1、 汽車(chē)總體設(shè)計(jì)整車(chē)性能仿真與系統(tǒng)匹配動(dòng)力性能仿真計(jì)算計(jì)算目的 汽車(chē)的動(dòng)力性是汽車(chē)重要基本性能指標(biāo)之一。動(dòng)力性的好壞，直接影到汽車(chē)在城市和城際公路上的使用情況。因此在新車(chē)開(kāi)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(chē)型是否滿足使用要求。使汽車(chē)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能.已知參數(shù)如表所示表 動(dòng)力學(xué)某車(chē)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(chēng)某車(chē)型變速器傳動(dòng)比一擋二擋三擋四擋五擋主減速器傳動(dòng)比滿載質(zhì)量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)迎風(fēng)面積滾動(dòng)阻力系數(shù)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(195/60R1485H)a 設(shè)計(jì)載荷確定： 該車(chē)型設(shè)計(jì)載荷根據(jù)

2、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 70020規(guī)定：在空車(chē)重量（整備質(zhì)量）的基礎(chǔ)上加上座位載荷。5座位轎車(chē)前面加2人、后排加1人，也稱(chēng)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(chē)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=確定，其中：A迎風(fēng)面積，B車(chē)寬，H車(chē)高。對(duì)于該車(chē)型而言具體計(jì)算為：A=*1710mm*1427mm=c 傳動(dòng)效率： 根據(jù)該轎車(chē)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

3、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)）=%，同時(shí)考慮到，一般情況下采用有級(jí)變速器的轎車(chē)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：，其中：取為（良好水泥或者瀝青路面），為車(chē)速km/h。轉(zhuǎn)矩發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n/min 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線轉(zhuǎn)矩發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n/min轉(zhuǎn)矩發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n/minAJR發(fā)動(dòng)機(jī) ii AFE發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n/min圖 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線基本理論概述 汽車(chē)動(dòng)力性能計(jì)算主要依據(jù)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力

4、之間的平衡關(guān)系:（） 表 各種受力名稱(chēng)_驅(qū)動(dòng)力，_滾動(dòng)阻力，_空氣阻力，_坡道阻力，_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(shuō)明如下：驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖：驅(qū)動(dòng)力：，N （）其中：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(lái)確定。也就是說(shuō)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(lái)獲得, 單位.：變速器各個(gè)擋位的傳動(dòng)比：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：車(chē)輪的滾動(dòng)半徑,單位m滾動(dòng)阻力：，N （）其中：是汽車(chē)計(jì)算載荷情況下的質(zhì)量,單位：kg：重力加速度,單位：m/s2：汽車(chē)滾動(dòng)阻力系數(shù)：道路坡角, 單位：rad空氣阻力：,N （）其中：空氣阻力系數(shù)

5、，：迎風(fēng)面積, 單位：m2：車(chē)速,單位是km/h坡道阻力：，N （）其中：計(jì)算載荷情況下汽車(chē)的質(zhì)量,單位：kg：重力加速度, 單位：m/s2：道路坡角, 單位：rad加速阻力：，N （）其中：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，根據(jù)估算公式確定，在轎車(chē)中和取值范圍在到之間，我們?nèi)∑骄鶖?shù)值=:計(jì)算載荷情況下汽車(chē)的質(zhì)量, 單位：kg:汽車(chē)行駛加速度, 單位：m/s2 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(chē)輛速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：， （）其中：車(chē)速,單位是km/h：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位是rpm：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：車(chē)輪的滾動(dòng)半徑, 單位：m 根據(jù)上述公式我們就可以方便的確定

6、出汽車(chē)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(chē)速。動(dòng)力因數(shù)圖動(dòng)力因數(shù)定義公式： （）其中各個(gè)參數(shù)的含義同前面的說(shuō)明。利用公式（）結(jié)合前面公式就可以計(jì)算出汽車(chē)各個(gè)擋位的動(dòng)力因數(shù)。功率平衡圖在公式（）的基礎(chǔ)上，如果我們?cè)诠絻啥顺艘攒?chē)輛速度，經(jīng)過(guò)整理就可以得到功率平衡計(jì)算公式（單位是kW）： （）其中：發(fā)動(dòng)機(jī)效率，單位kW其他各個(gè)參數(shù)的意義和單位同上述說(shuō)明。利用公式（）我們就可以計(jì)算出汽車(chē)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(chē)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(lái)克服坡道阻力，所以加速阻力為零。根據(jù)公式（）我們可以得到如下公式代入公式（），（）我們就

7、可以得到如下公式：如果我們代入公式 以及公式（），經(jīng)過(guò)整理那么我們就可以得到： （）然后根據(jù)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就可以計(jì)算出爬坡度曲線了。加速時(shí)間汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力除了用來(lái)克服空氣阻力，滾動(dòng)阻力以外主要是用來(lái)克服加速阻力，此時(shí)坡道阻力為零。根據(jù)公式（），（）我們可以得到如下公式：所以時(shí)間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。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。該車(chē)型的計(jì)算實(shí)例驅(qū)動(dòng)力行駛阻力平衡圖圖 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡圖動(dòng)力因數(shù)圖圖 汽車(chē)動(dòng)力特性圖功率平衡圖圖 汽車(chē)功率平衡圖加速度曲線圖 汽車(chē)加速度曲線圖爬坡度曲線圖 汽車(chē)爬

8、坡度曲線圖時(shí)間速度曲線圖 汽車(chē)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 計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目計(jì)算數(shù)值公布數(shù)值汽車(chē)最高車(chē)速h165km/h0到100km/h加速時(shí)間最高檔30km/h加速通過(guò)400m時(shí)間原地起步加速通過(guò)400m時(shí)間最高檔最大動(dòng)力因數(shù)最大爬坡度%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制在5%工程誤差范圍之內(nèi),汽車(chē)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(chē)匹配設(shè)計(jì)。 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(chē)用油是現(xiàn)代汽車(chē)制造業(yè)和運(yùn)輸業(yè)必須首先考慮的問(wèn)題，在汽車(chē)設(shè)計(jì)之初就必須對(duì)所設(shè)計(jì)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性有準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。等

9、速百公里油耗計(jì)算原理 汽車(chē)等速百公里油耗計(jì)算主要是依據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線以及汽車(chē)功率平衡圖進(jìn)行油耗計(jì)算。計(jì)算具體過(guò)程說(shuō)明如下： 首先計(jì)算汽車(chē)在不同車(chē)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 ）其中：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：是汽車(chē)計(jì)算載荷情況下的質(zhì)量, 單位：kg。：重力加速度, 單位：m/s2：汽車(chē)滾動(dòng)阻力系數(shù)：道路坡角, 單位：rad：空氣阻力系數(shù)：迎風(fēng)面積,單位：m2：車(chē)速,單位:km/h然后根據(jù)公式， （） 來(lái)確定最高擋位情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速之間的關(guān)系以獲得對(duì)應(yīng)不同車(chē)速的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

10、其中：車(chē)速,單位:km/h：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位:rpm：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：車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)半徑, 單位：m 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，然后根據(jù)公式： （）計(jì)算得出等速百公里油耗。其中：等速百公里油耗，單位：L：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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速和功率的插值計(jì)算來(lái)獲得,單位：g/kW/h：發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率，我們采用設(shè)計(jì)的阻力功率來(lái)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：kW：汽車(chē)行駛車(chē)速，利用車(chē)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：

11、Km/h ：燃油密度, 單位：kg/m2:重力加速度, 單位：m/s-2微型車(chē)10個(gè)工況油耗 微型車(chē)10工況油耗是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽車(chē)復(fù)雜運(yùn)行工況來(lái)計(jì)算的，汽車(chē)運(yùn)行工況的具體規(guī)定參見(jiàn)圖。圖 汽車(chē)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、恒速工況、減速工況，怠速工況等等。下面我們逐一說(shuō)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(lèi)似。首先利用公式（），（）確定汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的功率與車(chē)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：（單位：L/s） ）其中：等速百公里油耗，單位：L：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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速和功率的插值計(jì)算來(lái)

12、獲得,單位：g/kW/h：發(fā)動(dòng)機(jī)工作功率，我們采用設(shè)計(jì)的阻力功率來(lái)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：kW：汽車(chē)行駛車(chē)速，利用車(chē)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/h ：燃油密度, 單位：kg/m2:重力加速度, 單位：m/s-2然后根據(jù)公式：（單位：L）計(jì)算這段恒速階段時(shí)間內(nèi)的油耗。其中：行駛時(shí)間，單位:s同時(shí)這段時(shí)間內(nèi)的行使距離為：/（單位：m）其中為行駛速度，單位:km/h。b加速工況根據(jù)動(dòng)力性能計(jì)算說(shuō)明書(shū)，我們可以知道汽車(chē)在行駛過(guò)程中的功率表達(dá)方式為： （）其中：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

13、的傳動(dòng)效率：是汽車(chē)計(jì)算載荷情況下的質(zhì)量，單位：kg。：重力加速度，單位：m/s2：汽車(chē)滾動(dòng)阻力系數(shù)：道路坡角單位：rad：空氣阻力系數(shù)，：迎風(fēng)面積，單位：m2：車(chē)速,單位：km/h：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，根據(jù)估算公式確定，在轎車(chē)中和 取值范圍在到之間，我們?nèi)∑骄鶖?shù)值=:計(jì)算載荷情況下汽車(chē)的質(zhì)量, 單位：kg:汽車(chē)行駛加速度, 單位：m/s2 然后確定不同擋位情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速之間的關(guān)系以獲得對(duì)應(yīng)不同車(chē)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。那么我們可以根據(jù)公式：, L/s （）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

14、積分公式表達(dá)成為： ,L 其中：，為加速開(kāi)始和截止時(shí)間，單位s。 如果這段計(jì)算期間開(kāi)始速度為(單位：km/h)，截止速度為(單位：km/h)，那么這段時(shí)間內(nèi)的行駛距離為: （單位：m）c減速工況 因?yàn)闇p速工況下，汽車(chē)油門(mén)松開(kāi)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。其中：怠速油耗消耗率，單位：L/s;:減速時(shí)間，單位s。 如果這段計(jì)算期間開(kāi)始速度為(單位：km/h)，截止速度為(單位：km/h)，那么這段時(shí)間內(nèi)的行駛距離為: （單位：m）d怠速停車(chē)公況如果怠速停車(chē)時(shí)間為(單位：s),那么燃油消耗量（單位：L）為：其中：怠速油耗消耗率，單位：L/s;：時(shí)間,單位：s 綜

15、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：（單位：L）其中：為各個(gè)階段燃油消耗量的總和（單位：L）。：為各個(gè)階段行駛路程總和（單位：m）。 輸入?yún)?shù)表 輸入?yún)?shù)參數(shù)名稱(chēng)某微型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)形式456Q總重1450kg空氣阻力系數(shù)傳動(dòng)效率90%迎風(fēng)面積主減速器傳動(dòng)比變速器5擋1擋2擋3擋4擋5擋滾動(dòng)阻力系數(shù)燃油密度cm3車(chē)輪半徑怠速燃油消耗率s計(jì)算實(shí)例結(jié)果多工況油耗表工況油耗10工況某微型車(chē)4擋等速百公里油耗圖某微型車(chē)4擋等速百公里油耗 某微型車(chē)5擋等速百公里油耗圖某微型車(chē)5擋等速百公里油耗 操縱穩(wěn)定性仿真和系統(tǒng)優(yōu)化(1) 計(jì)算目的 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車(chē)駕駛的操縱方便程

16、度，而且也是決定高速汽車(chē)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。角階躍輸入響應(yīng)a原理如圖，我們采用三自由度汽車(chē)模型，也就是航向角、車(chē)身側(cè)傾角、重心處側(cè)偏角來(lái)描述汽車(chē)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 三自由度模型b方程推導(dǎo)坐標(biāo)系統(tǒng) 依據(jù)上圖以汽車(chē)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(chē)縱向水平軸線取為X軸線，前進(jìn)方向?yàn)檎较颍^(guò)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

17、法則。 在將前輪轉(zhuǎn)向角（轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角）看做已知輸入時(shí)，汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用三個(gè)廣義坐標(biāo)來(lái)表示：航向角、重心側(cè)偏角和車(chē)身側(cè)傾角。按右手定則，、的正向與Z軸一致。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（前輪）與2（后輪），它們由側(cè)向力、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，、以與Y軸相反的方向?yàn)檎７?hào)說(shuō)明 如果單位不進(jìn)行特殊說(shuō)明均采用國(guó)際單位制。：整車(chē)質(zhì)量（kg）：懸架上質(zhì)量(kg):軸距(m)：重心到前后軸的距離(m) ：整車(chē)?yán)@垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ：懸架上質(zhì)量繞通過(guò)懸掛質(zhì)量重心的X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ：懸架上質(zhì)量繞通過(guò)懸掛質(zhì)量重心的X，Z的軸慣性積 ：前輪單側(cè)側(cè)偏剛度(N/r

18、ad) ：后輪單側(cè)側(cè)偏剛度(N/rad):前輪回正力矩系數(shù)rad):后輪回正力矩系數(shù)rad)：前輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)：后輪側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)：前側(cè)傾角剛度rad)：后側(cè)傾角剛度rad)：前側(cè)傾角阻尼rad/s)：后側(cè)傾角阻尼rad/s):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(chē)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) ：重心處速度與絕對(duì)坐標(biāo)之間的夾角(rad):橫擺角速度(rad/s):側(cè)傾角速度(rad/s):重心處側(cè)偏角(rad):前輪有效側(cè)偏角(rad):后輪有效側(cè)偏角(rad):名義前輪轉(zhuǎn)角(rad):車(chē)速(m/s):前輪側(cè)向力(N):后輪側(cè)向力(N)(

19、c) 方程推導(dǎo)過(guò)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：在不太大的范圍內(nèi)，故 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 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: 沿Y軸力平衡式： 即 繞X軸力矩平衡式： 其中是懸架上質(zhì)量繞車(chē)身重心的縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顧及，得 由于 及幾何關(guān)系： 得 其中 為了便于上機(jī)運(yùn)算，可令四維向量 為系統(tǒng)的狀態(tài)變量 那么我們就可以把上述微分方程改寫(xiě)成為狀態(tài)變量X的一階微分方程 其中 利用上述方程就可以進(jìn)行汽車(chē)角輸入操縱穩(wěn)定性能仿真計(jì)算。(d)計(jì)算結(jié)果參考標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)試驗(yàn)安全車(chē)操縱穩(wěn)定性性能要求極其試驗(yàn)方法汽車(chē)操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值和評(píng)

20、價(jià)方法GB/T13047-91c仿真計(jì)算輸入?yún)?shù)列表如表表 輸入?yún)?shù)參數(shù)名稱(chēng)參考設(shè)計(jì)車(chē)型1整車(chē)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(chē)重心至前軸距離整車(chē)重心至后軸距離整車(chē)?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*m2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)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)傾力臂仿真計(jì)

21、算條件 車(chē)速v=40，80，110k角階躍輸入,并且使汽車(chē)的側(cè)向加速度位于之間。(c) 仿真計(jì)算結(jié)果車(chē)速V=40km/h時(shí)的操縱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖 所示:圖 橫擺角速度曲線(車(chē)速V=40km/h)圖 橫擺角速度曲線(車(chē)速V=80km/h)圖 橫擺角速度曲線(車(chē)速V=120km/h)(d)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析 上面三個(gè)圖就是在不同車(chē)速度情況下，某型轎車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)型1)作為新設(shè)計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為車(chē)型2)的近似參考車(chē)型, 汽車(chē)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：表 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(chē)型1車(chē)型2車(chē)型1車(chē)型2車(chē)型1車(chē)型2V=4

22、0km/h%SV=80km/h%V=110km/h39%46%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(chē)橫擺瞬態(tài)響應(yīng)滿意區(qū)域之內(nèi)。力階躍輸入響應(yīng)方程推導(dǎo)(a)符號(hào)說(shuō)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)：前輪回正力臂。包括主銷(xiāo)后傾距與輪胎拖距（m）：轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）：兩前輪繞主銷(xiāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）：轉(zhuǎn)向盤(pán)自由時(shí)抵抗前輪轉(zhuǎn)角的剛性（rad）：轉(zhuǎn)向盤(pán)自由時(shí)前輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的當(dāng)量阻力系數(shù)（rad/s）:轉(zhuǎn)向柱與Z軸的夾角（rad）:轉(zhuǎn)向系總傳動(dòng)比:轉(zhuǎn)向盤(pán)上的駕駛員輸入力矩（）(b)坐標(biāo)系統(tǒng) 如下圖所指示，考慮汽車(chē)以一定的車(chē)速V作等速行駛，略去汽車(chē)的垂直振動(dòng)

23、和輪胎撓度的變化，略去空氣動(dòng)力對(duì)橫向力與力矩的影響，研究駕駛員給轉(zhuǎn)向盤(pán)以力指令輸入時(shí)汽車(chē)的操縱運(yùn)動(dòng)。與分析角輸入運(yùn)動(dòng)類(lèi)似，取一套固定于汽車(chē)的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng),以整車(chē)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(chē)的縱向水平軸為X軸。以過(guò)原點(diǎn)與X軸垂直的方向?yàn)閅軸（以汽車(chē)的左側(cè)方向?yàn)檎颍^(guò)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?lè)较驗(yàn)檎ㄒ喾嫌沂侄▌t而與Z軸正向一致。車(chē)速向量的增量與Y軸的正向一致并成角）。在將駕駛員給轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩T看作已知輸入時(shí)，則汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用四個(gè)廣義坐標(biāo)來(lái)近似表

24、示：方位角（航向角），重心側(cè)偏角，車(chē)身側(cè)傾角與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角（或參考轉(zhuǎn)向角）。按右手定則，、均以與Z軸方向一致為正向。角以與X軸方向一致為正向。側(cè)向力的方向由所假定的前后偏離角的方向確定。因此以與Y軸方向相反為正向。(c)方程推導(dǎo)過(guò)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： 其中，是絕對(duì)速度在X軸方向的投影，考慮不大的情況， ，故 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； 按達(dá)郎貝爾原理,繞Z軸力矩平衡式： 沿Y軸力平衡式： 繞X軸力矩平衡式： 其中，是懸架上質(zhì)量繞過(guò)車(chē)身重心的縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，顧及，得 繞主銷(xiāo)的力矩平衡式： 另外，由幾何關(guān)系： 以及輪胎特性： 可以得到

25、如下方程：令六維矢量 為系統(tǒng)狀態(tài)變量，則上述運(yùn)動(dòng)方程式可寫(xiě)成狀態(tài)變量x的一階微分方程： 式中： 利用上述方程就可以進(jìn)行力輸入仿真計(jì)算。b仿真計(jì)算(a)參數(shù)輸入表在原有三自由度汽車(chē)模型輸入數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還需要輸入數(shù)據(jù)如下表表輸入數(shù)據(jù)參數(shù)名稱(chēng)車(chē)型1車(chē)型2前輪回正力臂轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量*m2*m2前輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量*m2*m2轉(zhuǎn)向剛度294N/rad294N/rad轉(zhuǎn)向阻尼00轉(zhuǎn)向柱與Z軸夾角69度56度轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比(b) 仿真計(jì)算結(jié)果車(chē)速v=40，80km/h力階躍輸入并且側(cè)向加速度之間圖為速度V=40km/h的橫擺角速度圖速度V=40km/h的橫擺角速度圖為速度V=80km/h的橫擺角速度:圖為速

26、度V=80km/h的橫擺角速度 從上面的計(jì)算結(jié)果我們可以看出新車(chē)相對(duì)與原某一車(chē)型的超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間都有所加大，有關(guān)力階越輸入響應(yīng)的評(píng)價(jià)和分析內(nèi)容，我們將通過(guò)如下各個(gè)項(xiàng)目的計(jì)算來(lái)體現(xiàn)。回正能力計(jì)算 計(jì)算的方法是首先讓汽車(chē)保持等速圓周運(yùn)動(dòng)，然后把加載到方向盤(pán)上的作用力突然撤掉，所以這種計(jì)算的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)實(shí)際上力階躍輸入，因此計(jì)算采用4自由度汽車(chē)方向盤(pán)力輸入模型，汽車(chē)初始狀態(tài)保持側(cè)向加速度為等速圓周運(yùn)動(dòng)。方向盤(pán)力輸入模型如下：t(s)時(shí)間t(s)時(shí)間T 方向盤(pán)輸入力矩圖力階躍輸入計(jì)算結(jié)果如下： 汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為側(cè)向加速度，車(chē)速40km/h, 如圖。圖 為車(chē)速40km/h的橫擺角速度汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為側(cè)向加速度

27、，車(chē)速80km/h,如圖所示。圖 為車(chē)速80km/h的橫擺角速度 從上面的計(jì)算結(jié)果我們可以得到如下結(jié)論：新的某汽車(chē)相對(duì)上面某車(chē)型的算例而言回正能力有所下降，當(dāng)時(shí)幅度不大，主要表現(xiàn)在回正橫擺角速度幅度的收斂速度以及過(guò)度時(shí)間長(zhǎng)度上，尤其是高速時(shí)這種表現(xiàn)更加明顯。盡管如此，仍然滿足美國(guó)國(guó)家安全性的操縱穩(wěn)定性能要求及其試驗(yàn)方法的規(guī)定,松開(kāi)方向盤(pán)之后2s，在車(chē)速40km/h的情況下橫擺角速度應(yīng)該等于零，在車(chē)速等于80km/h的情況下不超過(guò)4o/s撒手穩(wěn)定性仿真試驗(yàn) 撒手穩(wěn)定性仿真實(shí)際上是力脈沖試驗(yàn)，仿真計(jì)算時(shí)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)是汽車(chē)以恒定的車(chē)速行駛，突然給方向盤(pán)施加一個(gè)力矩輸入，然后猛然撒手，其輸入為一個(gè)力

28、脈沖，具體表示如下圖。方向盤(pán)力輸入力矩T（方向盤(pán)力輸入力矩T（）時(shí)間T（s）T004s04s圖 方向盤(pán)力輸入曲線汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為側(cè)向加速度，車(chē)速40km/h, 如圖。圖 為車(chē)速40km/h的橫擺角速度 汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為側(cè)向加速度。頻率響應(yīng) 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性能頻率響應(yīng)是指方向盤(pán)在正弦輸入的情況下，頻率從時(shí)，汽車(chē)橫擺角速度與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入之間的關(guān)系。對(duì)于計(jì)算模型而言可以等效為橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。對(duì)于操縱穩(wěn)定性的頻域特性要求如下： 應(yīng)有足夠?qū)挼耐l帶，以保證有必要的反應(yīng)速度和高頻反應(yīng)，但是通頻帶太寬也會(huì)增大對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)。通常規(guī)定幅頻特性降至穩(wěn)態(tài)增益（=0處的增益）的70%處的頻率為頻帶寬度。 在有效通頻帶內(nèi)，幅頻特性宜平坦，不宜有明顯的選擇性（諧振峰），以免反應(yīng)有過(guò)大的幅值失真。最大增益與穩(wěn)態(tài)增益的比值越大，說(shuō)明系統(tǒng)的阻尼越小，超調(diào)量越大，過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)。 相頻特性要求在有效通頻帶內(nèi)相位超前和滯后都盡量小，通常在車(chē)速低時(shí)出現(xiàn)相位滯后，在車(chē)速高時(shí)出現(xiàn)相位超前，這兩種相位失真都會(huì)造成反應(yīng)的誤差。 我們采用前面使用的汽車(chē)3自由度模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：圖 兩種車(chē)型的幅頻特性曲線圖 兩種車(chē)型的相頻特性曲線相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)總結(jié)如下表：表 計(jì)算結(jié)果f=0增益共振頻率共振時(shí)增幅比