面向主观评价的汽车转向系统建模与仿真研究.doc

论文题目：面向主观评价的汽车转向系统建模与仿真研究专 业：车辆工程指导老师：*教授摘要正文：以虚拟样机动态仿真和并行工程为核心的汽车数字化开发是继福特的流水线生产和丰田的精益生产之后最具革命性的重大技术进步。应用虚拟样机技术搭建汽车数字化平台可以极大的降低产品开发成本，缩短产品开发周期，预先了解产品的性能，为整车开发技术的发展提供强大的技术支持。目前汽车虚拟样机的数字化设计仅能分析客观评价的汽车稳态工况的性能指标，对于涉及主观评价的动态过程尚不能给予设计指导。汽车开发流程的分析调校阶段仍然需要依靠专业试验评价人员在实车设计出来以后，按照一定的主观感觉评价规范，通过对被评价汽车的观察、操纵感受进行评价。其主要原因就是作为汽车虚拟样机核心的汽车动力学模型可以准确描述汽车的稳态工况的性能指标，却无法仿真汽车行驶过程中的动态行为，导致汽车无法真正实现完全数字化开发设计。现有汽车动力学模型多以描述汽车的开环固有特性为主，在汽车的客观评价区段与实车在稳态工况性能指标上能够达到相当高的一致性，可以用来进行汽车主性能的客观评价。而目前还没有一套公认统一的客观定量评价指标体系来进行汽车操纵稳定性的评价，汽车最终的评价标准和开发手段仍由主观评价来决定。汽车客观评价标准大都是针对汽车稳态工况的性能指标，而实际汽车在行驶过程中会出现很多与其不相关的异常现象，尤其在汽车的动态行驶过程中的表现尤为突出。随着车速的不断提高，汽车的响应频带加宽，各总成相互影响加剧，出现了愈来愈严重的低速工况下没有的动态过程现象。现有客观指标，可以有效反应汽车稳态工况下的运动主性能，但不能控制动态过程中出现的不良现象，而这些异常在实车开发中往往只能通过主观评价来进行评判。因此要想提高汽车动力学模型的工程利用价值，就无疑需要完善汽车动力学模型，使其不仅能够准确预测汽车的稳态性能，而且能够描述主观评价的汽车动态过程，从而真正为汽车工程技术提升和企业竞争力提高服务，反过来也会促进汽车虚拟样机技术的推广和进一步的发展。本文的研究工作主要围绕汽车主观评价中与转向系统相关的转向过程的动态仿真问题展开研究。目前模型在转向动态过程的仿真中存在以下不足，主要表现为直线行驶抗干扰能力较差，微小的干扰都会引起汽车的跑偏；在偏离行驶路线后，自身协调稳定性描述不准确，导致回正性与实车有一定差异；在方向盘中间位置，汽车反应过于灵敏，汽车中心区路感信息描述不足等。针对上述问题，研究内容的重点和难点集中在以下影响汽车转向动态过程的关键环节的建模方面：转向系统一体化模型的建立、系统内静动摩擦分离模型的建立、考虑胎体弹性的车轮模型的描述、动力传动系差速器模型的建立等。然后在验证模型与实车在稳态操纵性能一致的基础上，进行汽车线路保持性和中心区等转向工况的动态仿真研究，论证了所建模型的有效性。纵观全文，可将研究内容分为以下几个方面：首先充分调研了国内外汽车动力学模型的研究进展，针对目前汽车开发设计的工程需求，分析了无法实现完全数字化虚拟样机设计的原因。限于时间的原因，本文主要针对汽车转向动态过程仿真中与转向系统相关的关键环节展开研究，并确定了研究的技术路线和主要研究内容。其次，汽车转向动态过程仿真关键环节的研究。针对汽车模型在转向动态过程仿真中存在的不足，重点考虑以下几个关键环节：（1）转向系统的一体化建模，能够很好的保证左右车轮的贯通，组成一个完备的动力学系统，真实的描述左右车轮在汽车转向动态过程仿真中的相互协调性，在驾驶员撒手工况下，左右车轮的运动状态可以相互协调，准确估计左右车轮之间的耦合关系，这种协调能力能够保证汽车具备较好的自身稳定性。另外转向系统包含的惯量、刚度、阻尼、助力等环节也会对汽车性能产生很大的影响，这就需要建立尽可能详尽的转向系统模型，为汽车性能的准确仿真提供基础。（2）以往对汽车系统内存在的摩擦环节分析时往往忽视了静摩擦力的作用效果，用动摩擦算法代替静摩擦力的计算，使得接触的两物体即使在处于静摩擦状态下，依然会产生相对运动的加速度，模型自身抵抗外界微小干扰的能力不足。本文通过在转向球头销处建立基于静动分离的摩擦模型能够有效地模拟汽车自身的抗干扰能力，使得汽车在直线行驶时，即使存在微小的干扰，依然能够维持原有行驶线路，这与实车也是相符的。（3）建立了考虑胎体弹性的车轮模型。通过构建胎体和轮胎接地印迹块组成的动力学系统，能够根据接地印迹块动力学方程准确计算轮胎的瞬态滑移率，且保证了轮胎纵向和侧向滑移率的协调。采用“六向弹簧阻尼器”描述胎体弹性，能够有效地估计车轮制动力矩与滚动阻力矩的相互关系，保证汽车通过悬架、胎体的弹性变形自动协调整车各个部件关系的能力。轮胎接地印迹块与路面的作用力按照动静摩擦分离的方式计算，通过胎体弹簧阻尼器的受力估计轮胎在静摩擦状态下的外部作用力，从而可以根据接地印迹块的静动摩擦状态准确描述汽车原地转向和起步停车等工况。（4）建立面向结构的差速器模型。以往差速器模型的建立往往基于运动学关系，体现了两侧车轮转速的稳态关系，这种建模方式割断了左右车轮的动力学联系，不能真实反映两侧车轮转速差的自适应性。汽车转向动态仿真过程中，左右车轮转速差自适应性的保证能够更加真实的反应两侧差速效应对汽车稳定性的影响，进而为动力传动系统与其他系统的匹配提供技术保障。另外，建立整车动力学模型并与实车试验数据进行了稳态工况性能指标的对比，验证了模型与实车的一致性。为后面汽车转向动态过程仿真的研究提供有效地研究对象，论证了即使模型在稳态工况性能指标上与实车保持较好的一致性，由于缺乏相应的关键环节会造成汽车转向动态过程仿真的不准确。第三，汽车线路保持性仿真研究。通过施加在实际汽车行驶过程中可能遇到的各种微小干扰，来验证所建立关键环节对于汽车抗干扰能力实现的有效性。由于建立了一体化的转向系统模型，并考虑了静摩擦环节和包含胎体弹性的车轮模型，汽车模型能够有效抵抗方向盘微小干扰输入、路面微小不平激励、加工和装配允许误差造成的结构不对称以及左右车轮的转速差等干扰因素，维持原有线路行驶，提高了汽车模型仿真的逼真度。在转向系统一体化建模的基础上，重点分析了转向系统特性参数对汽车回正性能的影响，进而为转向系统的合理设计和匹配提供参考建议。第四，汽车中心区性能仿真研究。在总结国内外关于汽车中心区性能研究成果的基础上，提出了现有试验方法存在的不足，并补充了新的试验方法，进而能够全面反映汽车中心区的性能。结合前面嵌入的关键环节，分析了转向系统静摩擦环节对方向盘中间位置“路感”和转向灵敏度的影响，并研究了轮胎胎体弹性与中心区死区的关系及其存在的原因。综上所述，借助现有的理论方法以及仿真条件，在调研国内外研究成果的基础上，按照本文提出的技术路线和影响汽车转向动态过程仿真关键环节的分析，建立了较为全面地整车动力学模型，可以描述汽车线路保持性和中心区等转向工况的动态仿真过程，完善了汽车动力学模型，大大提高了模型的逼真度。关键词：主观评价，动态过程仿真，转向系统，线路保持性，中心区性能