2007_ASCL汽车运动动力学实时仿真模型理论手册.pdf

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第五章车体方程

车体受力分析

车体上和车体质心加速度

车体绕车辆系各轴的惯性矩

车体位置和方位变化计算

2007 版 ASCL 汽车运动动力学实时仿真模型理论手册吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室二○○七年六月

ASCL 汽车运动动力学实时仿真模型理论手册目录第一章引言.....................................................................................................................................1 第一节动力学模型概述.........................................................................................................1 第二节数学模型.....................................................................................................................2 第二章驾驶员输入信号.................................................................................................................4 第三章制动系方程[1][2] ..................................................................................................................5 第一节轿车制动系统简介.....................................................................................................5 第二节基于制动总成特性的制动系统模型.........................................................................6 一制动踏板力—制动管道压力模型.....................................................................................6 二制动管道压力—车轮制动力矩模型.................................................................................6 第三节基于 stick-slip 摩擦理论的制动力矩算法 ................................................................7 第四章传动系模型[3][4] ................................................................................................................10 第一节发动机模型...............................................................................................................11 一发动机负荷特性建模...............................................................................................11 二发动机动力学模型...................................................................................................12 三发动机反拖扭矩和附件损失扭矩模型...................................................................12 第二节离合器动力学模型...................................................................................................13 第三节变速器动力学模型...................................................................................................19 一变速器输入轴的动力学模型...................................................................................19 二变速器输出轴动力学模型.......................................................................................20 第四节驱动桥的动力学模型...............................................................................................22 第五节车轮旋转动力学模型...............................................................................................24 第五章车体方程[5]........................................................................................................................26 第一节车体受力分析...........................................................................................................27 第二节车体上任一点及车体质心的加速度.......................................................................28 第三节货载质量上任一点及货载质心的加速度...............................................................29 第四节车体绕车辆系各轴的惯性力矩...............................................................................30 第五节货载绕车辆系各轴的惯性力矩...............................................................................31 第六节车体位置及方位变化速度的计算...........................................................................32 第六章转向系统方程[6][7][8] .........................................................................................................51 第一节转向系统力输入模型...............................................................................................51 一转向系统弹性力计算...............................................................................................52 二方向盘回正力矩的计算...........................................................................................53 三动力转向特性的描述...............................................................................................53 四转向齿条动力学方程...............................................................................................54 五转向系干摩擦...........................................................................................................54 第二节轮轴绕主销旋转动力学[6]........................................................................................56 第七章轮轴方程[9][10][11]...............................................................................................................59 第一节轮轴方程中所用坐标系...........................................................................................59 第二节轮轴位置和姿态的确定...........................................................................................61 第三节轮轴动力学方程.......................................................................................................61 一右前轮轴上任一点及轮心的加速度.......................................................................62 未经许可，不得复制 2 ASCL of JLU

吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室二右前轮轴绕车体坐标系各轴的惯性力矩...............................................................63 三右前轮轴的六个动力学方程...................................................................................64 四左前轮、右后轮及左后轮的动力学方程...............................................................64 五轮轴相对车体跳动量的确定...................................................................................64 第五节考虑胎体弹性的刚性环瞬态模型[7]........................................................................64 一车轮的模型简化.......................................................................................................65 二刚性环运动学方程...................................................................................................65 三刚性环静力学方程...................................................................................................66 四刚性环动力学方程...................................................................................................66 第六节 UniTire 稳态模型[8] ..................................................................................................67 一 UniTire 模型的输入与输出 .....................................................................................67 二 UniTire 模型的计算公式 .........................................................................................67 第七节接地印迹块动静摩擦分离模型...............................................................................72 第八章悬架方程...........................................................................................................................74 第一节悬架静力学方程.......................................................................................................74 第二节悬架垂直力方程.......................................................................................................76 第三节悬架运动学方程.......................................................................................................79 一右前悬架约束方程...................................................................................................79 二右前悬架速度约束方程...........................................................................................82 三右前悬架加速度约束方程.......................................................................................83 第九章道路信息输入模块...........................................................................................................87 第一节接地点坐标的确定...................................................................................................88 第二节接地点法向量的确定...............................................................................................89 第三节适应于非水平路面的轮胎坐标系的确定...............................................................89 第四节阶梯效应解决算法...................................................................................................90 第十章空气力方程.......................................................................................................................92 第十一章碰撞力方程...................................................................................................................95 第一节碰撞力的计算以及施加时间的分析.......................................................................95 第二节碰撞力在车体上的作用...........................................................................................96 第十二章模型的计算方法...........................................................................................................98 第一节车辆模型实时积分算法...........................................................................................98 第二节增量式欧拉坐标变换算法.......................................................................................99 一定义坐标系及相应的欧拉角...................................................................................99 二汽车姿态角的计算方法.........................................................................................100 第三节整车动力学静平衡算法.........................................................................................102 参考文献.......................................................................................................................................103 未经许可，不得复制 3 ASCL of JLU

吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室第一章引言第一节动力学模型概述本报告描述了汽车动态模拟国家重点实验室（ASCL）建立的四十二自由度汽车动力学实时仿真模型，该模型适用于一般轿车，经修改也可适用于其它具有前轮转向、前轮（或后轮）驱动并具有独立悬挂的四轮汽车。这里的四十二个自由度是指：车体的三个平移和三个旋转自由度、四个车轮的自转和相对车体的跳动自由度、四个轮胎内部等效接地质量块除垂直方向外的五个自由度、转向齿条的平移自由度、转向盘和前轮绕主销轴的转向自由度及传动系中的发动机转动、离合器转动、差速器壳体及行星轮的转动自由度。本模型可用于操纵稳定性、动力性、经济性及制动性的分析研究。模型要求的输入不仅包括驾驶员的点火指令、离合器指令、档位指令、加速踏板指令、制动踏板和驻车制动器指令以及转向盘指令，还包括环境风力及路面附着特性。为模型准备的结构特性参数包括发动机的万有特性参数，轮胎的力学特性参数，悬架的垂直力特性参数，车轮定位随轮跳变化的特性参数，转向系的结构和力学特性参数，传动系的传动比及转动惯量参数，制动系的压力、体积及刚度参数，最后还有整车布置及车身的空气动力学参数。本模型的特点是它可以应用于开发型驾驶模拟器进行车辆的实时动力学仿真，并借助于驾驶员的亲身感受体验车辆的运动性能。由于引入了新的 ASCL 轮轴模型、ASCL 制动器和转向系模型，使得模型能够很好的解决 stand-still 问题和制动停车工况的仿真；通过增加动力学和图像系统的信息交换功能，模型具有仿真宏观非水平路面的功能；通过引入碰撞算法，模型能够模拟一般的碰撞效果。本模型中的转向系和传动系部分是针对桑塔纳 GLI 轿车建立的，因此为对结构不同于此车型的桑塔纳轿车或其它牌号轿车进行仿真，要进行相应的模型修改工作。仿真中一律采用 SI 国际单位制：力用牛顿（N），质量用千克（Kg），长度用米（m），角度用弧度（rad），压力用帕（Pa），温度用开尔文（K），时间用秒（s）。未经许可，不得复制 1 ASCL of JLU

ASCL 汽车运动动力学实时仿真模型理论手册第二节数学模型本节将把模型中的方程分成如下九个部分加以介绍 1．驾驶员输入信号 2．制动系方程 3．传动系方程 4．车体方程 5．转向系方程 6．轮轴方程 7．悬架方程 8．道路输入方程 9．空气力、碰撞力方程 Y Y Y X X X C C C 3Y 3Y 3Y 3Y 3Y Z Z Z 1Y 1Y 1Y 1Y 1Y 3X 3X 3X 3X 3X 3Z 3Z 3Z 3Z 3Z IY Y IY IY I IX IX IX X I 4Y 4Y 4Y 4Y IZ Z Z IZ I I 1X 1X 1X 1X 1X 1Z 1Z 1Z 1Z 1Z 2Y 2Y 2Y 2Y 2Y 4X 4X 4X 4X 4Z 4Z 4Z 4Z 2X 2X 2X 2X 2X 2Z 2Z 2Z 2Z 2Z 图 1.1 模型中的基本坐标系未经许可，不得复制 2 ASCL of JLU

吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室 I ZYX I I 图 1.1 描述了模型中所用的基本坐标系，其中为固定于水平地面的惯性坐标系， IZ 轴铅垂向下， I IYX 平面与水平地面重合。 CXYZ 为固连于车体上的车体坐标系（也称车辆坐标系），原点为车体质心C ，当车体在水平路面静止时 Z 轴铅垂向下， X 轴水平向前，Y 轴水平向右。（i=1、2、3、4）代表固于车轮上的轮轴坐标系， 1=i 代表右前轮， 2=i 代表左前轮， 3=i 代表右后轮， 4=i 代表左后轮，在本模型其它地方出现的数字下标都可作类似的解释。 ZYXO i i i i 未经许可，不得复制 3 ASCL of JLU

ASCL 汽车运动动力学实时仿真模型理论手册第二章驾驶员输入信号汽车依靠驾驶员的操纵指令进行运动，驾驶员输入包括如下七个指令信号： IDFIREON—钥匙位置信号：0—灭火状态，3—点火状态，1—正常行驶状态 IT_RATIO—档位信号：0—空档，1—I 档，2—II 档，3—III 档，4—IV 档， 5—V 档，6—倒档 X_ACCELR—油门踏板信号，取值范围为 0—100 X_CLUTCH—离合器踏板信号，取值范围为 1—100 X_STEERW—转向盘转角信号 F_BRAKER—制动踏板力信号 X_CENBRK—驻车制动器信号，取值范围为 0—100 将这七个信号输入给仿真模型可以采取如下三种方式之一（1）将实车在野外试验中的驾驶员操作信号采集下来，存为一定格式的数据文件，然后由模型在仿真过程中读取；（2）将驾驶模拟器上驾驶员的实际操作信号采集下来，直接传给实时仿真计算机并输入到仿真模型中；（3）利用 FORTRAN 程序，编制驾驶员操纵输入子程序，并连接到仿真模型中供仿真过程中直接调用，该驾驶员操纵输入模型为驾驶员最优加速度预瞄模型。未经许可，不得复制 4 ASCL of JLU

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