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《吉林大学》 2011年
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面向主观评价的汽车动力学建模研究

逄淑一  
【摘要】:汽车产品开发中,客观评价和主观评价的全数字化仿真是汽车动力学模型的发展趋势之一,对于ISO等标准试验的客观评价工况,商用动力学软件已经能够较好的仿真,并且广泛用于汽车的稳态性能开发。为实现汽车主观评价的仿真,国际上提出了驾驶模拟器进行主观评价的方法,避免了对于驾驶员的建模。然而嵌入驾驶模拟器的动力学模型目前不能有效仿真汽车动态过程,本文研究了面向汽车主观评价的实时动力学建模关键问题以及实现该模型的方法。 面向主观评价的动力学模型需要仿真精细的全工况的动态过程。提出模型需要实现全工况仿真、反映稳态工况间的迁变过程、描述动态过程的精细化建模以及完备自由度建模。针对建模方法和各子系统特点,在建模过程中应重点考虑以下几个问题:隔离解耦的动态子系统,转向和车轮静动摩擦模型,完备的转向系统模型,面向非水平路面的动态车轮模型,基于总成特性的悬架模型,全工况的动力传动模型,本文重点探索了子系统隔离解耦方法、基于总成特性的悬架模型,全工况的动力传动模型。 基于结构的转向系统模型包含阿克曼转向机构边界力输入、转向系统的弹性环节、摩擦环节描述三部分。建立了齿轮齿条式转向系统模型,实现了阿克曼转向机构力输入、转向静动摩擦力建模以及转向系统弹性,取代了转向系统原有的正向计算运动、逆向计算力矩的模型,实现了完备转向系统建模。模型具备仿真车辆抵抗转向盘上微小干扰输入和道路不平扰动的能力以及中心区转向等特性,能较为精确计算方向盘的回正力矩。 动态车轮模型将车轮系统简化为轮辋和刚性环,两者通过六向弹簧阻尼器连接,构建起由轮辋和刚性环组成的动力学系统。车轮的滑移率由轮心和刚性环接地印迹的相对运动动态计算得到。轮辋和刚性环之间加入静动摩擦模型,车轮在低于某个运动状态使其停车。轮胎与路面间的动摩擦力学特性采用UniTire轮胎模型,实现了多工况高精度的仿真。 主观评价在汽车产品开发阶段只能用驾驶模拟器评价,要求动力学模型实时仿真;与性能模型相比,面向主观评价的模型仿真频带更高,产生刚性微分方程,同时动力学模型向基于结构的模型发展,涉及到关键硬点的计算;接触模型,迟滞模型,摩擦模型,导致计算量大,需要多速率积分;以上四个问题都使得应用于驾驶模拟器的实时动力学模型需要进行子系统分解。结合最新版SAE-J670-2008车辆动力学术语,重新划分子系统的体。通过子系统分界面研究,将子系统边界划分在约束处,系统方程只有常微分方程,从建模环节上避免了代数方程的出现。为更精确描述集中质量建模中体的运动状态,提出虚拟主销体和轮轴体。以较为复杂的乘用车前置前驱为例,详细讨论了各子系统的分界面及体的组成,梳理主销和轮轴在驱动系统、行走系统和转向系统的作用。 基于总成特性的悬架模型包含悬架导向机构模型、悬架承载模型以及悬架KC特性修正,能够避免对悬架系统多杆件和多弹性元件直接建模,满足悬架系统实时仿真。本文分析了基于侧倾中心和纵倾中心的导向机构模型,抽象出等效的二力杆,以传递车轮和车体间的侧向力和纵向力;悬架承载模型采用了一阶微分方程的Fancher迟滞模型描述系统级的干摩擦;提取关键的悬架KC数据,补偿由于悬架运动学及弹性元件等引起的附加变形。 为实现汽车起步、加速、换档等工况,同时避免建立离合器执行机构的复杂模型,提出了基于总成特性的动力传动系模型。由于离合器位置和变速器挡位的可切换性,产生了多种组合工况,离合器状态的分离相、滑磨相、接合相以及变速器状态的空挡,非空挡(包括倒挡)2个相,讨论了离合器、变速器状态组合出的6个相的运动学状态和扭矩传递过程。为使动力学模型能在离合器和挡位变换切换时平稳过渡,建立了静动摩擦的离合器模型。 由于传统多刚体动力学模型处理刚性代数微分方程时仿真速度较慢,为此提出多刚体动力学实时仿真平台。通过子系统隔离,用等效方法描述约束,取消了代数约束方程。采用常微分方程加边界等价的方法以及小步长的定步长积分,实现多刚体动力学实时仿真。该仿真平台由动态子系统层、物理层和数学层组成,同时也便于实现仿真管理以及多速率仿真。在该仿真平台上研究了汽车动力学的关键子系统模型的具体实现。 最后,通过对比有无悬架运动学前束和前悬架导向机构模型,验证了悬架KC修正模型以及导向机构模型的作用。通过起步换挡场地实验数据驱动整车模型,验证动力传动子系统能满足平顺切换离合器和变速器挡位的要求;整车实验能够仿真ISO以及国标等工况,验证了模型有较高精度,同时实现了Steering Fight、平顺性和正弦扫频等动态过程的仿真。
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