基于虚拟样机技术的汽车四轮转向仿真研究设计【LB4】
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密 级分类号编 号成 绩本科生毕业设计 (论文)外 文 翻 译原 文 标 题History of the development of the Steering System 译 文 标 题转向系统的发展的历史作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13142作 者 姓 名文家麒作 者 学 号201322350指导教师姓名赵秋芳指导教师职称副教授完 成 时 间2017年2月北华航天工业学院教务处制译文标题转向系统的发展原文标题History of the development of the Steering System作 者Abbott译 名艾布特国 籍美国原文出处Car and Driver摘要:车辆的基本系统中必须有转向系统,驾驶员操纵方向盘来通过转向系统来控制汽车的行驶方向,达到他的行驶目的。100多年来,汽车工业机械和电子技术在不断发展和进步。今天的汽车不是纯机械意义上的汽车,它是机械、电子、材料和其他综合产品。转向系统随着汽车工业的发展在长期进化。关键词:转向系统 汽车 驾驶 发展转向系统的发展转向系统在车辆系统的基本系统是必要的,司机通过方向盘来操纵和控制汽车的方向旅行,以实现他的驾驶意图。100多年来,汽车工业机械和电子技术的发展和进步。今天,汽车不是纯机械意义上的汽车,它是机械、电子、材料和其他综合产品。转向系统随着汽车工业的发展在长期进化。传统的转向系统是机械转向系统,汽车方向盘,通过引导控制等一系列的机械零件方向盘实现偏转,从而实现转向。在1950年代,液压动力转向系统在汽车应用,标志着转向系统的开始。源以前的人类和液压动力转向的助推器。HPS液压助力器(液压动力转向)是基于机械转向系统和液压系统增加了。液压系统和发动机,当将军的一部分引擎启动时,提供汽车发动机功率,另一部分动能的液压系统。由于其可靠工作,成熟的技术仍然得到了广泛的应用。转向系统的主要特点是流体压力,减少司机方向盘的支持,改善了操舵灯和汽车操作稳定性。但与此同时,也有一些液压系统缺陷:完成针对汽车设计和制造的汽车转向,若不能改变的动力学特征后。直接后果是,在低功率动态特征时,汽车在低段可以很好,但在高速段感的好方法,因为不能调整动力特征,没有更好的方式驱动,高功率的动态特征时,以低段参数效果不是很好,如果没有,目标车辆液压系统也必须在发动机驱动。因此,能源消耗,增加燃料发动机,现有的液压油泄漏问题应该不仅污染环境,而且容易影响其他组件。针对低温,液压系统性能很差。近年来,随着电子技术的广泛应用,转向系统也越来越多的使用电子设备。因此,变成使用电子控制系统出现相应的电动液压助力转向系统。电动液压动力转向系统可以分为两类:电动液压操舵系统(电液压动力(EHPS)和电动液压转向电子控制转向(液压动力转向)。电动液压操舵系统在液压动力系统的基础上开发的液压增压系统,不同的是,电动液压系统液压系统的电源,但不是由汽车发动机汽车驱动液压系统,节约能源,降低发动机油耗。电动液压操舵装置是在传统的液压助力系统的基础上开发,所不同的是,电动液压操舵系统,电子控制设备增加。电子控制单元可以根据转向速度,速度的汽车液压系统的操作参数,改变液压增压速度不同的大小,从而实现变化,动态特征。但根据电机驱动液压系统,反过来,电机停止转动,从而减少能源消耗。虽然电动液压动力转向液压操舵系统克服了缺点。但由于液压系统的存在,它的存在液压油泄漏问题,和电动液压助力转向系统,介绍了电机驱动系统更复杂,成本和可靠性。 为了区别电动液压转向系统、电动助力转向系统电动助力转向(EPS)。现在应该知道各种各样的转向系统,最大的区别在于电动助力转向系统没有液压系统。最初由液压操舵系统的电动机。电动助力转向系统一般由扭矩传感器和微处理器、电机、等的基本原理是:当司机将方向盘驱动轴旋转,安装在转动轴的扭矩传感器和扭矩信号到电信号微处理器,微处理器基于其他车辆运行速度和扭矩信号的参数,根据治疗的程序集电力汽车助推器方向和大小的助推器。自1988年以来,第一次在日本铃木Cervo汽车装备转向系统、动力转向系统被广泛承认的人。转向系统主要体现在以下方面:动力转向系统可以提供不同在不同速度下的动态特性。低,方向盘,增加更多的光,在高速转向减少,甚至为了提高道路增加潮湿。动力转向系统只有在驾驶汽车去工作,提供动力,以减少能源消耗。电动机工作时,由电池驱动的电动助力转向系统不能在发动机工作条件下的工作。电动助力转向系统不应该液压系统,而液压增压系统和自动装配。和电动助力转向系统可以改变助推器微处理器算法的程序,简单的动力学特征的变化。科学和技术的发展正在改变,传统的转向系统的转向控制(车轮转向),并将传播机制。但思想的火花总是可以带来惊喜!电子转向系统南偏西方向(线)改变了传统的三个最与微控制器的概念,取而代之的是转向传动机构、三个最分成两部分。电子转向系统是最先进的技术和汽车转向系统。它主要由转向控制模块、执行模块和微控制器三个模块。转向控制模块的主要功能是扭矩传感器的检测司机的意图,和检测信号(包括旋转方向和转速等)乘公共汽车,微控制器,基于信号和微控制器,和速度反馈控制模块是一个方向盘,让司机,能感觉到。但就是这样,是开发虚拟根据测试数据的集成,形成了“体验”,通过固化过程的微控制器。如此速度,转向力矩的大小和一些对应关系。转向角传感器和致动器包括转向汽车,转向电机控制器等。这是微控制器根据控制命令的函数,执行驱动电机旋转角度,完整的行动。同样大小的旋转角度传感器监测和反馈微控制器,形成一个完整的准确的闭环控制系统,转向运动。微控制器是电子转向系统的核心。它是接收信号检测、处理发送相应的控制信号。由于微控制器取代了转向传动机构,因此系统的组件之间的机械连接,减少响应速度和响应的准确性。并且把战略、传输控制软件编程设置,和其他设备,如ABS,自动导航设备。传导机制减少带来的更大的汽车室内空间,给更多的乐趣。并将行为可以被记录下来,保存在软件可以帮助eepm经过进一步完善转向控制策略,甚至可以为交通事故提供证据。全屏阅读 关闭全屏阅读 你的评分:有道翻译中国最大最稳定的免费在线翻译 添加书签 History of the development of the Steering SystemSteering system is necessary in vehicle system is the basic system, driver through the steering wheel to manipulate and control cars direction of travel, so as to realize the intention of his driving. For more than 100 years, automobile industry with mechanical and electronic technology development and progress. Today, the car is not purely mechanical sense of a car, it is the mechanical, electronic, materials and other comprehensive product. Steering system with the development of the car industry after the long evolution. The traditional steering system is mechanical steering system, automotive steering wheel, by pilot control through such a series of mechanical parts steering wheel to realize the deflection, so as to realize the steering. As in the 1950s, hydraulic power steering system in automotive applications, marked the beginning of steering system. Sources of power steering by previous human to human and hydraulic booster. Hydraulic booster HPS (Hydraulic Power Steering) is in the Steering system based on the mechanical and Hydraulic system increased a. The hydraulic system and the engine, when the general part of the engine starts, provide automobile engine power forward, another part of the kinetic energy of hydraulic system for power. Due to its reliable work, mature technology still has been widely used. The steering system of the main characteristic is the fluid pressure, reduce drivers support in the steering wheel, improved the steering light and auto operation stability. But at the same time, there are also some hydraulic power system flaw: Aiming at vehicle design and manufacture, after the completion of the vehicle steering dynamical characteristics cannot change. The direct consequence is that when the dynamical characteristics in low power, car in low segment can get very good, but in high-speed period has good way to sense, because cannot adjust dynamical characteristics, no better way drivers, When the dynamical characteristics in high power, not very good at low segment tprompt effect, If not, aiming to vehicle hydraulic system must also be in the engine driving. As a result, the energy consumption, increase fuel engine, Existing hydraulic oil leakage problems should not only to environmental pollution, and easy to other components, Aiming at low temperatures, hydraulic system performance is poor. In recent years, with the electronic technology in the wide application, steering system also more and more used electronic devices. Turn into the electronic control system, therefore, the corresponding appeared electrohydraulic power steering system. Electrohydraulic Power Steering can be divided into two categories: electric Hydraulic Steering system (Electro Hydraulic Power - the EHPS) and electric Hydraulic Steering Electronically Controlled ECHPS Steering (Hydraulic Power Steering). Electric hydraulic steering system is in hydraulic power system on the basis of the development of hydraulic booster systems, and different is, electric hydraulic power system of power sources in the hydraulic system, but not by motor engine motor drive hydraulic system, save energy and reduce the engine fuel consumption. Electric hydraulic steering is in traditional hydraulic booster systems on the basis of the development, the difference is that the electric hydraulic steering system, electronic control devices increased. The electronic control unit can according to the steering rate, speed auto operation parameters of hydraulic system, change the size of the hydraulic booster at different speeds, so as to realize the change, dynamical characteristics. But under the motor drive hydraulic system, in turn, motor can stop turning, thereby reducing energy consumption.Although electrohydraulic power steering system of hydraulic steering overcomes the drawbacks. But due to the existence of hydraulic system, it exists the hydraulic oil leakage problem, and electrohydraulic power steering system, introduced motor drive system is more complex, costs and reliability. In order to avoid Electric hydraulic Steering system, Electric Power Steering system of Electric Power Steering (EPS) should now. It with all sorts of steering system, the biggest difference lies in the electric power steering system has no hydraulic system. Originally produced by hydraulic steering system by motor. Electric power steering system of general by the torque sensor and microprocessor, motor, etc. The basic principle is: when the driver turned the steering wheel drive shaft rotation, to install in the rotation axes of the torque sensor and torque signal into electrical signals to microprocessors, microprocessor based on speed and torque signal other vehicles running parameters, according to the set procedures in the treatment of that power motors booster direction and the size of the booster. Since 1988, the first in Japan suzuki Cervo car to equip the steering system, power steering system is widely recognized by the people. Steering system is mainly embodied in the following aspects: A power steering system can provide different at different speeds under the dynamical characteristics. In the low road, steering, to increase more light, At high speed reduced steering, even in order to improve the road are increased to damp. A power steering system only in steering motors to work, to provide power, so as to reduce energy consumption.A motor, so by battery-powered electric power steering system can not work in engine under the condition of the work. Electric power steering system should not hydraulic system, compared with hydraulic booster systems and automated assembly. And electric power steering system can change the booster program microprocessor algorithm, easy dynamical characteristics of the change. The development of science and technology is changing, the traditional steering system of steering control (wheel steering), and turn of transmission mechanism. But the thought of the spark can always bring surprise! Electronic Steering system SBW Steering (to the Wire) was changed to the traditional concept of three most with micro-controller, it was replaced By the Steering transmission mechanism, the three most into two parts. Electronic steering system is the most advanced and automotive steering system of technology. It mainly consists of steering control module, to execute module and micro controller three modules. Steering control modules main function is to torque sensor detection by the driver intention, and to detect signal (including rotation direction and rotational speed, etc) by bus to micro controller, and micro controller based on the signal, and speed feedback control module is a steering wheel to make drivers, can feel road. But this is the way, is the development of virtual according to test data of integrated, formed experience, and by way of curing process in the form of micro controller. So it is with speed, turning to the size of the torque rate and some corresponding relation. Steering Angle sensor and actuator including steering motors, steering motor controller etc. It is the function of micro controller based on the control command, drive motor rotation Angle to execute, complete to action. Also the size of the rotation Angle sensor monitoring and feedback to micro controller, forming a complete accurate closed-loop control system, steering movement. Micro controller is the core of electronic steering system. It is receiving signal detection, processed send corresponding control signal. Due to the micro controller replaced steering transmission mechanism, thus mechanical connection between components of the system, reduce the response speed and the accuracy of the response. And to turn strategy, transmission control software programming any Settings, And other equipment, such as ABS, automatic navigation equipment. Transmission mechanism of reducing brings a bigger car interior space, give rides more fun. And turning behavior can be recorded, save in software that can help EEPROM after further perfecting the steering control strategy, even can provide.7指 导 教 师 评 语 外文翻译成绩:指导教师签字: 年 月 日注:1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面:翻译的外文文献与毕业设计(论文)的主题是否高度相关,并作为外文参考文献列入毕业设计(论文)的参考文献;翻译的外文文献字数是否达到规定数量(3 000字以上);译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。北华航天工业学院毕业论文毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目:基于虚拟样机技术的汽车四轮转向仿真研究 作者所在系部: 机电工程学院 作者所在专业: 车辆工程 作者所在班级: B13142 作 者 姓 名 : 文家麒 作 者 学 号 : 201322350 指导教师姓名: 赵秋芳 完 成 时 间 : 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院毕业论文摘要本文研究了四轮转向汽车的操纵稳定性特性,在ADAMS中建立四轮转向车辆模型并进行了动力学仿真,和二轮转向车辆操纵稳定性进行了对比。具体内容如下: 介绍了使用的动力学仿真软件ADAMS并,说明ADAMS工作的基础工作原理。 建立了四轮转向汽车的二自由度车辆数学模型,分析二自由度车辆模型动力学方程以及公式中各项参数的物理意义。 在ADAMS/car中建立整车动力学模型,利用ADAMS自带仿真控制器进行仿真。对四轮车辆虚拟样机模型进行仿真,研究车辆操纵稳定性特性。仿真结果表明4轮转向汽车相对于2轮转向汽车操纵稳定性得到了很大提高。关键词: 四轮转向 ADAMS 操纵稳定性 仿真 AbstractThis 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 steeringADAMSHandling stabilitysimulation 目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1四轮转向汽车的特点11.2 四轮转向技术的发展11.3 本论文的研究意义及内容2第二章 四轮转向车辆的仿真环境32.1 虚拟样机技术(Virtual Prototyping,VP)的概念32.2 ADAMS软件介绍32.3 ADAMS工作的理论基础42.3.1 动力学方程的建立42.3.2 动力学方程求解52.3.3静力学分析与运动学分析7第三章 四轮转向车辆建模93.1 四轮转向车辆的数学模型93.2轮胎的非线性模型113.2.1 Fiala轮胎模型113.2.2 Pacejka的“魔术公式”轮胎模型123.2.3 郭孔辉的轮胎稳态指数统一模型133.3基于ADAMS的四轮转向虚拟样机模型133.3.1 创建前悬架模型143.3.2 后悬架模型163.3.3 转向系模型173.3.4轮胎与路面的创建173.3.5 四轮转向整车模型20第四章 四轮转向仿真结果224.1汽车操纵稳定性224.2四轮转向的仿真分析22总 结26致 谢27参考文献28IV第一章 绪论现代社会由于人们生活质量的提高和交通运输的发展,人们对汽车的驾驶舒适性和安全性越重视。汽车四轮转向技术(Four-Wheel Steering,4WS)在这样情形下出现了,汽车4轮转向技术能有效提高汽车操纵稳定性和主动安全性1.1四轮转向汽车的特点现在,汽车转式有前轮转向(Front-Wheel Steering,FWS)和四轮转向。前一种转向方式只利用前两个车轮的转动来控制车辆的前进方向,这种转向方式存在低速时响应慢,转向僵硬不灵活,高速时方向稳定性差等缺点1。人们因为这些缺点的存在,开始让后轮也在车辆转向过程中发生偏转,于是四轮转向概念被逐渐提了出来1。后一种转向方式,在车辆以较慢速度行驶中,让后轮朝与前轮相反的方向转动,旋转中心比使用第一种转向方式的汽车更接近车身,可以减小车辆的转弯半径,增加车辆的灵活性,后一种转向方式的汽车内轮差也减小了很多。汽车在较高的速度行驶时,因为需要让车体方向与车辆前进方向一致,四轮转向汽车通过让前后轮同向转动减小了质心侧偏角。使转向半径增大减小汽车发生侧翻的可能性。后轮主动转向也减少了车辆到达稳态的时间,较好地加快了汽车转向的瞬态响应。 1.2 四轮转向技术的发展20世纪初, 汽车行驶速度不是很快,为了减少汽车的转弯半径,人们就让汽车在改变方向时后两个车轮与前两个车轮反向转动 ,这就是四轮转向技术的萌芽。1907年,在日本产生的一个和四轮转向系统有关的专利。通过一种结构使汽车获得较小的转弯半径,这种结构是利用一根轴将前后轮的转向机构链接起来。这种结构最开始是运用在军用车辆和工程车辆上,使它们在恶劣工况下运行也能有比较高的机动性。车辆科学的不断发展,日本在4WS系统上的研究取得了较高的成就。1980年,在Nissan公司产生了一辆实验用的四轮转向车辆,后轮转动可达到30度,还能朝与前轮相同方向或相反方向偏转。1985年,日本Nissan公司在没有先例的情况下首次把4WS系统使用在客车上。1989,该公司为了对主动控制后轮反向转向角度设计出了SUPER HICAS系统。由于电子技术和控制方法的发展和改进,四轮转向技术也取得了重大突破。2001年,德尔福公司开发的四轮转向系统首次在通用2002 Sierra Denadi大型皮卡车上使用2。我国的汽车工业的自主研发能力不是很高,是因为我国汽车工业有起步晚发展较慢的特点。我国现在对于4WS系统的研究相对集中在几所高校里,国内对4WS开始研发的汽车制造商还基本没有。高校研究4WS的研究条件也不是很好,研究还处于初始阶段,该研究还处于初始阶段,主要研究动态响应和控制4WS车辆的方法。其中,北京理工大学安装BJ130型4WS系统并进行了实验研究1.3 本论文的研究意义及内容虚拟样机技能够在计算机中的建模软件中建立结构复杂的异同模型,还可以能够帮助我们解决存在于系统中的非线性问题,我们能够学习掌握使用这种技术在虚拟样机软件中建立四轮转向车辆模型。在对四轮转向系统的研究中,一般是研究车辆的操纵稳定性。本论文主要研究了下列内容 1.对4WS汽车的原理和特性进行了分析,并对模型的动力学方程进行了研究。2.在ADAMS/car模块下建立了非线性四轮转向车辆动力学虚拟样机模型。3.实现后轮在仿真过程进行转动。在ADAMS环境中对后轮转向进行仿真。4.按照国标中汽车试验条件,对虚拟样机模型进行仿真。第二章 四轮转向车辆的仿真环境2.1 虚拟样机技术(Virtual Prototyping,VP)的概念简单来讲,虚拟样机技术就是使用者首先在计算机上建立数字化的机械系统模型,然后进行仿真并对仿真结果进行分析,从而改进和优化设计技术。他的数字设计方法基于产品的计算机仿真模型3。虚拟样机技术的应用,可以使产品的设计者在产品开发早期就可以比较直观的利用该技术比较直观的观察产品的特性,在虚拟环境下直接进行设计优化、性能测试、仿真模拟,创新给设计师带来设计灵感,有助于提高产品质量,减少在设计过程中由于各种各样的实际条件的限制导致的错误,对加快产品开发周期有重要意义3。现在,许多公司都开发了许多功能强大的虚拟样机技术的软件,大都是国外机械动力学公司所开发,使用比较广泛的有的美国一些公司开发的ADAMS,CADSI的DADS。2.2 ADAMS软件介绍ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),即机械系统动力学自动分析软件,是由美国机械动力公司(MechanicaIDynamics Inc.)开发的。ADAMS有含有5类基本模块,用户不仅可以建立机械系统的数字化模型,并可以使用这些模块当中的各种各样的功能解决应用工业问题,通过建模与仿真分析可以快速和有效的观察到产品功能的优劣和设计的可行性,基本的ADAMS配置方案包括交互式图形环境,ADAMS/View使用分层方式来完成建模工作,通过连接一组组件一起由机械运动对4。ADAMS/Slover自动建立机械系统模型的动力学方程,并提供静力学,运动学和动力学计算结果。仿真结果直观和直观地描述了系统的动态性能,并可视化分析结果。ADAMS的设计流程包括创建模型、测试和验证模型、细化模型和迭代、优化设计、定制界面。建立仿真模型确定几何形状、力、接触、链接、运动变参数设计确定参数,定义设计变量设计变参数设计用户化界面、菜单 动作可靠性分析确定模型,输入实验数据实、实验图形实验设计方案仿真、动画、绘图修改模型增加摩擦力、力函数、弹性体、控制系优化模型2.3 ADAMS工作的理论基础ADAMS/Solver是一个能力非常具巨大的求解器,可以对所建模型进行运动学、静力学、动力学分析,以下为ADAMS建立动力学返程以及求解方法。ADAMS利用6个广义坐标来表示每个刚体,广义坐标是刚体的质心笛卡尔坐标和反应刚体方位的欧拉角,即qf=x,y,z,fT,使用稀疏矩阵的方法来求解系统动力学方程式10。2.3.1 动力学方程的建立 (21)完整约束方程: (22)非完整约束方程: (23) 式中: (24) 式中: 2.3.2 动力学方程求解ADANS使用两种算法:一是运用GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器,来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程;二是利用ABAM(Adams-Bashorth and Adams-Moulton)解积分程序,求解独立坐标微分方程8。(1)微分代数方程求解算法可以有效求解以上方程的Gear预估校正算法: (25)式中时间步长。 (24)后差分积分程序)来校正。 (26) 式中,在时的近似值;Gear积分程序的系数值。将公式(26)转化为以下形式: (27)将公式(24)在时刻展开,得: (28),其 (29)其中表示第次迭代, (210)由(27)式可知: (211)由(28)式可知: (212) 将式(211),(212)代入公式(29得): (213)式中:通过分解系统矩阵公式(213)左边部分)求解,计算出重复上述迭代校正步长,一直到计算结果满足收敛条件。控制积分误差的工作步骤,认为满足预估值和校正值的差值小于规定的积分误差限的解为正确解,然后继续下面一个时刻的求解;拒绝不满足该条件的解值,并缩短积分步长,重新进行预估校正计算过程。2.3.3静力学分析与运动学分析在进行静力学分析时,将式(213)中的速度,: (214)解系统的约束方程: (215): (216) (217) (218) : (219)第三章 四轮转向车辆建模3.1 四轮转向车辆的数学模型汽车数学模型就是用数学符号、公式表达实际汽车的各种的性质、规律和结构。想要模型越精确,需要考虑的因素就越多,模型也就越复杂。数学模型对四轮转向技术的研究有很大的用处。车辆运动过程中,如果看成是刚体,他就六个自由度,如果看成是柔性体,就会有许多自由度,计算就会很困难,车辆数学模型的简单还是复杂与研究程度有关,研究程度高模型就越复杂,相对研究程度低模型也就越简单11。只含车身侧向、横摆运动的二自由度四轮转向车辆数学模型应用也很多。在建立四轮专向车辆数学模型前,我们做出如下假设:1.假设转向系统不产生影响,直接以前轮转角作为输入。2.假设悬架没有功用,简单认为车辆只是沿地面平行运动,3.侧向加速度不大于0.4g,前后轮侧偏角不大于5,轮胎侧偏特性不超出线性范围。4.取较小的驱动力,不受空气动力影响。5.假设地面切向力不会对轮胎侧偏特性的产生影响。6.假设载荷变化不会引起轮胎特性的变化并且假设轮胎回转正力矩不对轮胎产生作用。7.汽车是对称的,前轴和后轴上的每对车轮由一个单轮代表,两个转弯刚度。8.假设车辆后轮转向角度不大,无论前轮还是后轮侧偏力均朝向y轴方向。 (31): (32)根据动力学原理,结合公式(31)(32)可得车辆的动力微分方程:(3-3)此外,重心处的侧向加速度为: 取为状态变量,为输入变量,则公式(33)可变形为方程: (3-4) 式中: 以上是四轮转向车辆的二自由度动力学模型,不考虑许多的因素带来的影响并且车辆是处于理想环境中运行,所以这个模型存在不小的局限性。3.2轮胎的非线性模型轮胎的建模是研究车辆操作稳定性重要部分。轮胎模型一般分为两种,一种是理论模型。通过对轮胎的数值描述和变形机理的分析,建立了剪切力与反扭矩的关系及相应的参数。二是经验公式或半经验公式。对大量轮胎力特性的试验数据进行回归分析。轮胎力的特点,有效地表达的公式,其中包含的拟合参数。3.2.1 Fiala轮胎模型1954年,行驶理论被德国学者E.Fiala提了出来,并由此导出了著名的轮胎弹性梁模型。这是第一个能够描述轮胎侧偏特性的模型轮胎结构模型如图3.2所示。A相当于一个轮毂,它可以被认为是一个刚体,B是一个相当数量的弹簧。 C相当于轮胎胎面基。D相当于胎面胶。定义无量纲滑移率 (35)表示的是轮胎侧偏角(其余章节中表示汽车重心侧滑角),K代表的是=0时的侧度,代表的是地面附着数,代表的是垂荷。轮胎侧偏力。回正力矩M可由下式得到: (36) (37)3.2.2 Pacejka的“魔术公式”轮胎模型欧洲的荷兰Delft工业大学H.B.Pacejka教授开发的“魔术公式”, 也叫Delft模型,对三角函数拟合轮胎配方实验数据相结合,得到了纵向力比较整体的表达,侧向力和回正力矩公式轮胎模型。其广义力Y的一般表达式为9:其广义力Y(轮胎侧偏力、纵向力和回正力矩)的一般表达式为: (38) (39)式中形状因子的具体取只决定于轮胎自身的特性和需要求解的广义力的类别和载荷并没有关系。其他参数都和载荷有关,表达式: (310) (311)求轮胎侧偏力时,横向力零点处刚度为: (312)求纵向力和挥着力矩时,横向力零点处刚度为: (313)刚度因子: (314)对上面的三个因子进行修正,即:; (315) (316)计算侧向力和回正力矩时, ,计算回力时, 是来修的。这样,表达轮的主要分的是数合的数。H.BPacejka的“魔术公式”模型有下面的这些特征:1)用一套公式可以表示模型的力特征,统一性强,编程方便,需拟合参数较少。2)对国家横向力、中国纵向力和自回正力矩有比较高的拟合精度。3)该公式是非线性特殊函数。4)值得变化对拟合的残差影响较大。3.2.3 郭孔辉的轮胎稳态指数统一模型1984年,我国一汽车研究所的郭孔辉基于Fiala的理论基后进行实验建侧向力和回矩的半验“指数公式”轮胎模型2。:其中: 。表纵向摩擦系数,代表侧向摩擦系数,代表侧向刚度,代表侧偏刚度,代表侧向滑移速度,代表转折系数,代表回正力臂,代表轮胎的横向偏距,和垂直载荷存在关系的参数的有,和:郭孔辉稳态指数统一模型的特点:1.模型采用无量纲的表达式。2.在纯工况下和联合工况下,它表达式都是一样的。3.可表达各种载荷下的特性。4.它可以确保更少的模型参数,可以用来实现全局表达式精度。幂指数可以转化为标准多项式形式。5.能拟合原点刚度。Fiala轮胎模型文件也在ASAMS软件中很好调用,参数的改写很方便,本文中车辆建模将采用Fiala轮胎模型。3.3基于ADAMS的四轮转向虚拟样机模型ADAMS/car和ADAMS/view建模区别是,在view中能在一个界面当中完整的建立起整车模型,在car中建立模型要建立整车模型,先要建立各个系统的模板并创建成子系统,然后利用信息交换器把各个子系统组装在一起,组成整车模型。由于在car中分享文件中有汽车各个系统的模板如悬架系统,本文选择在car中建立模型。因为没有整车的具体数据,本文选择car自带的模板文件组装四轮转向整车模型。下文以前悬架为例对模板的建立进行较详细的介绍。3.3.1 创建前悬架模型由于没有前悬架的硬点坐标所以我用adams/car中自带的模板的数据。首先在电脑打开软件选择进入模板模式,打开要使用的前悬架模型记录它的硬点坐标(图34),创建控制臂(图35),选择Adjust菜单中的Hardpoint创建起有lca属名的硬点,然后给控制臂创建part可以选择build菜单中的part命令选择新建或向导生成part,新建和向导区别主要是前者需要自己输入part的属性(如质量,转动惯量等)后者软件根据要创建的part的几何形状自自主生成,然后给part赋予几何形状(图35),创建转向节(图36),先创建车轮中心和转向拉杆内外点的硬点,再在车轮中心创建part,给转向节赋予几何形状。后续其余杆件创建都和上述过程查不了太多,不再叙述。下面介绍下弹簧和减震器的创建(图37),一样先创建减震器的端点硬点,减震器的创建有两种方式一种是把它看成两个部分通过运动副连接起来还有一种比较简单的直接用力学原件生成,但是这需要选择两个part,在这个模型中没有车身的part,利用mount命令生成一个代替车身的part,再利用力学原件生成减震器。添加弹簧,弹簧硬点就是减震器的硬点,在力学原件用选择spring命令选择万向节part和车身代替part在减震器上生成弹簧。创建起前悬架的主要几何形状。然后再给前悬架上添加运动副,主要是一些球副、锁止副和旋转副等。上文描述了前悬架的基本创建过程,最终创建完成的前悬架如图38 图34 悬架硬点图图35 控制臂图图36 控制臂与万向节图 图37 控制臂、转向拉杆和减震器图 图38 前悬架总成图3.3.2 后悬架模型后悬架和前悬架比较,后悬架比前悬架多了两个组成部分是驱动轴和副车架。驱动轴是利用恒速度与主轴和发动机连接,下控制臂和副车架之间有转动副。提取car中的模板如图39。 图39 后悬架图3.3.3 转向系模型本文提取的ADAMS/car中的转向系模型是齿轮齿条式的,它的结构是两个互相咬合的小齿轮和齿条,通过转向轴转动带动小齿轮旋转,由齿条直线运动拉动横拉杆实现转向。模型图如图310 图3103.3.4轮胎与路面的创建影响汽车操纵稳定性的因素有许多,其中非常重要的就有轮胎和路面。ADAMS/car中的共享文件中就有许多轮胎模型,其中fiala轮胎模型仿真的精确度就比较高,本文调用fiala轮胎模型。它的文件是:$-MDI_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPE = tirFILE_VERSION = 2.0FILE_FORMAT = ASCII(COMMENTS)comment_stringTire - XXXXXXPressure - XXXXXXTest Date - XXXXXXTest tireNew File Format v2.1$-unitsUNITSLENGTH = meterFORCE = newtonANGLE = radMASS = kgTIME = sec$-modelMODEL! use mode 1 2 3 ! -! relaxation lengths X ! smoothing X !PROPERTY_FILE_FORMAT = UATIREUSE_MODE = 2$-dimensionDIMENSIONUNLOADED_RADIUS = 0.295WIDTH = 0.195ASPECT_RATIO = 0.55$-parameterPARAMETER VERTICAL_STIFFNESS = 190000 VERTICAL_DAMPING = 50 ROLLING_RESISTANCE = 0.003 CSLIP = 80000 CALPHA = 60000 CGAMMA = 3000 UMIN = 0.8 UMAX = 1.1 REL_LEN_LON = 0.6 REL_LEN_LAT = 0.5$-shapeSHAPEradial 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$-contact patch parameters! 3D contact can be switched on by deleting the comment ! character! When no further coefficients are specified, default values will be taken!CONTACT_COEFFICIENTSCONTACT_MODEL = 3D_ENVELOPING我使用水平路面,它的文件是:$-MDI_HEADERMDI_HEADERFILE_TYPE = rdfFILE_VERSION = 5.00FILE_FORMAT = ASCII(COMMENTS)comment_stringflat 2d contact road for testing purposes$-UNITSUNITS LENGTH = mm FORCE = newton ANGLE = radians MASS = kg TIME = sec$-MODELMODEL METHOD = 2D FUNCTION_NAME = ARC901 ROAD_TYPE = flat$-GRAPHICSGRAPHICS LENGTH = 2000000.0 WIDTH = 1000000.0 NUM_LENGTH_GRIDS = 200 NUM_WIDTH_GRIDS = 100 LENGTH_SHIFT = 20000.0 WIDTH_SHIFT = 0.0$-PARAMETERSPARAMETERS MU = 1.0$-RESSYSREFSYS OFFSET = 0.0 0.0 0.0 ROTATION_ANGLE_XY_PLANE = 0.03.3.5 四轮转向整车模型将上列各个模型生成子系统然后进行组装并组装上发动机模型,得到图310的整车模型,然后就可以开始进行仿真 图310 整车模型第四章 四轮转向仿真结果4.1汽车操纵稳定性简单来说汽车操纵稳定性就是指汽车遵循驾驶者指令行驶的能力,还包括抵抗外界干扰保持稳定行驶的能力。它是汽车操纵性能与汽车行驶稳定性的总称。汽车操纵稳定性有两种评价方法和两类实验,他们是主观评价和客观评价,室内台架实验和道路实验。道路实验主要有6种,即蛇形实验、转向瞬态响应实验(转向盘转角阶跃输入实验、转向盘转角脉冲输入实验)、转向回正性能实验、转向轻便性实验和稳态回转实验13。评价指标主要是测试仪器测出的具有表征性的物理量。4.2四轮转向的仿真分析本章使用上文中建立的仿真四轮转向汽车模型来进行仿真试验,并且结合了2WS转向汽车的特性,主要做了稳态回转试验仿真(定转弯半径法)和转向盘转角阶跃输入试验。1稳态回转试验:这项测试用来检验转特性和车身侧偏特性。试验方法定转弯半径法,开始以侧向加速的3米每秒的平方眼半径为15米的圆周行驶500米进行预热。然后开始试验设置如下:2转向盘转角阶跃输入试验:测定从转向盘转角阶跃输入开始到所测变量达到新的稳态值为止的这段时间内的瞬态响应过程。这项测试是用来评价汽车的转向瞬态响应品质。仿真设置如下: 图41 质心侧偏角 图42 空气阻力图 图43 前轮转向角变化曲线 图44前扭转力变化曲线红线为4WS车辆模型,蓝线为2WS车辆模型,对仿真结果进行分析:1在稳态回转试验中4WS车辆模型和2WS车辆模型的质心侧偏角开始是基本重合的,但转向后期明显2WS汽车模型质心侧偏角小于4WS汽车模性,并且4WS汽车受到受的空气阻力明显小于2WS汽车。2从方向盘转角阶跃输入试验的结果来看,由前轮转向角随时间变化曲线图来看4WS车辆模型比2WS车辆模型对于方向盘的输入更快的做出反应,前轮转向角更快的稳定下来。根据上面的分析来看4WS车辆比2WS车辆有更好的转向性能和更快的瞬态响应性能,因此可以得到四轮转向系统对汽车操纵稳定性有不错的提升。总 结 本文研究了四轮转向对汽车操纵稳定性影响。完成这个课题后发现,采用动力学理论和相关软件进行动力学仿真不仅能令人满意的完成这个工作,而且还拥有减短实验周期,降低研究开发成本的优点。本文的主要成果有:1.通过过对课题的研究,了解了ADAMS建立动力学方程的和求解的一般过程,学习并掌握了这个软件的使用方法。2.按照教程建立了四轮转向动力学模型,并使用AMAMS/car建立四轮转向整车模型。3.不使用联合仿真,消除了联合仿真设定和连接误差的影响,并加快了仿真速度。本文认为,在当前工作基础上,可以进一步开展以下几个方面的研究工作:1.在更专业的ADAMS/car上建立更详细完整的汽车整车模型,添加更精确的参数给汽车模型,提高模型与实车的相似度。2.搭建具有4WS功能的底盘控制系统试验台,进行4WS车辆操纵稳定性实验,冰将实验数据与仿真数据进行对比。3.建立更加符合实际运行情况的动力学模型,把车辆虚拟仿真设计和实际4WS车辆实际结合起来。4.根据操纵稳定性实验的标准,对四轮转向车辆模型进行其他项目仿真,并按评价细则对控制方法进行评估。5.参考横摆角速度跟踪控制建立更加符合实际情况的模型,仿真分析获得更加优秀的横摆角速度的响应值。致 谢在完成论文的过程中,我碰到了各种各样的困难。我的论文能顺利完成,首先我要感谢的是的指导老师赵老师,每次我遇到不懂的地方向她请教时,她都会细心的给我讲解问题的关键,帮助我克服困难。从课题的选定到查阅各种资料一直到最后的设计完成花费了赵老师宝贵的时间和精力。我还要感谢我宿舍的各位同学,他们能耐下性子帮我解决一些我课题中的一些问题,还有和我一个设计小组的同学他们在我设计遇到难点是,总会为我提出一些建议帮助我完成课题。在此我向这些在我完成本论文过程中提供帮助的朋友表示由衷的感谢。参考文献 1殷国栋,陈南.四轮转向控制技术的理论及应用研究J.山东交通学院报.2008,6(2) :10-13 2郭孔辉.汽车操纵动力学.吉林科学技术出版社,1991.3王洪礼,张峰,乔宇.汽车四轮转向系统的非线性控J.机械强度,2003,25(2):130-133.4Kanai K.Design of Adaptive-Type Yaw Rate Lateral Acceleration and D-Controllers for 4-Wheel Steering Car.SICE.1998.24(4):426-4285Vikas A.Willumit H.P.Use of Fuzzy-Control Concepts in Four-Wheel-Steering Vehicles.Proceedings of XXV FISITA Congress.1994.SAE Paper 9450376焦峰,陈南,秦绪柏.四轮转向汽车操纵动力学虚拟仿真分析J,汽车工程,2004,(1):5-87崔胜民,李满天.基于神经网络的四轮转向车辆控制眼就J.哈尔滨工业大学学报,2002,34(3)8王辉,喻凡.基于Matalab的四轮转向车辆操纵稳定性仿真研究.系统仿真学报.第18卷第9期,20069余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,1992.10钟绍华,肖植雄,黄妙华.4WS汽车二自由度模型操纵稳定性分析J.武汉汽车工业大学学报,1998,20(6):13-17.11李建成.汽车转向原理.北京:机械工业出版社,2003.12方力.汽车转向系统的综述.哈尔滨.国防工业出版社,2008.13徐晓美,万亦强.汽车实验学.北京:机械工业出版社,2013.735
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