仿真分析软件按国军标试验规范模拟了其稳态回转性能等相关科目仿真,对不同差速器方案对该车操纵稳定性的影响进行了分析,综合评价了车辆在不同差速器方案下的操纵稳定性,通过相应试验科目结果对比,证明仿真模型正确,仿真结果可信。 关键词:机械学;轮式装甲车辆;操纵稳定性;性能仿真 中图分类号:U4631218文献标志码:A文章编号:100021093(2009)0320262206

SimulationResearchonWheeledArmoredVehicleOperatingStabilityinDifferentDifferentialMechanismSchemesMENGHong1,XIANGChang2le2,SUNXu2guang1,LIJun1,JUDong2mei1(11SystemEngineeringInstitute,ChinaNorthIndustriesGroup,Beijing100089,China;21SchoolofMechanicalVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)Abstract:Takingacertainwheeledarmoredvehicleasresearchobject,itssteadystatesteeringperfor2mancesandcorrespondingsubjectsweresimulatedbytheestablishedvirtualprototype,thedynamicanalysissoftwareandthetestspecificationsinGJBteststandard.Theinfluenceofdifferentdifferentialmechanismschemesonoperatingstabilityofthevehiclewasanalyzedindetail.Fordifferentschemes,theoperatingstabilityofthevehiclewasvaluedsynthetically.Thecorrectnessofthesimulationmodelandthecredibilityofthesimulatedresultswereverifiedbythecomparisonofthesimulatedresultswiththetestedonesforcorrespondingsubjects.Keywords:mechanics;wheeledarmoredvehicle;operatingstability;performancesimulation

基于Matlab汽车操纵稳定性仿真方法的研究

基于Matlab汽车操纵稳定性仿真方法的研究

第３５卷第３期　２０１４年０６月　大连大掌学报　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＤＡＬＩＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖ６ｌ＿３５　ＮＯ．３　Ｊｕｎ．２０１４　

基于Ｍａｔｌａｂ汽车操纵稳定性仿真方法的研究　

梁长飞，李玉光木，王淑芬，ｙ＿ｇｇ￣　

（大连大学机械工程学院，辽宁大连１１６６２２）　

摘要：本文采用线性二自由度车辆模型做汽车操纵稳定性研究，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件，分别运用子系统模型框　图、状态空间模型框图与ＭＡＴＬＡＢ　Ｆｃｎ函数模型框图三种方法，对车辆模型进行不同车速５－况下的仿真分析，通过　横摆角速度和质心侧偏角响应曲线图分析出汽车操纵稳定性变化趋势，验证了三种方法的可行性，并对三种方法做　

了对比分析。　关键词：：Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；操纵稳定性；仿真分析　中图分类号：Ｕ４６１．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８．２３９５（２０１４）０３．００１４．０５　收稿Ｅｔ期：２０１４—０４—２４　作者简介：梁长飞（１９８７．），男，硕士研究生，研究方向：汽车电子控制。　通讯作者：李玉光（１９６３一），男，教授，研究方向：机械设计。　

汽车操纵稳定性一直是汽车安全技术理论研　究的热点，而汽车操纵稳定性研究大多着重于建立　更为复杂的汽车模型，以寻求更高的计算精度【１＇２］。　如今用于分析所建立模型的仿真方法研究还略显欠　缺，ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件具有强大的动力学方程仿真功能，　并且仿真效率很高，将其充分的应用于汽车操纵稳　定性领域是很有价值的。　汽车在平直路面匀速行驶时的操纵稳定性，主　要通过转向盘的角输入或者力输入的响应研究Ｌ３　Ｊ。　本文采用线性二自由度车辆模型前轮转角阶跃输入　的仿真形式，分别运用子系统模型框图、状态空间　模型框图与ＭＡＴＬＡＢ　Ｆｃｎ函数模型框图三种方法，　对车辆模型进行不同车速工况下的仿真分析。　

１线性二自由度车辆模型　

为了研究操纵稳定性的基本特性，汽车可被简　化为只有侧向运动和横摆运动两个自由度的单轨模　型［３，４１。对汽车模型做受力分析，如图１，将沿ｙ轴　方向的侧向运动和绕质心的横摆运动列出以下方程　为：　

基于非线性MPC方法的车辆稳定性控制

基于非线性MPC方法的车辆稳定性控制

基于非线性MPC方法的车辆稳定性控制

郝西祥;陈亚伟;邵毅明

【摘 要】针对非线性模型预测控制(NMPC)在车辆操纵控制过程中的实时性问题,提出了显式NMPC的解决方法,然后在显式NMPC中将优化问题进行离线求解,并通过在线评估得到满足要求的次优解。最后基于显式NMPC方法设计了一种车辆横摆和侧向稳定控制器,该控制器通过车辆的制动系统发挥作用。为验证控制器的有效性,进行了相关的仿真试验,分析了代价函数公式中权值的影响,并对最优控制问题的不同设置方案进行了比较分析。

【期刊名称】《重庆理工大学学报》

【年(卷),期】2019(033)002

【总页数】6页(P27-32)

【关键词】非线性模型预测控制;最优控制算法;车辆稳定性控制器设计

【作 者】郝西祥;陈亚伟;邵毅明

【作者单位】[1]重庆交通大学交通运输学院,重庆400074;[2]重庆交通大学机电与车辆工程学院,重庆400074;[1]重庆交通大学交通运输学院,重庆400074

【正文语种】中 文

【中图分类】U461

车辆的极限性能很大程度上是由轮胎的非线性力学特征决定的，因此基于模型预测控制(MPC)的车辆稳定性控制的实现取决于预测模型中的非线性系统动力学分析结果。同时由此产生的非线性优化问题给控制器的实时运行带来了很大的挑战。

针对上述问题，许多文献中提出了各种替代NMPC的方法，如线性时变MPC、混合和切换MPC或近似NMPC[1-3]。本文采用显式NMPC方法离线解决优化问题，获得的显式解是一个次优的多变量反馈定律，可以方便地进行实时评估。

本文在设计控制系统的非线性车辆模型时，考虑了纵向和横向轮胎力的相互作用以及车辆转弯时轴荷转移的影响，这对车辆的稳定性控制具有极为重要的作用。此外，本文提出的NMPC代价函数公式具有一定的灵活性，可以较为便捷地在实际车辆上应用。

1 车辆预测模型

1.1 车辆动力学建模

车辆动力学模型如图1所示，以横摆角速度和车辆质心侧偏角β作为状态变量，并且假设在预测范围内车辆具有恒定的速度v。