基于MATLAB汽车动力学仿真研究
第24卷第3期公路交通科技
V01.24No.3
2007年3月
JournalofHi曲way
and艮ulsponationResearchandDevelopment
Mar.2007
文章编号:1002—0268(2007)03_0136蜘
基于MATLAB汽车动力学仿真研究
孙维汉,孙宏侠,陈俊武
(南京交通职业技术学院汽车工程系,江苏南京210032)
摘要:对影响汽车行驶安全的各方面因素进行了较为深入的分析和研究,建立车体6个自由度加上前轮转向系统1个自由度的汽车数学模型;该汽车数学模型不需引入很多的人为假设;可以实现给定汽车前轮转角,也可以不给定前轮转角;不依赖需要复杂测定的侧向力函数及相关模型参数;考虑了轮胎的滚动特性。利用MAⅡAB语言开发了一个模块化的仿真软件,该软件能够满足所建模型的校验和在特殊工况下的仿真研究;也可以进一步完善该软件使之服务于汽车运行的其他方面的仿真研究。
关键词:汽车工程;汽车模型;汽车动力学;自由度;仿真中图分类号:U463.4
文献标识码:A
vehic|e
DynamicSimu枷on
wilhMATLAB
SUNWei—haJl,SUN
H伽手xia,CHENJun—Wu
(N锄jiIlgCommLInicationsInstituteofTechnolog)rDepanmentofAutomobileEn舀neeIiIlg,Jiangsu
Najing
210032,Cllim)
AbStract:Theessayf如uses
on
in—d印山analysis
and
study
on
varioIlselements“|lichinnuencedriving
safety0f
cars
bv
establis}linga
contI_0l】ablesimulationmathematicalmodelofcar
operation.1'le
car
b(妇yhassi)【degreesoffreedom,plus
a
typical
car
f如ntwheel
steeringsystemTncdel.Int}lecar
simulationmodel出ere’sno
need
to
intIIDduce
H姗yman—madehypo山esis
to
realize
a西ven
car
f如nt
wheelsteeIing
ande
or
wit}lout舀venone,妇thout
depending
on
lateralforcef曲ctionor
relatedmodel
p猢eters
inneed0f
complicated
measⅢement;a11d诵thcollsiderationof山erou堍charactedstic
of
ti慨A
modularized
si砌ation舳ftware
is
devel叩edby
mTLAB
l卸guage,w11ichmeetst11eneedsof
test
andt}】esimulationf曲panicl】larsituation,anditalsocan
bedevelopedfhtl】erfbrothersimula—
tionstudyof
car
operation.
Keywords:automotjveen舀11eedng;vehicle
model;vehicle
dyll“cs;degreesof矗℃edom;simulation
O引言
为深人的分析和研究,试图建立一种相对通用的汽车汽车动力学是一门相当复杂的学科。无论是在汽
模型。其基本要求是:(1)能全面反映汽车在外部激
车动力学开环研究的过程中,还是闭环研究的过程
励下的6自由度运动的特性,又要包含汽车前轮操纵
中,汽车自身的模型都是相关人员重点研究的内容。转向的特性,以便观察汽车在外部激励和前轮操纵条根据不同的研究目的,人们建立了线性2自由度、线件下的运行动态响应。(2)模型的参数具有明确的物
性3自由度、线性4自由度和7自由度、21自由度等理意义,容易得到,便于测量。汽车模型。然而,无论所建立的模型多么复杂都不具
1.1基本假设
(1)车体可视为刚体。
有通用性。随着汽车技术的发展,汽车的受力不在遵
循线性规律而是非线性规律,因而汽车动力学模型应
(2)悬架支柱的轴向运动具有非线性阻尼、线性刚度,即支柱轴向弹性力与支柱伸缩位移成线性函数该随着汽车技术的发展而发展。
关系;阻尼力与伸缩速度成非线性函数关系。
1
汽车模型的建立
(3)悬架支柱为完全刚性。即悬架支柱的侧向、
本文对影响汽车行驶安全的各方面因素进行了较
纵向和扭转变形均为零。
收稿日期:2005—04—26
作者简介:孙维汉(1968一),男,江苏泰州人,硕士研究生,讲师,研究方向为运行效能与品质分析.(s“~weihan@sina.com)
第3期孙维汉,等:基于MAⅡAB汽车动力学仿真研究
137
1.2车辆坐标系
本文所用车辆坐标系和以往建模一样,采用如图1所示的坐标系。
建立或得到汽车动力学模型。本文所用汽车动力学模型如图2所示。
在常见车辆中,汽车两个前悬架的阻尼相等、两个前悬架的刚度相等;同样,两个后悬架的阻尼相等、两个后悬架的刚度相等。由分析有:
前左悬架的伸缩位移(1,。)为:
】,n=一△y—sin(臼z)Lf—l/2×sin(臼x)曰f,前右悬架的伸缩位移(1,。)为:
l,n=一△】,一sin(口z)Lf+1/2×sin(臼x)Bf,后左悬架的伸缩位移(y。)为:
yd=一△】厂+sin(臼z)£,一1/2×sin(臼x)B。,
图l车辆坐标系
(1)
(2)
(3)
后右悬架的伸缩位移(y。)为:
y。=一△l,+sin(臼z)£。+1/2×sin(口x)B。,
(4)
ng.1
Ve}licleaXissystem
1.3基本动力学方程
其中,臼。、臼。、口:分别是车体绕x、l,、z角位移;△l,为
车体质心的初位移;£,、三。为汽车前后轴距质心的距离;B,、B,为汽车前后轴长。
我们可以得到任意坐标系中刚体质心6自由度动力学方程;但要得到车体质心6自由度方程还必须先
y
J__—L
质心——]
/,—、
\
,一—、.
Rg.2
Ve}IicledynaIllicInodel
前左悬架的伸缩速度(‰)为:
“=一yv一∞zcos(口z)Lr—l/2×叫xcos(臼x)曰r,(5)
F。=K,yrl+Ⅳ(¨),
后右悬架阻尼力和弹性力之和(F。)为:
F。=K,y。+Ⅳ(y。),
(11)
前右悬架的伸缩速度(%)为:
%:一“一叫:c。s(臼:)£,+1/2×叫。c。。(臼。)曰,,(6)后左悬架的伸缩速度(¨)为:
¨:一y。+∞:cos(臼:)£,一1/2×叫。cos(臼。)曰,,(7)
(12)
其中,K、K,为汽车前、后悬架的刚度;Ⅳ为汽车悬架阻尼力所遵循的函数。
汽车悬挂质量并没有直接施加到各轮胎,而是通过各悬架间接地施加到轮胎上。因而在计算各轮胎所受垂直支反力时,可以直接用各车轮所对应悬架产生
后右悬架的伸缩速度(y。)为:
y。:一y。+叫:c。。(口:)£。+l/2×∞。c。。(臼。)B。,(8)
芸竺,叫x、∞v、cUz分别是车体质心角速度沿x、y、z的
器等嚣耋主票羹盘妻器篓言茎茎雯釜雾?蓄萎萎凳秉
川2巍黧黧墩窒紫缈下:
前左悬架阻尼力和弹性力之和(F。)为:
n=墨y玎+Ⅳ(‰),
(9)
峋淼篓震燃恭
后轮所承受的非悬挂质量(M,):
””…””一~”……“一”~“。
Mf_型生}挚×丢,
前右悬架阻尼力和弹性力之和(R)为:
Ffr=Kyfr+Ⅳ(K),
后左悬架阻尼力和弹性力之和(F。)为:
(10)
耻掣×丢,
(13)
…)
138
公路交通科技
第24卷
其中,掰为整车质量,嬲。为菲悬挂旗量。
在考纛汽车车轮所受地藤的垂直支反力时,由于汽车非悬撩质量相对于悬挂质量较小,同时实际中的
非悬挂质量沿y辘离的加速度较小,因而汽车备车轮所受地面的垂直支反力,按下列各式进行简化。
前左轮胎所受地面垂矗支反力(砜):
Ⅳn=一(艇f×g—Fn),
(15)
前右轮胎所受地面垂直支反力(Ⅳfr):
Ⅳh=一(麓f×g—F*),
(16)
后右轮胎所受地面垂直支反力(帆):
Ⅳd=一(尬,×g—Fd),
(17)
后左轮胎所受地垂垂直支反力(鬈。):
Ⅳ。=一(M,×g一,。),
(18)
由以上各式及刚体质心6自由度方程可以得到汽
车的6自由度方程如下:
沿x向的力平衡方程:
麓(警…%~“)=
∑(FⅨicos戳一F化isin或),
(19)
沿y扁的力平衡方程:
酗g咄(尝地玫一坎)=
F&+Fn+F。+Fd,
(20)
沿z向的力平衡方程:
越(警…K一致)=
∑(%isin戳+‰ic08哦),
(21)
绕爱辘力矩平衡方程:
奴警+(卜歹,)甜掀+
k(…。~警)=喜㈣一蹦承+
告(罗。一∥d)县,一∑罗。蛾,
(22)
绕y轴力矩平衡方程:
,W警+(,。一,。)叫:∞x一塌(∞v∞z+
警)=(,蛹+F艘)Ef一(F憾+,胤)£,+
{(F妣一F硼)艿,+要(F。礤一F。站)B。+
∑嬲:i+∑掰骶+∑艇d
(23)
绕z轴力矩平衡方程:
l
f。号警+(j。一,。)∞x∞。一z。。(鲫;一∞;)=
(F&+焉)£f一(F。+歹dj£,
(艇)
其中,,恻(江1,2,3,4)分别是汽车前左、前右、后左、后右轮所受的滚动摩擦阻力;戳(扛l,2,3,4)分蒡|j是汽车前左、前右、后左、后右轮与车体的夹角;F岔。(i=1,2,3,4)分别是汽车前左、前右、后左、后右轮因侧向
变形焉产生的侧向力;整盎(涪l,2,3,4)分别是汽车前
左、前右、后左、后右车轮因自身扭转变形而产生的回
正力矩;艇孔(bi,2)为汽车前左、前右轮因主销后倾
而产生的力矩;膨。舢=l,2)为汽车前左、前右轮因主
销内倾而产生的力矩。
1,4轮胎滚动特性
如果将式(19)。(24)联立成方程组,该方程组无
法解崮。实舔上汽车车体的重量是遘过车轮传给地
面,因而在汽车模型中必须考虑车轮的动力学模型。
车轮模型有很多,本文选用一种简化的轮胎模型n。,该模型已在飞机的动力学研究中褥到广泛的应用。该模型中轮胎的作用力和变形间的关系完全由静态刚度特
性决定。用公式表示为:
F=以,
(25)掰=却,
(26)
式中,F为轮胎侧向力,口为轮胎侧向刚度,A为轮胎的侧向变形(向右为正),M为轮胎扭矩,6为轮胎扭转刚度,妒为轮胎扭转变形(逆时针为正)。
(1)轨迹切线引入假设:任何瞬问触地中心处轨迹方囊与该触地中心线切线方良一致,觅瀣3。
触地中心轨迹线
遗
J
\/咖。
怵一
十
圈3轮胎轨迹坐标系垂豫.3
Tirea西ssys艳m
由图3及假设l可以推导出如下公式:
譬:一(臼+妒),
(27)
U5
式中,y为轨迹的侧向坐标,移为轮胎在轨迹坐标系中的转角,s为轨迹的纵向坐标,器§滑跑路程(见图3)。
第3期孙维汉,等:基于MAllAB汽车动力学仿真研究
139
对于汽车的轮胎,在刚性垂直支柱假设下,有如下的关
系:
y=£。sin臼+Acos臼,
∑‰=Kw(警一艿,)+善k警一cw札
(36)
其中,Kw、Cw为转向系统刚度系数和阻尼系数;s。为
(28)(29)
警=印。s臼鬈+cos口警一心n臼鬈,
(29)代入式(27)得:
式中,f。为主销内倾距(汽车后轮内倾距为零)。将式
转向系统传动比;k为汽车前轮转动惯量;艿,、含,为前
轮转向轴的转向角位移和转向角速度。
上述各式中,式(19)~(24)以及式(36)构成了汽车“6+1”自由度的数学模型。该模型中包含汽车的前进速度、侧向移动速度、垂直方向的速度、
邙。s臼鬈+c。s臼警一Asin臼鬈=一(臼+甲),(30)
由于ds=yd£,得:
堂一上塑塑一土塑
则有:
侧倾角速度、横摆角速度、前后的俯仰角速度等车体
ds—yd£’ds—yd£’
自身的6个自由度以及前轮转向系统的自由度。利用
该模型能够全面分析汽车运行过程中的时间情况。
2校验及仿真
(31)
邻。s口訾+cos口警一Asin口磐=一y(臼+驴),
其中,y为轮胎触地中心的速度,通常取悬架支柱轴线
本文从ADAMS/Car的MDI—Dem0一Vehicle摘取
汽车模型中的相关参数(见表1),并利用MA,11AB
语言进行编程,然后进行模型的校验和仿真。
表1汽车及车轮相关性能参数rI'曲.1
与地面交点处的速度。
对于汽车后轮由于f。=0。因此
cos臼警一心n口警=一咄+P)
d£
df
・’
(32)
、
’
vehicle
p猢etertirep猢eter
used
forsimlllaiionstudy
(2)对于轨迹的曲率引入假设:轨迹的曲率完全取
决于轮胎的变形A和妒,并且是A和妒的线性函数。则有:
一等=以一印ds2一’r
数。将式(27)两边求一次导数代人式(33)得:
(33)…7
式中,d为轮胎侧向滚动系数,口为轮胎的扭转滚动系
掣:y(以一励)。
dsdf
一“、卅’警掣:以一膨,
(34)
、。”
一¨…州加
(35)…叫
上述车体模型的方程组加上各个轮胎模型的方程组就构成了一个能够解出的方程组。有了上述各方程,还要加上汽车前轮转向系统的数学模型[6]。前轮
转向系统的模型见图4。
转向轮绕主销的平衡方程:
心夕
图4汽车前轮转向系统模型
ng.4
该车型前、后悬架阻尼力的大小均服从相同的非线性函数,前后悬架阻尼力的大小与悬架伸缩速度之
rr州el
V出clefr加t
w}leelste谢ngsyscem
间的关系见表2。
公路交通科技
表2前后悬架阻尼力的大小和悬架伸缩
速度之间的相关数据关系
Tab.2
1hedataabouttheI.elationbetweensuspensiondarnping
forceaIldsusperIsion
第24卷
转角,然后根据模型输出的汽车横摆角速度、横摆角位
移、侧倾角速度、侧倾角位移、俯仰角速度、俯仰角位移的变化情况来对所建模型进行校验,以便断定所建模
型是否合理。本文给转向盘一个恒定的转角135。,同时设置汽车运行速度为10k—h,运行时间均为20相关图形见图5~图7。
分析图5~图7,并与文献[6、7]中所提供的角阶跃试验结果进行对比,可以得出:本文所建模型基本合
s。
vel()c畸
速度w(m・s。1)-1.250_1.000_O.750_0.500_O.250_0.225一O.200—O.175阻尼力F/N一1500—1408—1278—1055—792—780—735—692速度w(m・so}0.150_O.125—0.100_0.075—0.05肚O.025阻尼力F,N一650一555—535—427—340—181速度w(m・s“)0.050阻尼力,/N
726
0.Cr758900.500l945
O.100l006
O.125
0.1501190
O.175l250
0.0O0.200l
O.025479O.2251370
11221.Ooo
2832
325
理。其中图7中汽车横摆角速度曲线和横摆角位移曲
线没有收敛,是由于汽车在实际的运行过程中存在偏移而造成的。另外,本文还设置汽车运行速度为100
速度w(m・s。1)0.250阻尼力,/N
l445
0.7502405
1.2503240
2.1角阶跃输入校验
k“h,方向盘的恒定转角为0.75丌的校验,校验结果
也证明本文所建模型是合理的。
角阶跃输入校验是给汽车前轮或方向盘一个固定
一4
。D霉
’
∞譬
量耋:
名咎\o
口∞
蠢岜
謇
擎-8
鎏螽
莲蓬
暮量尽
萎蓁
颦
图6
图5车体俯仰角速度、俯仰角位移
ng.5
Vehicle
车体侧倾角速度、侧倾角位移
Ve}liclemu
图7车体横摆角速度、横摆角位移F毡.7
Vehicleyaw
pitchvelocity
and
pitchande_k.6
veloc时androⅡande
veloc畸andyaw龇l—e
2.2汽车直线行驶过程中遇到凹坑的仿真
凹坑可以用一个正弦函数|i}。×sin(f概一f。)×(K/
d。)兀表示。其中,南。为凹坑的最大深度取为10
cm;
汽车在行驶过程中经常遇到坑凹路面,在有些情
况下,驾驶员由于无法避免而直接开过。本文中设置汽车行驶过程中前、后左轮先后遇到同一凹坑,此时车速为10k—h;同时设置汽车直线运行1s后遇到凹坑。
OO
∞叩
2
y。为汽车过凹坑时的速度;d。为凹坑的宽度取为36
cm;f。为汽车行驶过程中遇到凹坑的时刻;f妣为时
间变量。相关仿真图形如图8~图9。
32●O1
蠢冀-.侧倾角位移
迥越。
I侧倾角速度
OO0
俯仰角速度
\./
,汐
横摆角位移
/f\
I横摆角速度
羹震.,
霹肇一毫一2
O
。
气降y
1
I.5
2
\/
/L————一
俯仰角位移f
OO
0OO
O
0.5
J
l
15
2
2.5
3
3.5
4
乙△j\厂\
{/
230
0.5
l
y
0.52533.54
1.522.533.54
时间/s时间/s时间/s
图8车体侧倾角速度、侧倾角位移F蟾.8
Vehiclerou
图9车体横摆角速度、横摆角位移Ik。9
vehicle
yaw
图10车体俯仰角速度、俯仰角位移F逅.10
Vekity
and
IoⅡandeVekityandyawangle
V出ckpitchvelocity
aI讨piteh
ande
分析图8、图9和图10就会发现本文所建的模型能够仿真出汽车左轮驶过凹坑时汽车的运行状况。在
本次工况的仿真还可以发现汽车的横向速度、纵向速
不同的速度通过同一凹坑的仿真,发现汽车的速度越快,上述各曲线的变化值就越大。
另外,本文还设置一横沟让汽车驶过,即对汽车前后轮依次驶过同一横沟进行仿真。发现汽车除俯仰角速度、俯仰角位移以及垂直速度在汽车驶过横沟时有变化外,其他方向的速度和角速(下转第144页)
度、垂直方向速度以及汽车各轮所受的垂直支反力在
汽车驶过凹坑时均有一微小变化。由于文章篇幅的关系,本文不在此一一列出。同时,本文还设置汽车以
144
公路交通科技第24卷
4个消费点的等效可靠度分别为:o.798
427、0.783
427、o.798
业工程与管理,2004(1):72—74.
427和0.783
427。
吲
ARCⅢEIDCKAMY
III,研LBUR
and
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selection【JJ
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Mana群m】ent+
5结论
M
Sym锄s.wenlbley:2000,100(5);2lO一218.
沈祖培,黄祥瑞,高佳.可修系统可靠性分析中(如法的应用[J].核动力工程,2000,21(5):456—461.
运用GO法分析供应链的可靠性,不仅能够计算出整个过程的可靠性,还可以清楚的得到各环节的可靠性,有利于找出制约供应链活动正常进行的瓶颈,为提高供应链整体可靠性提供依据。
参考文献:
王建,张文杰.供应链系统可靠性分析[J].中国安全科学学报,2003,13(11):73—75.
[2]
陈国华,王永建,韩桂武.基于可靠性的供应链构建[J].工
吲吲Ⅲ
cHuBB.0veⅣiewManual
G()Me山od010影[R].EPRI
NP一3123vol
1.Washin殍仰:Electric
P0werResearchInstitute,1983.
沈祖培,高佳.G0法原理和改进的定量分析方法[J].清华大学学报(自然科学版),1999,39(6):15一19.
S眦N
zupei,WANG
a
Yao,HUANGⅪallgmi.AqLlaIlt缶cati彻algo—
in
rithmforEIlg
repairablesystem
t}le
G0
method010盱[J].Reli幽lity
aIldSvstS出ty,2003,80(3):293—298.
嘲
沈祖培,郑涛.复杂系统可靠性的Go法精确算法[J].清华大学学报(自然科学版),2002,42(5):569—572.
、j户、妒9妒妒‘≯妒◇、、:≯、妒、梦、扩妒妒p妒、●’÷≯j、妒乜≯妒、opt产、妒妒9妒妒妒9妒妒、妒‘户≯乜产、-≯、二}^。产、:声1多>、:÷o、:,、、:产、90’≯妒妒(上接第140页)
度没有变化,这和实际驾车经验是吻合的。
3结论
嘲吲Ⅲ吲吲Ⅲ剐吲
19};4.
苏晓生.掌握MA肛AB6.O及其应用[M].北京:科学技术出版社,2001.
雷雨成.汽车系统动力学及仿真[M].北京:国防工业出版社,2000.
经过初步的校验证明本文所建立的6+1汽车模型基本合理,并且该模型能够仿真出汽车在一些特殊
工况下的运行情况;但该模型并没有考虑驾驶员对汽车运行安全性的重大作用。因此本文所建立的模型和
何锋,杨宁.汽车动力学[M].贵阳:贵州科技出版社,
2003.
顾宏斌.飞机地面运行的综合仿真研究[D].南京:南京航空航天大学,1999.
李显生.商用车行驶安全性及主动横向稳定器的研究[D].长春:吉林大学,2002.
赵又群.人一车一路闭环系统主动安全性的客观评价[D].长春:吉林大学,1997.
郑建荣.ADAMs一虚拟样机技术入门与提高(第一板)[M].北京:机械工业出版社,2002.
熊光楞,沈被娜,宋安谰.控制系统仿真与模型处理[M].北京:科学出版社,1993.
所做的工作只能反映汽车自身的运行特性情况如何,其结果具有重要的参考作用。如果能选择一个合适的驾驶员模型与本文所建立的汽车模型组合起来,再考虑到道路的特性,组成一个人一车一路大闭环模型,其仿真结果将更加可靠和真实。
参考文献:
f11
诸德培.摆振理论及防摆措施[M].北京:国防工业出版社,
基于MATLAB汽车动力学仿真研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
孙维汉, 孙宏侠, 陈俊武, SUN Wei-han, SUN Hong-xia, CHEN Jun-wu南京交通职业技术学院,汽车工程系,江苏,南京,210032
公路交通科技
JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESEARCH AND DEVELOPMENT2007,24(3)2次
参考文献(9条)
1. 熊光楞;沈被娜;宋安谰 控制系统仿真与模型处理 19932. 郑建荣 ADAMS-虚拟样机技术入门与提高 2002
3. 赵又群 人-车-路闭环系统主动安全性的客观评价[学位论文] 19974. 李显生 商用车行驶安全性及主动横向稳定器的研究[学位论文] 20025. 顾宏斌 飞机地面运行的综合仿真研究[学位论文] 19996. 何锋;杨宁 汽车动力学 20037. 雷雨成 汽车系统动力学及仿真 20008. 苏晓生 掌握MATLAB6.0及其应用 20019. 诸德培 摆振理论及防摆措施 1984
引证文献(2条)
1. 王树凤. 张俊友. 李华师. 柴山 不同转向模式的多轴转向车辆性能分析[期刊论文]-公路交通科技 2008(12)2. 吴晓东. 关强. 李冰 基于VC、Matlab的汽车制动性能联合仿真[期刊论文]-微计算机信息 2007(34)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gljtkj200703033.aspx