1、1.4汽車總體設(shè)計(jì)整車性能仿真與系統(tǒng)匹配1.4.1 動(dòng)力性能仿真計(jì)算(1)計(jì)算目的汽車的動(dòng)力性是汽車重要基本性能指標(biāo)之一。動(dòng)力性的好壞，直接影到汽車在城市和城際公路上的使用情況。因此在新車開發(fā)階段要進(jìn)行動(dòng)力性計(jì)算，預(yù)測(cè)今后生產(chǎn)車型是否滿足使用要求。使汽車具有良好的動(dòng)力學(xué)性能.(2)已知參數(shù)如表所示表1.4.1動(dòng)力學(xué)某車型的計(jì)算參數(shù)和數(shù)據(jù)的確定或優(yōu)化參數(shù)名稱某車型變速器傳動(dòng)比一擋3.455二擋1.944三擋1.286四擋0.969五擋0.8主減速器傳動(dòng)比4.111滿載質(zhì)重1460kg空載質(zhì)量1040kg設(shè)計(jì)載荷質(zhì)量1250kg各個(gè)擋傳動(dòng)效率90%迎風(fēng)阻力系數(shù)0.35迎風(fēng)面積1.9m2滾動(dòng)阻力系數(shù)

2、公式擬和發(fā)動(dòng)機(jī)形式AFE電噴發(fā)動(dòng)機(jī)滾動(dòng)半徑0.288m(195/60R1485H)a設(shè)計(jì)載荷確定：該車型設(shè)計(jì)載荷根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN 70020規(guī)定：在空車重量（整備質(zhì)量）的基礎(chǔ)上加上座位載荷。5座位轎車前面加2人、后排加1人，也稱為半載作為設(shè)計(jì)載荷，重量假定為68kg加上隨身物品7kg,重心對(duì)于不可調(diào)整座位在 R點(diǎn) （設(shè)計(jì)H點(diǎn)）前50mm,可調(diào)整作為R點(diǎn)前100mm處。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)常常規(guī)定滿載作為設(shè)計(jì)工況.對(duì)于該計(jì)算車型如采用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，則具體計(jì)算為：1070kg+3* （68kg+7kg） =1295kgb迎風(fēng)面積：根據(jù)迎風(fēng)面積計(jì)算公式：A=0.78BH確定，其中：A迎風(fēng)面積，B車寬，H車高。對(duì)

3、于該車型而言具體計(jì)算為：A=0.78*1710mm*1427mm=1.90m 2c傳動(dòng)效率：根據(jù)該轎車的具體傳動(dòng)系統(tǒng)形式，傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率大體可以由變速器傳動(dòng)效率，單級(jí)主減速器傳動(dòng)效率，萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)效率組成。具體計(jì)算為：95% （變速器）乘96% （單級(jí)主減速器）乘98% （萬(wàn)向節(jié)）=89.4% ,同時(shí)考慮到，一般情況下采用有級(jí)變速器的轎車的傳動(dòng)系統(tǒng)效率在90%到92%之間，對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圓整，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)效率取為90%d滾動(dòng)阻力系數(shù)：滾動(dòng)阻力系數(shù)采用推薦擬和公式進(jìn)行計(jì)算：-2 一 一f = fo(1 +Ua /19440),其中：fo取為0.014 (良好水泥或者瀝青路面),Ua為車速km

4、/h(3)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)i. AJR發(fā)動(dòng)機(jī)ii AFE發(fā)動(dòng)機(jī)圖1.4.1發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線(4)基本理論概述汽車動(dòng)力性能計(jì)算主要依據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力之間的平衡關(guān)系Ft =Ff +Fw +Fi +Fj(1.4.1)表1.4.2各種受力名稱Ft_驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f_ 滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w空氣阻力，F(xiàn)i_坡道阻力，F(xiàn)j_ 加速阻力，上述驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的計(jì)算方法以及各個(gè)曲線的計(jì)算方法具體說明如下:驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖：Ttq ig i 0 g驅(qū)動(dòng)力：Ft=qN(1.4.2)rd其中：Ttq：發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用外特性曲線來確定。也就是說我們可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速利用外特性曲線進(jìn)行插值計(jì)算來獲

5、得，單位N.M.ig :變速器各個(gè)擋位的傳動(dòng)比i 0:主減速器傳動(dòng)比%：傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)擋位情況下的傳動(dòng)效率rd :車輪的滾動(dòng)半徑，單位m滾動(dòng)阻力：Ff =mgfcos(a), N(1.4.3)其中：m :是汽車計(jì)算載荷情況下的質(zhì)量，單位：kgg:重力加速度，單位：m/s2f :汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)豆：道路坡角,單位：rad2空氣阻力：Fw=CDA-ua,N(1.4.4)21.15其中：Cd :空氣阻力系數(shù)，A:迎風(fēng)面積，單位：m2ua ：車速,單位是km/h坡道阻力：Fi =mgsin(u) , N(1.4.5)其中：m :計(jì)算載荷情況下汽車的質(zhì)量，單位：kgg:重力加速度，單位：m/s20:道路坡

6、角,單位：rad加速阻力：Fj =5m-dua- , N(1.4.6)dt其中：6 :旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，根據(jù)估算公式1 =1十J2確定，在轎車中和和另取值范圍在0.03到0.05之間，我們?nèi)∑骄鶖?shù)值6尸62=0.04m :計(jì)算載荷情況下汽車的質(zhì)量，單位：kg如:汽車行駛加速度，單位：m/s2dt在進(jìn)行不同擋位的驅(qū)動(dòng)力和阻力計(jì)算時(shí)我們還需要知道車輛速度與發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：n nua =0.377 ,(1.4.7)aigi。其中：ua ：車速,單位是km/hn :發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是rpmi o:主減速器傳動(dòng)比% :傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)擋位情況下的傳動(dòng)效率rd :車輪的滾動(dòng)半徑,單位：m根據(jù)上述公式我

7、們就可以方便的確定出汽車的驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡曲線，求出驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的交點(diǎn)即為最高車速。動(dòng)力因數(shù)圖動(dòng)力因數(shù)定義公式：D = Ft - Fw（1.4.8）mg其中各個(gè)參數(shù)的含義同前面的說明。利用公式（1.4.8）結(jié)合前面公式就可以計(jì)算出汽車各個(gè)擋位的動(dòng)力因數(shù)。功率平衡圖在公式（1.4.1）的基礎(chǔ)上，如果我們?cè)诠絻啥顺艘攒囕v速度Ua,經(jīng)過整理就可以得到功率平衡計(jì)算公式（單位是 kW）:_ 1 mgfcos(二)Uamgsin(： M CdAu； ,、mUa d”P-e y () 1.4.9 )g 36003600761403600 dtg其中:Pe：發(fā)動(dòng)機(jī)效率，單位kW其他各個(gè)參數(shù)的意義和單位

8、同上述說明。利用公式（1.4.9）我們就可以計(jì)算出汽車行駛功率平衡曲線。爬坡度曲線由于計(jì)算爬坡度時(shí)，汽車除了克服空氣阻力，滾動(dòng)阻力之外所有的剩余驅(qū)動(dòng)力都用來克服坡道阻力，所以加速阻力為零。根據(jù)公式（1.4.1）我們可以得到如下公式Ff Fi = Ft - Fw代入公式（1.4.3）, （1.4.5）我們就可以得到如下公式：mgf cos.：> >mgsin 二=Ft - Fw如果我們代入公式cos =，1-siina以及公式（1.4.8）,經(jīng)過整理那么我們就可以得到：.D - f 1 -D2 f2a a arcsin2 （1.4.10）1 f然后根據(jù)公式i=tga進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就可

9、以計(jì)算出爬坡度曲線了。加速時(shí)間汽車的驅(qū)動(dòng)力除了用來克服空氣阻力，滾動(dòng)阻力以外主要是用來克服加速阻力，此時(shí)坡道阻力為零。根據(jù)公式（1.4.1）, （1.4.6）我們可以得到如下公式：du dt-Fw =aj所以u(píng)2 1時(shí)間t =一duaj然后我們采用龍貝格數(shù)值積分計(jì)算方法對(duì)上面的公式進(jìn)行積分就可以得到所需要的加速時(shí)間曲線(5)計(jì)算分析根據(jù)上述已知條件以及相關(guān)的計(jì)算理論，得到如下計(jì)算結(jié)果a.該車型的計(jì)算實(shí)例i.驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖12020406080100120140160車速 V ( km/h )4)nk ( F力阻-二力動(dòng)驅(qū)0 -0204060801001201401603p?u V( km

10、/h )0.1汽車驅(qū)動(dòng)力阻力平衡圖圖1.4.2汽車驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡圖動(dòng)力因數(shù)圖汽車動(dòng)力特性圖0.50.4?一 a 0.3 o oe y D °.2圖1.4.3汽車動(dòng)力特性圖功率平衡圖汽車功率平衡圖圖1.4.4汽車功率平衡圖加速度曲線冬4540% 350 30, xi 25纂20坡爬15,10520406080100120140160車速 V ( km/h )爬坡度曲線ii汽車爬坡度圖圖1.4.6汽車爬坡度曲線圖時(shí)間速度曲線時(shí)間速度曲線160150140130120110100908070605040302010E.1.1ri1U|iJj，bt，lb，,rr，| an i 丁，1

11、vti.上一一15-；iiiir.iii 十,1 7一一，一一獷j i卜立1T* 卜L. 12 MB tiii二14468101214161820222426283032時(shí)間（s）圖1.4.7汽車加速時(shí)間曲線圖根據(jù)上述計(jì)算條件和計(jì)算結(jié)果，我們可以確定設(shè)計(jì)載荷情況下的計(jì)算結(jié)果：表1.4.3計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目計(jì)算數(shù)值公布數(shù)值汽車最局車速169.0km/h165km/h0到100km/h加速時(shí)間13.0s13.9s最高檔30km/h加速通過400m時(shí)間23.0s原地起步加速通過400m時(shí)間18.8s最高檔最大動(dòng)力因數(shù)0.1最大爬坡度48.4%從上面的計(jì)算結(jié)果我們可以看出，試驗(yàn)數(shù)值同計(jì)算數(shù)值之間的誤差基本控

12、制在5%工程誤差范圍之內(nèi)，汽車的動(dòng)力性能計(jì)算和仿真結(jié)果是正確的，可以進(jìn)行整車 匹配設(shè)計(jì)。1.4.2燃油經(jīng)濟(jì)性能仿真隨著世界石油危機(jī)的出現(xiàn)，節(jié)約汽車用油是現(xiàn)代汽車制造業(yè)和運(yùn)輸業(yè)必須首先考慮的問題，在汽車設(shè)計(jì)之初就必須對(duì)所設(shè)計(jì)汽車的經(jīng)濟(jì)性有準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。(1)等速百公里油耗計(jì)算原理汽車等速百公里油耗計(jì)算主要是依據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線以及汽車功率平衡圖進(jìn)行油耗計(jì)算。計(jì)算具體過程說明如下：首先計(jì)算汽車在不同車速情況下以最高擋位行駛時(shí)的阻力功率，主要是空氣阻力功率和滾動(dòng)阻力功率。根據(jù)動(dòng)力性能的計(jì)算公式我們可以知道3(1.4.11)1 mgf cos( )扇 Cd A”、 e -()g 36007614

13、0g其中:Pe：發(fā)動(dòng)機(jī)功率，單位：kW% :傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)擋位情況下的傳動(dòng)效率m :是汽車計(jì)算載荷情況下的質(zhì)量,單位：kg。2g:重力加速度,單包：m/sf :汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)& ：道路坡角,單位：radCd :空氣阻力系數(shù)A:迎風(fēng)面積,單位：m2ua ：車速,單位:km/h然后根據(jù)公式rd n/、ua =0.377 ,(1.4.12)igi0來確定最高擋位情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速之間的關(guān)系以獲得對(duì)應(yīng)不同車速的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中：ua ：車速,單位:km/hn :發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：rpmi 0:主減速器傳動(dòng)比ig :傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)擋位情況下的傳動(dòng)效率1 :車輪的運(yùn)動(dòng)半徑，單位：m最后利用已經(jīng)獲

14、得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)功率根據(jù)萬(wàn)有特性曲線進(jìn)行插值計(jì)算獲得燃油消耗率gm,然后根據(jù)公式：Qs = Pe gm/(0.00102UaPg)(1.4.13)計(jì)算得出等速百公里油耗。其中:Qs：等速百公里油耗，單位：gm：發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃油消耗率我們利用萬(wàn)有特性曲線通過對(duì)轉(zhuǎn)速和功率的插值計(jì)算來獲得，單位：g/kW/h Pe:發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率，我們采用設(shè)計(jì)的阻力功率來獲得，也就是包括滾動(dòng)阻力功率，迎風(fēng)阻力功率(加速阻力和坡路阻力為零)，單位：kWUa：汽車行駛車速，利用車速同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，我們就可以得到這時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,單位：Km/h2P :燃油餐'度，單包：kg/mg:重力加速度，單位：

15、m/s-2(2)微型車10個(gè)工況油耗微型車10工況油耗是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽車復(fù)雜運(yùn)行工況來計(jì)算的，汽車運(yùn)行工況的具體規(guī)定參見圖1.4.8。圖1.4.8汽車十工況試驗(yàn)循環(huán)從上面的圖形我們可以看出這些復(fù)雜公況主要包括加速工況、包速工況、減速工況，怠速工況等等。下面我們逐一說明具體的計(jì)算方法：a恒速工況計(jì)算方法同等速百公里油耗的計(jì)算方法類似。首先利用公式(1.4.11),(1.4.12)確定汽車運(yùn)行狀態(tài)的功率與車速，然后根據(jù)下面公式計(jì)算對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間油耗：Qt =Pe，gm/(0.3671 %)(單位：L/s)(1.4.14)其中：Qt :等速百公里油耗，單位：Lgm：發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃油消耗率，我們

16、利用萬(wàn)有特性曲線通過對(duì)轉(zhuǎn)速和功率的插值計(jì)算來獲得，單位：g/kW/hPe:發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率，我們采用設(shè)計(jì)的阻力功率來獲得，也就是包括滾動(dòng)阻力功率，迎風(fēng)阻力功率(加速阻力和坡路阻力為零)，單位：kWUa：汽車行駛車速，利用車速同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，我們就可以得到這時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：Km/h2P :燃油餐'度，單包：kg/mg:重力加速度，單位：m/s-2然后根據(jù)公式：Qc =Qt tc （單位：L）計(jì)算這段恒速階段時(shí)間內(nèi)的油耗 其中:tc ：行駛時(shí)間，單位：s 同時(shí)這段時(shí)間內(nèi)的行使距離為:Sc =Uatc/3.6 (單位：m) 其中ua為行駛速度，單位：km/h。b加速工況根據(jù)動(dòng)力性

17、能計(jì)算說明書，我們可以知道汽車在行駛過程中的功率表達(dá)方式為:1 mgf cos(： )UaPe 二 (g 3600 gCdAu：76140mua du)3600 dt，(1.4.15)其中:47Pe：發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率，單位：kW% :傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)擋位情況下的傳動(dòng)效率m :是汽車計(jì)算載荷情況下的質(zhì)量，單位：kg。g：重力加速度，單位：m/s2 f :汽車滾動(dòng)阻力系數(shù)a :道路坡角單位：radCd :空氣阻力系數(shù),A：迎風(fēng)面積，單位:Ua ：車速,單位：km/h6 :旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù),根據(jù)估算公式二=1 - Ii：+ &2確定，在轎車中大和力取值范圍在0.03到0.05之間，我們?nèi)∑骄鶖?shù)值1

18、= 2=0.04m :計(jì)算載荷情況下汽車的質(zhì)量，單位：kgdua：汽車行駛加速度,單位：m/s2 dt然后確定不同擋位情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速之間的關(guān)系以獲得對(duì)應(yīng)不同車 速的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。最后利用已經(jīng)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)功率根據(jù)萬(wàn)有特性曲線進(jìn)行插值計(jì)算獲得燃油消耗率gm。那么我們可以根據(jù)公式：QtPe0.3671 ：g,L/s(1.4.16)確定單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗量我們把加速階段內(nèi)的燃油消耗量用積分公式表達(dá)成為:Qat2=Qtdt ,Lt1(1.4.17)其中:t 2, t1為加速開始和截止時(shí)間，單位So如果這段計(jì)算期間開始速度為乂1（單位：km/h）,截止速度為 人2（單位:22km/h）

19、,那么這段時(shí)間內(nèi)的行駛距離為:s=Ua2Ua1（單位：m）25.92包 dtc減速工況因?yàn)闇p速工況下，汽車油門松開并且輕微制動(dòng)，那么這段時(shí)間內(nèi)的油耗為怠速油耗消耗率與減速時(shí)間的乘積。Qd =Qi.td其中：Qi：怠速油耗消耗率，單位：L/s;td；減速時(shí)間，單位So如果這段計(jì)算期間開始速度為Uai（單位：km/h）,截止速度為Ua2（單位:22km/h）,那么這段時(shí)間內(nèi)的行駛距離為:s= ua1 -ua2（單位：m）du25.92 - dtd怠速停車公況如果怠速停車時(shí)間為ts （單位：s）,那么燃油消耗量Qid （單位：L）為：Qid =Qits其中：Qi：怠速油耗消耗率，單位：L/s;ts：

20、時(shí)間,單位:s綜合上述計(jì)算，對(duì)等速，等減速，怠速組成循環(huán)工況的等效百公里油耗為:八 ' QQs =父 100000 （單位：L）“ s其中：Z Q:為各個(gè)階段燃油消耗量的總和（單位：L）。Z s：為各個(gè)階段行駛路程總和（單位： m）0（3）輸入?yún)?shù)表1.4.4輸入?yún)?shù)參數(shù)名稱某微型汽布發(fā)動(dòng)機(jī)形式456Q總重1450kg空氣阻力系數(shù)0.44傳動(dòng)效率90%迎風(fēng)面積2.25m2主減速器傳動(dòng)比5.125變速器5擋1擋3.6522擋1.9473擋1.4234擋1.05擋0.795滾動(dòng)阻力系數(shù)0.013燃油密度7.05N/cm3車輪半徑0.265m怠速燃油消耗率0.299ml/s(4)計(jì)算實(shí)例結(jié)果

21、a.多工況油耗表 1.4.5工況油耗10工況8.77Lb.某微型車4擋等速百公里油耗圖1.4.9某微型車4擋等速百公里油耗c.某微型車5擋等速百公里油耗圖1.4.10某微型車5擋等速百公里油耗1.4.3 操縱穩(wěn)定性仿真和系統(tǒng)優(yōu)化(1) 計(jì)算目的汽車操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個(gè)重要性能，根據(jù)操縱穩(wěn)定性涉及的具體內(nèi)容需仿真計(jì)算包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：時(shí)域計(jì)算、頻域計(jì)算、瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計(jì)算、角輸入響應(yīng)計(jì)算、力輸入響應(yīng)計(jì)算等內(nèi)容。(2) 角階躍輸入響應(yīng)a 原理如圖 1.4.11 ，我們采用三自由度汽車模型，也就是航向角、車身側(cè)傾角、重心處側(cè)偏角

22、來描述汽車的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圍繞Z 軸， X 軸的力矩平衡以及沿Y 軸的受力平衡列出微分方程，然后進(jìn)行求解。圖1.4.11三自由度模型b方程推導(dǎo)（a） 坐標(biāo)系統(tǒng)依據(jù)上圖以汽車靜止時(shí)重心鉛垂線與側(cè)傾軸線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)， 以汽車縱 向水平軸線取為X軸線，前進(jìn)方向?yàn)檎较颍^原點(diǎn)與 X軸垂直方向向上為Z 軸，與X, Z軸線垂直方向?yàn)閅軸線，坐標(biāo)系統(tǒng)符合右手法則。在將前輪轉(zhuǎn)向角（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角）看做已知輸入時(shí)，汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用 三個(gè)廣義坐標(biāo)來表示：航向角 中、重心側(cè)偏角P和車身側(cè)傾角M 按右手定則， 中、P的正向與Z軸一致。e正向與X軸正向一致。輪胎在側(cè)向力作用下產(chǎn)生側(cè)偏角 1 1 （前輪）與P2 （后輪

23、），它們由側(cè)向力 Py1、Py2與相應(yīng)輪胎的特性所決定。在既定側(cè)偏角方向的情況下， Py1、Py2以與 Y軸相反的方向?yàn)檎＃╞） 符號(hào)說明如果單位不進(jìn)行特殊說明均采用國(guó)際單位制。M :整車質(zhì)量（kg）M s:懸架上質(zhì)量（kg）1 :軸距（m）a,b:重心到前后軸的距離（m）Iz:整車?yán)@垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）Ixc:懸架上質(zhì)量繞通過懸掛質(zhì)量重心的X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.m2)Ixz:懸架上質(zhì)量繞通過懸掛質(zhì)量重心的X, Z的軸慣性積(kg.m2)kf:前輪單側(cè)側(cè)偏剛度(N/rad)k：后輪單側(cè)側(cè)偏剛度(N/rad)N1:前輪回正力矩系數(shù)(N.m/rad)N2:后輪回正力矩系數(shù)(N.m/r

24、ad)0=口：前輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)二、.2 一一&=4：后輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)Ce :前側(cè)傾角剛度(N.m/rad)C電：后側(cè)傾角剛度(N.m/rad)Df ：前側(cè)傾角阻尼(N.m/rad/s)Dr:后側(cè)傾角阻尼(N.m/rad/s)h：側(cè)傾力臂(m),懸掛上質(zhì)量重心到側(cè)傾中心的垂直距離:汽車航向角(rad),：懸架上質(zhì)量與懸架下質(zhì)量之間相對(duì)側(cè)傾角(rad)(P:重心處速度與絕對(duì)坐標(biāo)之間的夾角(rad)r =中 r:橫擺角速度(rad/s)p ="側(cè)傾角速度(rad/s)R _ (p Uf一：重心處側(cè)偏角(rad)加:前輪有效側(cè)偏角(rad)S2：后輪有效側(cè)偏角(rad)6：名義前輪轉(zhuǎn)

25、角(rad)V :車速(m/s)Py1 =2kf&：前輪側(cè)向力(N)Py2后輪側(cè)向力(N)(c)方程推導(dǎo)過程在上述坐標(biāo)系統(tǒng)中，坐標(biāo)原點(diǎn)O的絕對(duì)加速度在 Y軸方向的投影為:Y = V d cos -dt在。不太大的范圍內(nèi)，cos P 1 ,故Y =Vdj出=V(dt)=V(r I(1.4.18)懸架上質(zhì)量重心的橫向絕對(duì)加速度在Y軸上的投影為, , .Ys=Y-hp=V(r ：) -hp(1.4.19)按達(dá)朗貝爾原理，可列出如下三個(gè)平衡方程:繞Z軸力矩平衡式：Isr IXzP = -嗎1bPy2(1.4.20)沿Y軸力平衡式：(M -Ms)(rf)V Ms(r)V -hp = -(Py-P

26、y2)(1.4.21)MV(r)-Msh p = -(Py1Py2)(1.4.22)繞X軸力矩平衡式：Ixcp -MsV(r -) -hph I/ u-(Df Dr)P-(C 1 C 2 -Mshg)(1.4.23)其中Ixc是懸架上質(zhì)量繞車身重心的縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顧及 Ixc+Msh2 = Ix,得IxpMshV(r +pj +Ixz，= (Df +Dr)p(C 中 + C中-Mshg)*(1 4 24)Py1 =2kfSJ由于Py2 =2kr,2(1.4.25)及幾何關(guān)系：每i =P+9E*每V 62 = B - - r - E*V，(1.4.26)其中Izr + I*p=N.r + Np

27、P +N + NMV(P +r) -Mshp =Yrr +YpP +Y心 +Y. Ix p _M shV(r 十 B)十 I j = Lpp + L0(1.4.27)kr b 2)N -： = 2 ( - ak f bk)N . = 2( -bErkr aE f k f )N 8 u 2 ak fYr2(一 akf bk rVY ： = -2(kf kr)Y1= 2(kf E f krEr)Y、= 2 kLp = -(D f Dr)L = -(Ci C 2 - M sgh )(1.4.28)為了便于上機(jī)運(yùn)算，可令四維向量?jī)x=«(1.4.29)為系統(tǒng)的狀態(tài)變量那么我們就可以把上述微分方

28、程改寫成為狀態(tài)變量X的一階微分方程(1.4.30)其中Iz 0 Ixz 0ML |o Mr -Mr 0I xs -MshV Ix 0-0 0 0 11(1.4.31)一 Nr Np 0 N®.Yr - MV Yp 0 Y MshV 0 Lp L® 0 0 10_(1.4.32)Ml3 丫80：0 .(1.4.33)利用上述方程就可以進(jìn)行汽車角輸入操縱穩(wěn)定性能仿真計(jì)算0（d）計(jì)算結(jié)果參考標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)試驗(yàn)安全車操縱穩(wěn)定性性能要求極其試驗(yàn)方法汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值和評(píng)價(jià)方法GB/T13047-91c仿真計(jì)算（a）輸入?yún)?shù)列表如表1.4.6表1.4.6輸入?yún)?shù)參數(shù)名稱參考設(shè)計(jì)車型1整車

29、質(zhì)量（設(shè)計(jì)載荷）1250kg簧載質(zhì)量（設(shè)計(jì)載荷）1121kg軸距2548mm整車重心至前軸距離1.086m整車重心至后軸距離1.462m整車?yán)@Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2139kg*m2懸架上質(zhì)量繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量455kg*m 2懸架上質(zhì)量繞XY軸慣性積0前輪側(cè)偏剛度（單輪）23147N/rad后輪側(cè)偏剛度（單輪）38318N/rad前輪回正力矩系數(shù)0后輪回正力矩系數(shù)0前側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)-0.114后側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)0前側(cè)傾角剛度47785N/rad后側(cè)傾角剛度57525N/rad前側(cè)傾角阻尼2311N/rad/s后側(cè)傾角阻尼2212N/rad/s側(cè)傾力臂0.46m(b)仿真計(jì)算條件車速 v=40 , 80 , 11

30、0km/h6 = 4角階躍輸入O4±0.02g 之間。t 二 tot>t0 ，并且使汽車的側(cè)向加速度位于(c)仿真計(jì)算結(jié)果車速V=40km/h時(shí)的操縱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖1.4.12 所示：圖1.4.12橫擺角速度曲線(車速V=40km/h)角階躍輸入口晌一橫擺角速度1.81.6SANTANA SAIC1.41.210.80.60.40.2000.5法則面線1.52.5時(shí)間（s）圖1.4.13橫擺角速度曲線（車速V=80km/h）1.86 4角階躍輸入響應(yīng)一橫擺角速度2 18 616 6O / 2 O o O52.5圖1.4.14橫擺角速度曲線（車速V=120km/h）（d）結(jié)果

31、統(tǒng)計(jì)與分析上面三個(gè)圖就是在不同車速度情況下，某型轎車（以下簡(jiǎn)稱車型1）作為新設(shè)計(jì)（以下簡(jiǎn)稱為車型2）的近似參考車型，汽車角階躍輸入響應(yīng)曲線，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間也變長(zhǎng)，在高速情況下這種趨勢(shì)更加明顯數(shù)據(jù)具體統(tǒng)計(jì)如下表1.4.7:表1.4.7瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果指標(biāo)速度超調(diào)量反映時(shí)間穩(wěn)定時(shí)間車型1車型2車型1車型2車型1車型2V=40km/h0.24%0.44%0.49s0.47SV=80km/h11.6%12.0%0.21s0.23s0.64s0.74sV=110km/h39%46%0.15s0.17s0.67s0.8s從上面表格中的數(shù)據(jù)基本上可以看出各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，并且都位于美國(guó)安全實(shí)驗(yàn)車橫擺瞬態(tài)響應(yīng)

32、滿意區(qū)域之內(nèi)。（3）力階躍輸入響應(yīng)a.方程推導(dǎo)（a）符號(hào)說明除了上述角輸入運(yùn)動(dòng)方程輸入的參數(shù)之外，還包括如下參數(shù):Do：前輪回正力臂。包括主銷后傾距與輪胎拖距（m）Is：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）I®:兩前輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）Co:轉(zhuǎn)向盤自由時(shí)抵抗前輪轉(zhuǎn)角的剛性（N.m/rad）K：轉(zhuǎn)向盤自由時(shí)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的當(dāng)量阻力系數(shù)（ N.m/rad/s ） Cua :轉(zhuǎn)向柱與Z軸的夾角（rad）i :轉(zhuǎn)向系總傳動(dòng)比T :轉(zhuǎn)向盤上的駕駛員輸入力矩（N.m）（b）坐標(biāo)系統(tǒng)如下圖所指示，考慮汽車以一定的車速 V作等速行駛，略去汽車的垂直振 動(dòng)和輪胎撓度的變化，略去空氣動(dòng)力對(duì)橫向力與力

33、矩的影響， 研究駕駛員給轉(zhuǎn)向 盤以力指令輸入時(shí)汽車的操縱運(yùn)動(dòng)。與分析角輸入運(yùn)動(dòng)類似，取一套固定于汽車 的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，以整車的重心鉛垂線與側(cè)傾軸（前后側(cè)傾中心的連線）的交點(diǎn) 為原點(diǎn)，以汽車的縱向水平軸為 X軸。以過原點(diǎn)與X軸垂直的方向?yàn)閅軸（以 汽車的左側(cè)方向?yàn)檎颍^原點(diǎn)的鉛垂軸為Z軸。這樣的坐標(biāo)取法符合右手定 則。在水平平面上的所有角度（前輪轉(zhuǎn)角、側(cè)偏角、方位角等）及對(duì)應(yīng)的角速度 與角加速度均取逆時(shí)針方向?yàn)檎ㄒ喾嫌沂侄▌t而與Z軸正向一致。車速向量的增量與Y軸的正向一致并成0角）。在將駕駛員給轉(zhuǎn)向盤的力矩 T看作已知 輸入時(shí)，則汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用四個(gè)廣義坐標(biāo)來近似表示：方位角（航向角）

34、山，重心側(cè)偏角B，車身側(cè)傾角小與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角8 （或參考轉(zhuǎn)向角6=）。按右手i定則，巾、B、6均以與Z軸方向一致為正向。小角以與X軸方向一致為正向。 側(cè)向力Py1、Py2的方向由所假定的前后偏離角 A、3的方向確定。因此以與Y軸 方向相反為正向。(c)方程推導(dǎo)過程在上述坐標(biāo)系統(tǒng)中，坐標(biāo)原點(diǎn) 。的絕對(duì)加速度在Y軸方向的投影為:dY =Vcos “dt(1.4.34)dt其中，Vx =VcosP是絕對(duì)速度在X軸方向的投影，考慮B不大的情況，Vx定V ,ddT=V(dtA" j(1.4.35)懸架上質(zhì)量重心的橫向絕對(duì)加速度在Ys-hp =V(r - -) -hpY軸上的投影為;(1.4.36

35、)按達(dá)郎貝爾原理，繞Z軸力矩平衡式:Izr Ixz p aPy1 -bPy2 =0(1.4.37)沿Y軸力平衡式：(M -Ms)(r-)V Ms V(r -) - hpl Py1 Py2 =0(1.4.38)繞X軸力矩平衡式：Dr)p (C 1 C 2 - Mshg) =0Ixc p-Ms V(r ：) -h p h I*r (Df(1.4.39)其中，I xc是懸架上質(zhì)量繞過車身重心的縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顧及 Ix = Ixc+Msh2, 得Ix p-MshV(r :) Ixzr (Df D.)p (C 1 C 2 - Mshg) = 0 (1.4.40)繞主銷的力矩平衡式：r qi T Is(

36、u rcos： 一 sin： )i Py1D.-I,； -k ； -C ； =0(1.4.41)另外，由幾何關(guān)系:a _、i = ： r - E f -:2 =_ - r - Er二-i、(1.4.42)以及輪胎特性：Pyi =2kf"Py2 = 2kr ； 2 )可以得到如下方程:(1.4.43)2. 2.a kf b krIzr Ixz 2-r 2(akf -bkr) - 2(bkrEr -akfEf) -2akf、=0MV Msh(MV 2akf2bkr)r 2億 K)： _(2kfEf 2KEJ _2k二0Ixzr -MshV- Ix -MshVr (Df Dr)(C1 C2 -Mshg) :0(hcos )r -(iIsSin )(iI 卜.k