基于ADAMS的FSAE賽車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化

浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ADAMS的FSAE賽車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化學(xué)生姓名：李銀為 指導(dǎo)教師：李強(qiáng)副教授浙江科技學(xué)院機(jī)械學(xué)院摘 要 本文以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為理論依據(jù)，使用仿真軟件ADAMS/CAR工具，建立浙江科技學(xué)院FSAE賽車的整車虛擬模型，并對(duì)其進(jìn)行整車操穩(wěn)性的仿真和評(píng)價(jià)。同時(shí)，通過(guò)改變變量：輪胎側(cè)偏剛度、輪胎寬度、軸荷分配，質(zhì)心高度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比，分析這些因素其對(duì)賽車操縱穩(wěn)定性的影響程度，最后提出優(yōu)化方案。 本文首先闡述了汽車操縱穩(wěn)定性研究的主要內(nèi)容、評(píng)價(jià)體系與多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，對(duì)ADAMS軟件的介紹及其計(jì)算分析機(jī)理的了解學(xué)習(xí)。然后按照整車虛擬模型建模的基本流程，建立了適合FSAE賽車的整車虛擬模型。 由于不同的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)需要采用不同的控制方法，編寫相應(yīng)的控制文件，設(shè)定控制參數(shù)，模擬實(shí)際的試驗(yàn)狀態(tài)，使虛擬整車模型按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。對(duì)于駕駛員-車-道路系統(tǒng)的閉環(huán)試驗(yàn)，采用ADAMS軟件中的閉環(huán)控制方法辦法，模擬駕駛員通過(guò)車輛情況反饋而采取得操作。 本文的重點(diǎn)是通過(guò)對(duì)分析上述五個(gè)對(duì)賽車操縱穩(wěn)定性有影響的因素得出其對(duì)賽車操穩(wěn)性的影響規(guī)律，最終得出操縱穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)，并以此為依據(jù)對(duì)FSAE賽車提出改進(jìn)方案。整個(gè)研究工作以通過(guò)ADAMS建立賽車整車的虛擬模型、虛擬分析為核心，初步實(shí)現(xiàn)了通過(guò)FSAE賽車整車虛擬模型對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的仿真分析，得出了FSAE賽車的操縱穩(wěn)定性的影響因素和規(guī)律，這對(duì)FSAE賽車的操縱穩(wěn)定性的改進(jìn)具有重要意義。關(guān)鍵詞：FSAE賽車 ADAMS仿真 操縱穩(wěn)定性 虛擬樣機(jī)Optimization of FSAE racing controllability and stability based on ADAMS Student: Yinwei Li Advisor: A.P.Qiang LiSchool of Mechanical and Automotive Engineering Zhejiang University of Science and TechnologyABSTRACT Based on the theory of multi-body system dynamics, Zhejiang University of Science and Technology FSAE racing car virtual prototyping is established under the ADAMS/Car-the mechanical system simulation software . According to experiment standard, we run simulation of vehicle controllability and stability tests. Then analyse how axle load, center of mass height, steering ratio, tire cornering stiffness and tire width influence the controllability and stability performance of the FSAE racing car, provides the improvement suggestions. In this paper,we introduce the content and the evaluation criterion of vehicle controllability and stability test. And introduce the multi-body system dynamics theory，approach the analysis mechanism of ADAMS. Then built up the FSAE racing car dynamics model according to the basic process of vehicle virtual prototype modeling. Due to using the different control method, we should define the corresponding controlled variable, establish the control file and the simulation test condition, and make the movement of dynamics vehicle according to the country standard.Regarding to the driver-vehicle-road system experiment, we use the closed-loop control method which ADAMS provides, imitates the driver operation which adopts the feedback from vehicle. It is the key point to analyse how each test results influences when axle load, center of mass height, steering ratio, tire cornering stiffness and tire width changed. The whole research work concentrates on the exploration the influence of five variable point above to the controllability and stability,and application of virtual design and analysis. Finally we get the controllability and stability performace for FSAE racing car and provide the improvement suggestions.Key Words:FSAE racing car;ADAMS simulation;Contrallability and stability;Virtual prototype目錄摘 要iABSTRACTii目錄iv第一章 緒論11.1 研究動(dòng)機(jī)與目的11.2 研究背景11.3 研究方法與系統(tǒng)描述31.4 論文內(nèi)容概述3第二章 汽車操縱穩(wěn)定性的概述與評(píng)價(jià)指標(biāo)52.1 汽車操縱穩(wěn)定性的內(nèi)容52.2 操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)62.2.1車輛坐標(biāo)系72.2.2汽車操縱穩(wěn)定性的開路評(píng)價(jià)法72.2.3汽車操縱穩(wěn)定性的閉路評(píng)價(jià)法102.3汽車試驗(yàn)的兩類評(píng)估方法112.4本章小結(jié)11第三章 多體動(dòng)力學(xué)理論及賽車ADMAS模型的建立123.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論123.2 ADAMS/CAR軟件簡(jiǎn)介及賽車整車建模133.3 FSAE賽車虛擬樣機(jī)的建立143.4 虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證163.5 本章小結(jié)18第四章 FSAE賽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)194.1 賽車參數(shù)的變量設(shè)置194.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真分析204.3 蛇行試驗(yàn)仿真分析224.4 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真分析254.5 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入仿真分析274.6 FSAE賽車操縱穩(wěn)定性的改進(jìn)意見28第五章 結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致謝31iii第1章 緒論1.1 研究動(dòng)機(jī)與目的 浙江科技學(xué)院于2013年12月成立FSAE車隊(duì)，已連續(xù)參加2014,2015年兩屆FSAE比賽，為了備戰(zhàn)2016年的比賽，需要在原來(lái)的基礎(chǔ)上，對(duì)新賽季的賽車在操縱穩(wěn)定性上進(jìn)行優(yōu)化，以取得更好的成績(jī)。我們通過(guò)在ADAMS軟件中進(jìn)行FSAE賽車虛擬模型的建立，進(jìn)行整車仿真試驗(yàn)可以縮短設(shè)計(jì)周期和優(yōu)化賽車操縱穩(wěn)定性，有利于取得更好的賽車性能。本文主要通過(guò)對(duì)浙江科技學(xué)院2015年這款賽車的操作穩(wěn)定性進(jìn)行研究。1.2 研究背景 Formula SAE (FSAE) 由國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE International)于1978年開辦，其概念源于一家虛擬制作工廠，向所有大學(xué)生設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)征集設(shè)計(jì)制造一輛小型的類似于標(biāo)準(zhǔn)方程式的賽車，要求賽車在加速、制動(dòng)、操控性方面都有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久。 在參加比賽之前車隊(duì)一般會(huì)耗時(shí)8到12個(gè)月的進(jìn)行設(shè)計(jì)工作、建造工作、測(cè)試工作和調(diào)教賽車的工作。在和各地的大學(xué)車隊(duì)的較量中，這項(xiàng)賽事給了參賽人員展示他們的創(chuàng)造能力和工程能力的舞臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)比賽的目的、參賽人員可以假想自己是設(shè)計(jì)人員。汽車公司要求他們?cè)O(shè)計(jì)、制造一輛賽車來(lái)評(píng)價(jià)估計(jì)這個(gè)公司某項(xiàng)目的一款車。該公司希望的銷售市場(chǎng)是假日非職業(yè)汽車比賽。所以，該車需要在在加速，制動(dòng)和操控等方面非常出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場(chǎng)銷售的因素，該車需符合大眾審美、舒適程度較高，零部件需要符合通用性以便于維修節(jié)約成本。汽車廠商打算每周生產(chǎn)28輛這款車, 同時(shí)要求這款車耗資應(yīng)少于2.5萬(wàn)美元(該規(guī)則09年已經(jīng)取消)。設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿足各種要求的車。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。隨著汽車工業(yè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷革新，以混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車為主的大學(xué)生方程式賽事同樣發(fā)展迅猛，勢(shì)必成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)是首個(gè)開始混合動(dòng)力FSAE項(xiàng)目的國(guó)家;而電動(dòng)車FSE則在德國(guó)賽Formula Student Germany組委會(huì)的極力倡導(dǎo)下迅速發(fā)展起來(lái)。30多年來(lái)，F(xiàn)SAE已發(fā)展成為每年由15個(gè)國(guó)家舉辦的20場(chǎng)賽事、并有數(shù)百支來(lái)自全球頂級(jí)高校的車隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)。2013年已舉辦或即將舉辦FSAE比賽的國(guó)家有:美國(guó)、加拿大、德國(guó)、英國(guó)、奧地利、意大利、西班牙、匈牙利、捷克共和國(guó)、巴西、澳大利亞、日本、印度、中國(guó)及泰國(guó)。中國(guó)自2010年開始引進(jìn)FSAE賽事以來(lái)，國(guó)內(nèi)高校車隊(duì)發(fā)展迅猛，據(jù)2013年的報(bào)名情況，比賽已擴(kuò)展至超過(guò)60支車隊(duì)的參賽規(guī)模，成績(jī)喜人?，F(xiàn)今已有武漢理工大學(xué)、湖北汽車工業(yè)學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)、北京理工大學(xué)、廈門理工學(xué)院、華南理工大學(xué)、昆明理工大學(xué)，河南科技大學(xué)、華僑大學(xué)等本科高校以及西安汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院等?？圃盒⑴c其中1。圖1.1 FSAE賽事分布 比賽由若干個(gè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的項(xiàng)目來(lái)評(píng)判汽車的優(yōu)劣，這些項(xiàng)目包括：技術(shù)檢驗(yàn)、成本分析、市場(chǎng)陳述、工程設(shè)計(jì)、單項(xiàng)性能測(cè)試、耐久測(cè)試、燃油經(jīng)濟(jì)性。裁判通過(guò)給這些項(xiàng)目打分來(lái)評(píng)判汽車的各個(gè)性能。比賽總分為1000分，具體項(xiàng)目分值分配如下：表1.1 賽事分值分布靜態(tài)項(xiàng)目分值動(dòng)態(tài)項(xiàng)目分值營(yíng)銷報(bào)告75直線加速測(cè)試75賽車設(shè)計(jì)1508字繞環(huán)測(cè)試50成本與制造分析100高速避障測(cè)試150耐久測(cè)試300效率測(cè)試100靜態(tài)項(xiàng)目分?jǐn)?shù)合計(jì)325動(dòng)態(tài)項(xiàng)目分?jǐn)?shù)合計(jì)675 浙江科技學(xué)院于2014年參加了FSAE中國(guó)賽，在燃油組中，我們?nèi)〉昧瞬凰椎某煽?jī)。直線加速第22名，8字環(huán)繞第21名，高速避障第34名，耐久比賽第15名，效率測(cè)試第10名，總成績(jī)第18名，超越浙江大學(xué)在浙江省參賽隊(duì)伍中成績(jī)位居第一。圖1.2 浙江科技學(xué)院FSAE賽車隊(duì)2014賽場(chǎng)1.3 研究方法與系統(tǒng)描述我們知道汽車的操縱穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)，比如汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，汽結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如質(zhì)心高度，輪胎寬度，輪胎側(cè)偏剛度，軸荷分配和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比等因參數(shù)有關(guān)2。為了研究這些參數(shù)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性到底有怎么的影響，我們打算通過(guò)學(xué)習(xí)adams軟件，在adams軟件中根據(jù)學(xué)校方程式賽車的具體參數(shù)在模型中改相關(guān)參數(shù)，以輪胎側(cè)偏剛度、輪胎寬度、軸荷分配，質(zhì)心高度、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比為變量，構(gòu)造出6種不同參數(shù)的整車設(shè)計(jì)方案，然后應(yīng)用該模型進(jìn)行了整車仿真試驗(yàn)，其中包括穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入、轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入、蛇行穿越等仿真試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)這些試驗(yàn)圖表的分析得出上述6個(gè)變量對(duì)賽車操作穩(wěn)定性能的影響大小和規(guī)律。根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)極限值與評(píng)價(jià)方法，對(duì)大學(xué)生方程式賽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以求得對(duì)賽車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)化方案與措施。1.4 論文內(nèi)容概述 本文針對(duì)FSAE賽車，基于ADAMS建立了整車仿真模型，改變6個(gè)參數(shù)變量來(lái)進(jìn)行賽車行駛操穩(wěn)性仿真試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了后處理和評(píng)價(jià)，得出上述變量對(duì)賽車操作穩(wěn)定性的影響程度，對(duì)整車的行駛操穩(wěn)性進(jìn)行優(yōu)化仿真。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）首先介紹了汽車行駛操穩(wěn)性的主要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)對(duì)賽車車行駛操穩(wěn)性的研究情況進(jìn)行分析，獲得了本文所需的方向和操縱穩(wěn)定性問(wèn)題的研究方法。當(dāng)我們完成文獻(xiàn)的查找和數(shù)據(jù)信息的收集，形成了全面的建立賽車整車模型的方案及其汽車操穩(wěn)性仿真試驗(yàn)和對(duì)結(jié)果曲線圖分析的思路。（2）在ADAMS/Car模塊中進(jìn)行了賽車整車模型的建立，創(chuàng)建了前懸架模型，后懸架模型，建立了相應(yīng)的橫向穩(wěn)定桿，建立了輪齒條式類型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、建立了車身系統(tǒng)和前后輪胎等子系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)的通訊器將各個(gè)子系統(tǒng)連接起來(lái)，組裝成賽車整車模型并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證性仿真。 （3）為了完成一些評(píng)價(jià)操縱穩(wěn)定性的整車試驗(yàn)，我在adams軟件中創(chuàng)建了仿真試驗(yàn)的控制文件，在整車仿真模塊中進(jìn)行了包括穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入、轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入、蛇行穿越等整車試驗(yàn)。第二章 汽車操縱穩(wěn)定性的概述與評(píng)價(jià)指標(biāo)2.1 汽車操縱穩(wěn)定性的內(nèi)容 汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛員的意愿借助轉(zhuǎn)向車輪確定的方向前進(jìn)，并且當(dāng)遇到外界干擾時(shí)，汽車能夠抵抗外界干擾且繼續(xù)維持穩(wěn)定行駛的性能。汽車操穩(wěn)性的研究工作是智能交通系統(tǒng)、主動(dòng)安全技術(shù)、自動(dòng)駕駛和車輛巡航的基礎(chǔ)。汽車操穩(wěn)性不僅僅會(huì)對(duì)汽車駕駛的操縱方便程度有影響，而且也是決定汽車高速行駛的一個(gè)主要性能，所以人們稱汽車的操縱穩(wěn)定性為“高速車輛的生命線”，倍受人們的關(guān)注。隨著道路的發(fā)展，特別是高速公路的普及，汽車以100km/h及100km/h以上車速行駛的情況是常見的?，F(xiàn)代轎車設(shè)計(jì)的最高車速通常超過(guò)200km/h，有的運(yùn)動(dòng)型轎車甚至大于300km/h。所以，汽車的操穩(wěn)性逐漸受到重視，成為了汽車的重要使用性能之一。圖2.1 汽車操穩(wěn)性的內(nèi)容汽車操穩(wěn)性涉及到的問(wèn)題比較廣泛，與汽車的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、制動(dòng)性能等有所區(qū)別，需要采用較多的物理參數(shù)從各個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。表2-1給出了汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基本內(nèi)容及評(píng)價(jià)需要的物理參量。在汽車操穩(wěn)性的研究中，常把車輛作為一整個(gè)控制系統(tǒng)，求出車輛曲線行駛過(guò)程中的時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)，并用它們來(lái)表征車輛的操穩(wěn)性能。車輛曲線駕駛時(shí)的時(shí)域響應(yīng)是指該車在轉(zhuǎn)向盤輸入或者外界存在側(cè)向干擾輸入的情況下汽車進(jìn)行的側(cè)向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。方向盤輸入由兩種形式：一種是給轉(zhuǎn)向盤輸入某個(gè)角位移，叫做角位移輸入，又稱角輸入；另一種是給方向盤輸入某一力矩，把它叫做力矩輸入，簡(jiǎn)稱為力輸入。然而駕駛者在現(xiàn)實(shí)駕駛汽車的時(shí)候，一般都是對(duì)方向盤同時(shí)輸入角輸入和力輸入。外界側(cè)向干擾輸入一般是指?jìng)?cè)向風(fēng)與路面不平產(chǎn)生的側(cè)向力3。圖2-1中的在方向盤以角階躍輸入的條件下達(dá)到的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以及在方向盤角階躍輸入情況下的瞬態(tài)響應(yīng)，全都是表征車輛操穩(wěn)性能的輸入方向盤角位移下情況的時(shí)域響應(yīng)。而回正性則是種方向盤力輸入情況下的時(shí)域響應(yīng)。橫擺角速度（Yaw Rate）頻率響應(yīng)特性就是在方向盤的轉(zhuǎn)角正弦輸入情況時(shí)，頻率從0時(shí)，車輛橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角的振幅比還有相位差上的變化規(guī)律。這也是個(gè)非常重要的表明汽車操縱穩(wěn)定性能的基本特性。 方向盤處于中間位置操穩(wěn)性能是方向盤在較小的轉(zhuǎn)角、以較低頻率正弦輸入情況下汽車在100km/h及100km/h以上速度行駛時(shí)的操穩(wěn)性。汽車轉(zhuǎn)彎半徑是一個(gè)評(píng)估車輛機(jī)動(dòng)靈活性能的物理參量。汽車轉(zhuǎn)彎輕便性能是一個(gè)評(píng)估操作方向盤輕便程度的性能。 車輛直線行駛性能也是評(píng)估汽車操穩(wěn)性的重要性能。側(cè)向風(fēng)敏感性和路面上的不平敏感性能是車輛處于直線行駛的情況下受到外界側(cè)向干擾輸入下的時(shí)域響應(yīng)。典型的行駛工況性能是指車輛通過(guò)模擬駕駛的通道的性能。行駛工況性一般能夠如實(shí)準(zhǔn)確地表現(xiàn)出車輛的操穩(wěn)性。極限形式性能指的是車輛處于正常行駛和異常運(yùn)動(dòng)間的特性。它代表了車輛處于安全行駛條件下的極限性能。汽車是由許多部件構(gòu)成的物理系統(tǒng)。這個(gè)物理系統(tǒng)存在慣性、彈性、阻尼等動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，因此，它是一個(gè)具有多自由度的系統(tǒng)。需要說(shuō)明的是，組成車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的部件，比如說(shuō)車輪、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等元件，都是非線性特性元件，形容車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微分方程多為是非線性微分?jǐn)?shù)學(xué)方程，即汽車是一個(gè)非線性系統(tǒng)。一般行駛條件下，汽車側(cè)向加速度（Lateral Acceleration）不超過(guò)0.4g，但是當(dāng)我們討論到賽車時(shí)，在調(diào)教合理的情況下，其最大側(cè)向加速度通常可以達(dá)到2g，若忽略一些次要因數(shù)時(shí)，就能夠把汽車近似地看做是一個(gè)線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)4。2.2 操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo) 汽車的操穩(wěn)性能是汽車主動(dòng)安全方面的一個(gè)重要性能。怎樣去衡量車輛的操縱穩(wěn)定性能是許多高校、企業(yè)的一個(gè)重要的研究方向和課題。到目前為止，已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)討論了關(guān)于如何研究和評(píng)價(jià)車輛的操縱穩(wěn)定性能，并且提出了許多不同的數(shù)學(xué)模型，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)手段。但迄今為止，并沒(méi)有形成汽車行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的客觀準(zhǔn)確的評(píng)判汽車操縱穩(wěn)定性能的方法5。其主要原因是因?yàn)槠嚨牟俜€(wěn)性是受到各種因素的影響，例如研究的對(duì)象，駕駛的要求，操作員的個(gè)人感覺(jué)和外界環(huán)境條件等，最終導(dǎo)致了汽車操穩(wěn)性能的研究和評(píng)價(jià)變得異常復(fù)雜?？傮w來(lái)說(shuō)，汽車操縱穩(wěn)定性能的優(yōu)劣，不僅僅取決于車輛本身的結(jié)構(gòu)所決定的性能，還涉及到駕駛者和道路條件，交通環(huán)境等主觀因素。2.2.1車輛坐標(biāo)系 汽車的行駛運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)固定在運(yùn)動(dòng)著的汽車上的動(dòng)坐標(biāo)系車輛坐標(biāo)系來(lái)描述的。圖2.1就是一個(gè)固定在汽車上的oxyz直角坐標(biāo)系的車輛坐標(biāo)系。位于汽車左右對(duì)稱面的平面是xoz平面。當(dāng)車輛靜止在水平路面上時(shí)，x軸平行于地面指向車頭方向，z軸是通過(guò)汽車質(zhì)心的豎直直線，y軸是通過(guò)汽車質(zhì)心指向駕駛員右側(cè)的一條直線，坐標(biāo)原點(diǎn)o通常為汽車的整車質(zhì)心位置。在車輛坐標(biāo)系上還有3個(gè)與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的運(yùn)動(dòng)量，繞z軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)角速度（車廂角速度在z軸上的分量）成為汽車的橫擺角速度（Yaw Rate），以右手大拇指指向?yàn)閦軸正方向，四指方向?yàn)闄M擺角速度的正方向。汽車的質(zhì)心速度在y軸上的分量為側(cè)向速度v。側(cè)向加速度是汽車質(zhì)心加速度在y軸上的分量。圖2.1車輛坐標(biāo)系與汽車的主要運(yùn)動(dòng)形式目前關(guān)于汽車操穩(wěn)性能的控制系統(tǒng)主要分為開路控制系統(tǒng)和閉路控制系統(tǒng)這兩種控制系統(tǒng)。2.2.2汽車操縱穩(wěn)定性的開路評(píng)價(jià)法汽車操穩(wěn)性能的開路控制系統(tǒng)是在假定駕駛員的任務(wù)是機(jī)械地急速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤至某一轉(zhuǎn)角并維持此角度不變得情況下，而不允許通過(guò)汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)作出任何修正操縱的操作，即不允許操作者起任何反饋的作用5。時(shí)域響應(yīng)是汽車開路控制系統(tǒng)的特性之一。時(shí)域特性是汽車的結(jié)構(gòu)所決定，因此是汽車的固有特性。汽車的時(shí)域響應(yīng)一般分為兩種即不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和隨時(shí)間變化的瞬態(tài)響應(yīng)這兩種時(shí)域響應(yīng)。所謂穩(wěn)態(tài)就是指當(dāng)周期的（或恒定的)操縱輸入（或擾動(dòng)輸入）施加在車輛上所引起的周期性的(或恒定的）車輛響應(yīng)，如果在任意長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不發(fā)生變化，我們就稱此時(shí)該車輛處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在穩(wěn)態(tài)中的汽車運(yùn)動(dòng)響應(yīng)我們稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。比如，車輛的勻速直線運(yùn)動(dòng)便是一種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)；如果當(dāng)汽車等速直線行駛時(shí)，駕駛員急速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤至某一轉(zhuǎn)角時(shí)，然后停止改變轉(zhuǎn)向盤的位置并維持此轉(zhuǎn)角不變，即給車輛以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入的條件下，通常經(jīng)短暫時(shí)間后車輛便達(dá)到等速圓周行駛，這也是一種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，我們稱這為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。所謂瞬態(tài)，就是說(shuō)當(dāng)車輛的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)或作用在車輛上的外力或操縱位置隨時(shí)間變化的情況，便稱這一車輛的運(yùn)動(dòng)處于瞬態(tài)狀態(tài)。瞬態(tài)響應(yīng)是汽車在瞬態(tài)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。比如說(shuō)，汽車從等速直線運(yùn)動(dòng)到等速圓周運(yùn)動(dòng)之間的過(guò)渡過(guò)程就是種瞬態(tài)狀態(tài)。這種瞬態(tài)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)稱為轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)。2.2.2.1汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的內(nèi)容汽車的等速圓周行駛，就是指汽車轉(zhuǎn)向盤以角階躍形式輸入下進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)，雖然在現(xiàn)實(shí)駕駛中不會(huì)頻繁出現(xiàn)這種情況，但這卻是表明車輛操穩(wěn)性的重要的時(shí)域響應(yīng)，一般我們也稱這個(gè)性能為車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。一般車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有三類：不足轉(zhuǎn)向特性、中性轉(zhuǎn)向特性和過(guò)多轉(zhuǎn)向特性。這三種不同轉(zhuǎn)向特性的車輛具備以下運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：當(dāng)方向盤維持某轉(zhuǎn)角不變的條件下，通過(guò)慢慢提速或者以其他速度勻速運(yùn)動(dòng)的情況下，隨著速度的提高，具備不足轉(zhuǎn)向特性的車輛的轉(zhuǎn)向半徑R變大；而具備中性轉(zhuǎn)向特性的車輛的轉(zhuǎn)向半徑則愈來(lái)愈小。操穩(wěn)性較好的的汽車應(yīng)具有適中的不足轉(zhuǎn)向特性。通常車輛不能有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性，也不應(yīng)有中性轉(zhuǎn)向特性，因?yàn)榫邆渲行赞D(zhuǎn)向特性的汽車輛在條件變化時(shí)，很有可能會(huì)轉(zhuǎn)變成具備過(guò)多轉(zhuǎn)向特性的汽車。2.2.2.2汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的評(píng)價(jià) 我們常用輸出與輸入的比值，比如穩(wěn)態(tài)的橫擺角速度和汽車前輪轉(zhuǎn)角的比值來(lái)評(píng)估穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。這個(gè)比值我們定義為穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，也叫做轉(zhuǎn)向靈敏度，以符號(hào)表示。 = （2.1）式中K=。K稱為穩(wěn)定性因數(shù)，其單位為，是表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)K的數(shù)值，汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可分為三類。如圖2.3圖2.2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性（1）中性轉(zhuǎn)向K=0時(shí)，=u/L，就是指橫擺角速度增益和車輛速度的關(guān)系為線性關(guān)系，斜率為1/L，當(dāng)車速增大時(shí)，汽車橫擺角速度增益也隨著增大，這種穩(wěn)態(tài)特性我們叫做中性轉(zhuǎn)向。在這關(guān)系式中應(yīng)指出的是，此關(guān)系式是早汽車以10km/h甚至低于10km/h的速度運(yùn)動(dòng)而無(wú)側(cè)偏角的條件下的轉(zhuǎn)向關(guān)系。當(dāng)無(wú)側(cè)偏角的條件下，前輪轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)向半徑，橫擺角速度。因此橫擺角速度增益也可以表示成=u/L。（2） 不足轉(zhuǎn)向當(dāng)時(shí)，式（2.1）中分母大于1，橫擺角速度增益比中性轉(zhuǎn)向時(shí)要小。橫擺角速度增益與車速不再是線性關(guān)系，u是一條低于中性轉(zhuǎn)向的汽車穩(wěn)態(tài)橫擺增益線，后來(lái)又變成一條 向下彎曲的曲線。我們稱具有這樣特性的汽車為不足轉(zhuǎn)向汽車。K值越大，橫擺角速度增益曲線越低，就表明汽車具有更大的不足轉(zhuǎn)向量。當(dāng)車速為時(shí)，汽車橫擺角速度增益取到最大值，此車速稱為特征車速。（3） 過(guò)多轉(zhuǎn)向當(dāng)K0時(shí)，式（2.1）中的分母小于1，橫擺角速度增益變的非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性轉(zhuǎn)向的情況。隨著車速的增大，-u曲線向上彎曲，具有這種特性的汽車我們稱為過(guò)多轉(zhuǎn)向汽車。當(dāng)K值越小時(shí)（即K的絕對(duì)值越大），汽車的過(guò)多轉(zhuǎn)向量就越大。當(dāng)車速為時(shí)，穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益趨近于無(wú)窮大，此時(shí)此車速我們稱為臨界車速。因此，汽車的橫擺角速度增益既不能過(guò)大也不能過(guò)小，若橫擺角速度增益過(guò)大，則車輛就會(huì)過(guò)于敏感，只要有極其微小的前輪轉(zhuǎn)角（或駕駛員無(wú)意觸碰方向盤），汽車便會(huì)產(chǎn)生極大的橫擺角速度；如果汽車的橫擺角速度增益過(guò)小，則駕駛員必須要很費(fèi)力的轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤才能操縱車輛，這樣對(duì)車輛的行駛穩(wěn)定性，安全性極為不利7。2.2.3汽車操縱穩(wěn)定性的閉路評(píng)價(jià)法汽車的操穩(wěn)性能的優(yōu)劣最終應(yīng)該是由駕駛?cè)藛T來(lái)評(píng)判的，駕駛員的操作特性與汽車的操縱穩(wěn)定性能是緊密關(guān)聯(lián)的。因此，汽車操縱穩(wěn)定性能的研究對(duì)象應(yīng)該是把駕駛?cè)藛T與汽車作為統(tǒng)一的整體的人-汽車系統(tǒng)來(lái)看待，而不能忽略駕駛員的反饋?zhàn)饔?。圖2.4簡(jiǎn)要地標(biāo)明了人-汽車系統(tǒng)中駕駛員與汽車之間的關(guān)系。在汽車行駛過(guò)程中，駕駛員根據(jù)行駛軌跡的需要，操縱方向盤使汽車作一定的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；路面的凸凹不平，側(cè)向風(fēng)等也會(huì)影響車輛的運(yùn)動(dòng)狀況。在駕駛車輛的過(guò)程中，駕駛?cè)藛T會(huì)根據(jù)具體的路面，交通條件和借助雙眼，雙手及自身感覺(jué)到的車輛行駛狀況，通過(guò)大腦的判斷，改正駕駛者對(duì)轉(zhuǎn)向盤的操作。通過(guò)反復(fù)循環(huán)這個(gè)過(guò)程，駕駛?cè)藛T駕駛車輛不斷運(yùn)動(dòng)前進(jìn)。所以，在人-車輛系統(tǒng)中，我們借助駕駛?cè)藛T將系統(tǒng)的輸出情況反饋到駕駛者的輸入控制中去，因此整個(gè)人-車輛系統(tǒng)是閉路系統(tǒng)。但是駕駛員的反饋是十分復(fù)雜的，就現(xiàn)在而言，人-汽車閉路系統(tǒng)的研究還沒(méi)有成熟，因此人-汽車系統(tǒng)的汽車操穩(wěn)性能只能由試驗(yàn)方法來(lái)實(shí)際測(cè)定。盡管車輛的操穩(wěn)性可以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)得到人-汽車閉路系統(tǒng)的性能來(lái)如實(shí)的表現(xiàn)數(shù)來(lái)，但是由于在試驗(yàn)中的駕駛?cè)藛T的個(gè)人能力起到了反饋?zhàn)饔?，所以整個(gè)試驗(yàn)的客觀性與再現(xiàn)性就比不上開路系統(tǒng)汽車的時(shí)域響應(yīng)好。還有，人-汽車系統(tǒng)的操穩(wěn)性只在已有實(shí)車的情況下進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)求得，現(xiàn)在無(wú)法做到完全依靠理論分析與計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的預(yù)測(cè)。因此，在汽車研發(fā)時(shí)，許多汽車廠商普遍使用的分析目標(biāo)還是開路系統(tǒng)下車輛的時(shí)域響應(yīng)。圖2.4 人-車系統(tǒng)2.3汽車試驗(yàn)的兩類評(píng)估方法汽車的性能最終會(huì)依靠試驗(yàn)來(lái)完成測(cè)定和評(píng)價(jià)。在汽車試驗(yàn)中汽車性能評(píng)價(jià)通常由主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩類?？陀^評(píng)價(jià)法主要是依靠?jī)x器測(cè)出表明汽車性能的一些參數(shù)比如橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等來(lái)評(píng)估操穩(wěn)性的方法。汽車試驗(yàn)中的主觀評(píng)價(jià)法是指駕駛員依靠自身的感受老評(píng)估，它的主要評(píng)價(jià)措施是讓駕駛者依靠駕駛時(shí)自身的主觀感受來(lái)評(píng)估，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定來(lái)對(duì)車輛性能評(píng)分。我們?cè)谘芯科嚤旧硖匦缘拈_路系統(tǒng)中一般只使用客觀評(píng)價(jià)法。然而在研究人汽車閉路系統(tǒng)的試驗(yàn)時(shí)，客觀評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)一般都一起使用。因?yàn)槟壳岸攒囕v是靠人來(lái)操作，因此歸根到底，汽車操穩(wěn)性的評(píng)估手段始終是主觀評(píng)價(jià)法。譬如，客觀評(píng)價(jià)中使用的參數(shù)能否反映操穩(wěn)性，根據(jù)這些參數(shù)衡量汽車操穩(wěn)性的優(yōu)劣和駕駛員的主觀感受是否相符。通常有經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)者在主觀評(píng)價(jià)時(shí)，還能發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，都是試驗(yàn)駕駛員根據(jù)自身的駕駛感受來(lái)找到汽車性能中的缺陷，再用設(shè)備來(lái)進(jìn)行檢查。盡管開路試驗(yàn)一般都采取客觀評(píng)價(jià)法，但是它的方法本身和所使用的指標(biāo)，都是由試驗(yàn)駕駛者的經(jīng)驗(yàn)或特殊的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)來(lái)確定的。主要依靠試驗(yàn)駕駛者的主觀評(píng)價(jià)的主要缺點(diǎn)在于，試驗(yàn)駕駛者的主觀感受起到相當(dāng)大的作用，試驗(yàn)駕駛者的不同也許會(huì)給出截然不同的評(píng)估報(bào)告；還有個(gè)缺點(diǎn)就是，通常，主觀評(píng)價(jià)法無(wú)法將“汽車性能”與“汽車構(gòu)造”之間的信息關(guān)聯(lián)起來(lái)。因?yàn)殚_路評(píng)價(jià)法中的一些參數(shù)，能夠依靠理論推導(dǎo)出這些參數(shù)和汽車結(jié)構(gòu)上的一些數(shù)據(jù)的某種數(shù)學(xué)關(guān)系，所以開路評(píng)價(jià)法能夠給予修改車輛結(jié)構(gòu)或某些參數(shù)來(lái)改進(jìn)性能的措施。2.4本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了車輛操穩(wěn)性的基本概念，基本內(nèi)容，系統(tǒng)性的介紹了汽車控制系統(tǒng)（開路和閉路）兩種控制系統(tǒng)，尤其是汽車方向盤角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。最后介紹了汽車試驗(yàn)的兩種評(píng)價(jià)方法，客觀評(píng)價(jià)法和主觀評(píng)價(jià)法，一般汽車廠商都是以客觀評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)價(jià)車輛的性能。第三章 多體動(dòng)力學(xué)理論及賽車ADMAS模型的建立3.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論虛擬樣機(jī)技術(shù)中的核心理論為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，該動(dòng)力學(xué)分為多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)兩部分。由任意有限個(gè)剛體組成的系統(tǒng)是多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究目標(biāo)，剛體之間是以某一約束相互連接，這些約束一般都是理想完整約束、非完整約束、定?；蚍嵌ǔ＜s束。我們一般通過(guò)建立一系列的數(shù)學(xué)模型來(lái)研究這些系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。由剛體和柔體構(gòu)成的系統(tǒng)是多柔體動(dòng)動(dòng)力學(xué)的研究目標(biāo)8。若干個(gè)剛體構(gòu)成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題一般都是由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)來(lái)解決。不同元件存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自然延伸后演變成了多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。對(duì)系統(tǒng)中的柔性體進(jìn)行不同處理的依據(jù)，往往是根據(jù)多柔體系統(tǒng)的構(gòu)成，以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究為基礎(chǔ)。離散法、模態(tài)分析法、形函數(shù)法和有限單元法是機(jī)械系統(tǒng)中常用的處理方法。我們將柔性體系統(tǒng)的分析結(jié)果和剛性體系統(tǒng)研究方法相互結(jié)合，最終得到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。我們?cè)谑褂脛?dòng)力學(xué)理論處理某些情況時(shí)，一般都要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：1） 實(shí)際系統(tǒng)的多體模型的簡(jiǎn)化。2） 自動(dòng)生成動(dòng)力學(xué)的方程。3） 準(zhǔn)確的求解動(dòng)力學(xué)的方程。多剛體動(dòng)力學(xué)方程3.1.1.1 多剛體系統(tǒng)的組成剛體機(jī)械系統(tǒng)在ADAMS軟件中由4個(gè)模塊組成，：部件、約束、力、自定義的代數(shù)微分方程，分別定于如下：（1） 部件部件指一切剛體或柔性體或集總（中）質(zhì)量等，其中剛性梁是一個(gè)部件，而柔性梁則是一個(gè)質(zhì)量的集合，任意部件都能被ADAMS軟件列出了6個(gè)一階動(dòng)力學(xué)的方程（將角加速度和力聯(lián)系起來(lái)）和6個(gè)一階運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程（將位置與速度聯(lián)系起來(lái)）。（2） 約束部件的運(yùn)動(dòng)受到了限制就是約束的作用。每個(gè)約束都能被ADAMS軟件列出約束方程。ADAMS為我們中存在許多約束，我們也能夠通過(guò)子程序來(lái)自行定義約束。（3） 作用力作用力主要包括兩類力：體積力，包括慣性力等；體積力以外的外力就稱為慣性力。我們一般利用已知的部件和約束來(lái)自動(dòng)定義作用力、反作用力和慣性力等。對(duì)每個(gè)作用力的分量，ADAMS軟件在動(dòng)力學(xué)方程中加入一作用變量，并添加一定義力的代數(shù)方程。（4） 自定義代數(shù)微分方程對(duì)于一些特殊要求，ADAMS可以允許用戶直接加入所需要的代數(shù)微分方程9。3.1.1.2 軟件中的多剛體坐標(biāo)系統(tǒng)該軟件中有三種坐標(biāo)系。（1） 地面坐標(biāo)系又稱為絕對(duì)坐標(biāo)系，是固定在地面上的。軟件中的全部剛體（部件）的位置和方向都由該坐標(biāo)系確定。（2） 局部參考的坐標(biāo)系局部坐標(biāo)系存在于任意部件上，地面坐標(biāo)系確定了部件的位置和方位，并且坐標(biāo)系與部件一同運(yùn)動(dòng)。（3） 標(biāo)記系統(tǒng)任意部件內(nèi)部都存在一個(gè)標(biāo)記系統(tǒng)，這種標(biāo)記可以分為兩類：固定標(biāo)記與浮動(dòng)標(biāo)記。前者是固結(jié)在部件上，并隨著部件運(yùn)動(dòng)，LPRF定義了這個(gè)標(biāo)記的位置和方向，這個(gè)標(biāo)記不會(huì)隨著時(shí)間而改變，部件的作用力和約束等都能被標(biāo)記所定義。3.1.1.3 ADAMS中多剛體的自由度ADAMS中自由度（Degree Of Freedom）的計(jì)算公式為 DOF=6（n-1）- （3.1） 其中n系統(tǒng)的部件數(shù)目（包括地面）； 系統(tǒng)內(nèi)各約束所限制的自由度數(shù)目；3.1.1.4 ADAMS多剛體動(dòng)力學(xué)方程ADAMS根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)中的模型，自行建立起系統(tǒng)的拉格朗日的運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)于每個(gè)剛體，全部列出6個(gè)廣義坐標(biāo)都帶乘子的拉格朗日方程和相對(duì)應(yīng)的約束方程。 （3.2） （i=1,2,.m）式中K動(dòng)能； 描述系統(tǒng)中的廣義坐標(biāo)； 系統(tǒng)中的約束方程； 廣義坐標(biāo)方向上的廣義力； m1的拉格朗日矩陣。3.2 ADAMS/CAR軟件簡(jiǎn)介及賽車整車建模3.2.1 ADAMS/car軟件介紹 ADAMS/CAR是MDI公司和奧迪、寶馬、雷諾和沃爾沃等幾家公司聯(lián)合開發(fā)出的軟件，這個(gè)軟件綜合了這些公司在汽車設(shè)計(jì)、開發(fā)等領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，使用該模塊，工程師能夠快速建造高精度的整車虛擬模型（包括了車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等）并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，然后在高速動(dòng)畫中直觀地顯示了在各種工況試驗(yàn)下（例如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗(yàn)）的整車動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)，并輸出一些標(biāo)志操縱穩(wěn)定性能、制動(dòng)性能、乘坐舒適性能和安全性能的特征參數(shù)，從而可以減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴，然而仿真的時(shí)間只是物理樣機(jī)試驗(yàn)的幾分之一。ADAMS/CAR軟件使用的用戶化界面（interface）是以汽車設(shè)計(jì)師的習(xí)慣而專門設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)師不需經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，就能夠運(yùn)用ADAMS/CAR進(jìn)行高效的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。該軟件的汽車模塊中還包括整車動(dòng)力學(xué)的軟件包，懸架設(shè)計(jì)的軟件包以及概念化懸架設(shè)計(jì)的模塊（CSM），軟件中的仿真工況包括了：方向盤的階躍、斜坡和脈沖輸入、蛇行穿越試驗(yàn)，漂移試驗(yàn)、加速試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，同時(shí)能夠設(shè)置仿真中的不同檔位下的傳動(dòng)比，制動(dòng)載荷分配系數(shù)等10。3.2.2 ADAMS/CAR建模流程介紹 ADAMS/CAR模塊中整車虛擬模型的創(chuàng)建需要把汽車上各個(gè)子系統(tǒng)相互組裝起來(lái)。假如要建立賽車的整車虛擬模型，首先要先建立起各個(gè)子系統(tǒng)的模板模型，然后將模板模型生成各個(gè)子系統(tǒng)模型，最后把生成的各子系統(tǒng)模型和整車測(cè)試臺(tái)（MDI_SDI_TESTRIG）組裝在一起獲得了整車虛擬樣機(jī)模型，各個(gè)虛擬模型間關(guān)系如下11。圖3.1 模板、子系統(tǒng)、整車模型的關(guān)系3.3 FSAE賽車虛擬樣機(jī)的建立3.3.1 賽車整車虛擬模型的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，我們?cè)诮⒛Ｐ偷倪^(guò)程，首先是在3D建模軟件中構(gòu)造出我們所需的賽車虛擬模型，里面包含了八個(gè)主要子系統(tǒng)：汽車車身子系統(tǒng)、汽車轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、汽車雙橫臂前后懸架系統(tǒng)、汽車輪胎子系統(tǒng)、汽車動(dòng)力子系統(tǒng)、汽車制動(dòng)子系統(tǒng)，然后在ADAMS/CAR模塊中打開，添加所需要的運(yùn)動(dòng)副，接著進(jìn)行各種虛擬仿真。因?yàn)锳DAMS官方提供了FSAE的賽車模板，我們只要通過(guò)改變模板中的賽車參數(shù)（例如硬點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)動(dòng)副約束，彈簧阻尼參數(shù)等）就可以進(jìn)行虛擬仿真，大大簡(jiǎn)化了FSAE賽車的設(shè)計(jì)過(guò)程。3.3.2 整車模型的參數(shù)化多體動(dòng)力學(xué)分析模型的建立，需要各種參數(shù)，所需要的參數(shù)一般可分為五類：整輛賽車技術(shù)參數(shù)、尺寸（幾何定位）參數(shù)、質(zhì)量特征參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、力學(xué)特征參數(shù)（剛度、阻尼等特征）與外界參數(shù)（道路譜等）。我們通常通過(guò)建立三維數(shù)字模型、圖紙查閱法、試驗(yàn)法、計(jì)算法、CAD建模法等。1. 技術(shù)參數(shù)因?yàn)槲覀冄芯康氖钦憬萍紝W(xué)院FSAE賽車的操穩(wěn)性的優(yōu)化，因此我們選取2015年的方程式賽車具體參數(shù)。表3.1 浙江科技學(xué)院2015方程式賽車參數(shù)表項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)整車裝備質(zhì)量（kg）300主銷后傾角（）4.5前軸負(fù)荷（kg）114.6主銷內(nèi)傾角（）4后橋負(fù)荷（kg）130.4前輪外傾（）-1軸距（mm）1540前輪前束（）0前輪距（mm）1200后輪前束（）0后輪距（mm）1180后輪外傾（）-12. 幾何定位參數(shù)汽車上的關(guān)鍵的幾個(gè)點(diǎn)位的位置，零部件的大小尺寸，部分桿件的連接位置等全都是我們事前通過(guò)在設(shè)計(jì)草圖上確定出其相對(duì)位置和絕對(duì)位置，然后在ADAMS中通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成ADAMS中的坐標(biāo)。3. 質(zhì)量特性參數(shù) 在機(jī)械系統(tǒng)中，系統(tǒng)的特性由系統(tǒng)自身的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等決定。通常，質(zhì)量特性參數(shù)是根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)組成。其中，測(cè)量時(shí)我們選取的參考坐標(biāo)系會(huì)影響到質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。此外在多體動(dòng)力學(xué)意義上的運(yùn)動(dòng)部件與實(shí)際零部件還存在差別。因?yàn)橹灰谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中部件具有同樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡，并具有某種特定的聯(lián)系比如通過(guò)某種方法固定在一起的零部件，就是一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，如制動(dòng)盤與汽車輪胎即是一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)只有一個(gè)共同的質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。我們利用CATIA創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的實(shí)體模型，在軟件中設(shè)置我們打算使用的材料屬性，通過(guò)軟件本身可以得到這行模型的特性參數(shù)，例如零部件的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。有些不便于使用這種方法的零部件可通過(guò)做實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲得。還有一些不易于測(cè)量的零部件的的質(zhì)量特性參數(shù)，例如懸掛質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，就查閱文獻(xiàn)，根據(jù)文獻(xiàn)資料里面給出的結(jié)論來(lái)進(jìn)行計(jì)算。4. 力學(xué)特性參數(shù)力學(xué)上的特性參數(shù)通常是指一些部件或機(jī)械系統(tǒng)的剛度、阻尼等。在賽車系統(tǒng)中的的力學(xué)特征參數(shù)主要是指彈簧、橡膠元件、減震器、輪胎等具有緩沖減振特性的零部件。對(duì)于操縱性和平順性，這些零部件的特性有決定性影響，因此在相關(guān)的模型中應(yīng)該充分考慮其具體數(shù)值。 其中整車力學(xué)特性的關(guān)鍵在于賽車的懸架系統(tǒng)，而懸架系統(tǒng)中主要通過(guò)前后懸架中的線圈彈簧。因此控制整車的力學(xué)特征參數(shù)主要是通過(guò)選擇不同范圍的線圈彈簧12。5. 外界參數(shù)這里的外界參數(shù)主要是指汽車的使用環(huán)境，外界道路環(huán)境，高速行駛時(shí)的側(cè)向風(fēng)力等。其中，道路譜可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面路譜或者通過(guò)測(cè)量獲得，而風(fēng)力因素可以在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得。由于FSAE賽車在比賽中的車速往往在4580km/h，側(cè)向風(fēng)力對(duì)其的影響不是很大，故在建模時(shí)，主要考慮道路譜的影響而忽略風(fēng)力的作用，其中道路譜采用了相應(yīng)等級(jí)道路標(biāo)準(zhǔn)譜13。3.4 虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證 在ADAMS中裝配好整車的虛擬模型后，需要在ADAMS中建立相關(guān)的賽道模型對(duì)FSAE賽車的虛擬模型進(jìn)行驗(yàn)證。 比賽中八字繞環(huán)的賽道如圖3.2所示，左右各有一個(gè)內(nèi)徑為15.2m，外徑為18.25m，賽道寬為3m的圓形賽道，比賽時(shí)從入口進(jìn)入，先繞右側(cè)賽道兩圈，第一圈為了讓車手適應(yīng)賽道，不計(jì)時(shí)間，第二圈才是真正的比賽時(shí)間，計(jì)入比賽成績(jī)。然后再繞左側(cè)賽道兩圈，同樣，取第二圈的時(shí)間作為比賽成績(jī)。圖3.2 八字繞環(huán)賽道根據(jù)上述已知條件，在ADAMS中編寫駕駛控制文件如圖3.3，使賽車虛擬模型保持恒定的速度v=10.42m/s, 繞半徑為9.125m的圓周行駛，記下其完成一圈的時(shí)間，與實(shí)際時(shí)間相比較，仿真結(jié)果如下圖3.4所示。圖3.3 控制文件圖3.4八字繞環(huán)仿真曲線圖圖3.5 賽車軌跡由曲線圖3.4可知，仿真過(guò)程中，賽車一共行駛了2圈，每圈所消耗的時(shí)間分別為5.65s和5.66s，平均每圈5.655s，實(shí)際所用時(shí)間為5.50s，計(jì)算可得其中的誤差率為2.8%，故可認(rèn)為該賽車模型精度比較高，可以進(jìn)行下一步操縱穩(wěn)定性分析。3.5 本章小結(jié)本章首先介紹了多體動(dòng)力學(xué)理論，了解了ADAMS的計(jì)算分析理論，然后進(jìn)行了賽車整車模型的裝配，整車分為八個(gè)子系統(tǒng)，將實(shí)車上的參數(shù)對(duì)應(yīng)到模板上，建立起符合實(shí)車參數(shù)的虛擬樣機(jī)模型，然后根據(jù)實(shí)際比賽項(xiàng)目對(duì)賽車模型進(jìn)行驗(yàn)證。第4章 FSAE賽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)這一章的主要內(nèi)容是根據(jù)前面建立的賽車整車虛擬模型，進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真，將一些對(duì)操縱穩(wěn)定性影響較大的參數(shù)作為試驗(yàn)變量，通過(guò)仿真試驗(yàn)分析各個(gè)參數(shù)對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，然后根據(jù)得出的結(jié)論進(jìn)行優(yōu)化賽車的操縱穩(wěn)定性。4.1 賽車參數(shù)的變量設(shè)置在汽車的操縱穩(wěn)定性中，汽車的轉(zhuǎn)向特性是最為主要的一個(gè)內(nèi)容，由穩(wěn)定性因數(shù)的公式可得，質(zhì)心與前后軸的距離a、b，前后輪的側(cè)偏剛度對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向特性有著巨大的影響。除此之外，汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)受到橫向加速度的影響，車身有側(cè)傾現(xiàn)象，車身的側(cè)傾角的大小主要受到懸架質(zhì)量質(zhì)心高度和側(cè)傾中心高度的影響，其中側(cè)傾中心高度由懸架系統(tǒng)的形式和它的幾何結(jié)構(gòu)所決定。一般來(lái)說(shuō)，為了減小車身側(cè)傾角，我們通常會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中使側(cè)傾中心高一些，但當(dāng)采用獨(dú)立懸架時(shí)，如果側(cè)傾中心過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致車輪跳動(dòng)時(shí)，輪距產(chǎn)生過(guò)大的變化，加劇輪胎的磨損14。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，角傳動(dòng)比也是一個(gè)對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性、穩(wěn)定性有著直接影響的重要參數(shù)，同時(shí)，它也會(huì)影響著汽車的操縱穩(wěn)定性。由于賽車對(duì)輪胎的要求比普通乘用車更高，賽車的輪胎比一般乘用車的輪胎都要寬，因此輪胎的寬度對(duì)賽車的操縱穩(wěn)定性有著不小的影響。通過(guò)上述的分析，我們可以選擇這五個(gè)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性有較大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為研究變量。這五個(gè)參數(shù)分別為：整輛賽車的軸荷比，整車的質(zhì)心高度，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的總傳動(dòng)比，前后輪胎的側(cè)偏剛度以及前后輪胎的寬度。我們把改變其中一個(gè)參數(shù)記為一款車型。優(yōu)化方案1：把整車質(zhì)心向后移優(yōu)化方案2：降低整車的質(zhì)心高度優(yōu)化方案3：改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的總傳動(dòng)比優(yōu)化方案4：增大輪胎側(cè)偏剛度優(yōu)化方案5：增加輪胎寬度表4.1 變形車型參數(shù)圖質(zhì)心到前后軸的距離（mm）質(zhì)心高度（mm）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比（）/mm）前后輪胎側(cè)偏剛度（N/rad）前后輪胎寬度（mm）原始優(yōu)化方案（圖中曲線F）a=723.8b=816.2=280I=4.37=60000=60000=190.5=190.5優(yōu)化方案1（圖中曲線A）a=816.2b=723.8優(yōu)化方案2（圖中曲線B）=240優(yōu)化方案3（圖中曲線C）I=4.00優(yōu)化方案4（圖中曲線D）=70000=70000優(yōu)化方案5（圖中曲線E）=215=2154.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真分析 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性是汽車操縱穩(wěn)定性中最基本和最重要的一個(gè)特性。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性表現(xiàn)為過(guò)多轉(zhuǎn)向、不足轉(zhuǎn)向和中性轉(zhuǎn)向。理論上說(shuō)，不足轉(zhuǎn)向和過(guò)多轉(zhuǎn)向都會(huì)使汽車難以控制15。因?yàn)槠嚨姆€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性有著極其重要的影響，因此在設(shè)計(jì)汽車的過(guò)程中應(yīng)該首先滿足汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的要求。衡量穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的方法主要是通過(guò)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。在實(shí)際駕駛中，汽車需要有適度的不足轉(zhuǎn)向，過(guò)度轉(zhuǎn)向和過(guò)多的不足轉(zhuǎn)向不利于汽車的控制。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)是通過(guò)改變橫向加速度，以恒定的速度在給定半徑的圓弧賽道上行駛，從而對(duì)汽車的不足轉(zhuǎn)向、側(cè)傾特性、最大橫向加速度等進(jìn)行評(píng)判的試驗(yàn)。4.2.1 仿真方法我們采用在定半徑的條件下，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角連續(xù)加速法，即在ADAMS/CAR軟件中是賽車虛擬模型在設(shè)定平路面上以較低穩(wěn)定車速（10km/h）直線行駛，車速恒定后，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤使賽車模型進(jìn)行以轉(zhuǎn)彎半徑為15m的轉(zhuǎn)彎，固定方向盤保持賽車轉(zhuǎn)角不變，待車輛在圓周賽道上穩(wěn)定行駛后，開始緩慢連續(xù)加速（縱向加速度為0.2m/），直至賽車模型的側(cè)向加速度達(dá)到6.5m/，記錄下整個(gè)仿真過(guò)程16。其中，賽車模型