基于CarSim的整车动力学建模与操纵稳定性仿真分析.pdf

论文分类号U461.1密 级公开单位代码10183 研究生学号 2005422007吉 林 大 学硕士学位论文基于CarSim的整车动力学建模与操纵稳定性仿真分析Modelirq,Simulation and Analysis of AutomoMve Hardline and Stability Based on CarSim 吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日PDF created with pdfFactory Pro trial version PDF created with pdfFactory Pro trial version 中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿声明研究生院：本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程的内容,愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电 子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿，希望中 国优秀博硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博 硕士学位论文评价数据库和CNKI系列数据库中使用，同意按章 程规定享受相关权益。论文级别：硕士 博士学科专业：车辆工程论文题目：基于CarSim的整车动力学建模与操纵稳定性仿真分析作者签名：指导教师签名：年 月 日作者联系地址（邮编）：吉林大学南岭校区汽车动态模拟国家重点 实验室（130025）作者联系电话：[phone]PDF created with pdfFactory Pro trial version PDF created with pdfFactory Pro trial version 作者姓名李志魁论文分类号U461.1保密级别公开研究生学号2005422007学位类别工学硕士授予学位单位吉林大学专业名称车辆工程培养单位（院、所、中心）汽车工程学院研究方向汽车动态模拟仿真学习时间2005年09月 至2007年06月论文中文题 目基于CarSim的整车动力学建模与操纵稳定性仿真分析论文英文题 目Modeling9 Simulation and Analysis of Automotive Handling and Stability Based on CarSim关键词（3-8 个CarSim 子系统特性试验操稳试验开环仿真 闭环仿真评价导师情况姓名郭孔辉职称教授学历学位学士工作单位吉林大学论文提交日期20年 月 日答辩日期20年 月 日是否基金资助项目否基金类别及编号如已经出版，请填写以下内容出版地（城 市名、省名）出版者（机构）名称出版日期出版者地址（包括邮编）PDF created with pdfFactory Pro trial version PDF created with pdfFactory Pro trial version 提要本文的研究是结合“某车的底盘分析项目”展开，进行了子系统特性试验,整车操稳试验及评价，CarSim建模仿真分析等三方面的工作。子系统特性试 验包括：整车质心高度及转动惯量试验、轮胎试验、转向特性试验、减振器试 验和悬架K&C试验。整车操稳试验包括：转向轻便性试验、稳态回转试验、低速回正性试验、高速回正性试验、转向角脉冲试验、转向角阶跃试验、蛇形 试验和转向正弦试验。论文首先对试验车进行子系统特性试验，并利用特性试 验结果进行CarSim整车建模；然后对试验车进行操稳试验及分析评价，并对 试验车CarSim模型进行开环仿真，与操稳试验结果对比，验证CarSim模型 精度。最后加入驾驶员模型，进行了操稳闭环仿真，并加入操稳闭环评价体系,这为后续利用CarSim进行底盘开发工作打下了一定的基础。关键词：CarSim子系统特性试验操稳试验开环仿真闭环仿真评价PDF created with pdfFactory Pro trial version PDF created with pdfFactory Pro trial version 目录第一章绪论.1 1.1木 文研究的背景和意义.11.1.1 本文研究背景.11.1.2 本文研究意义.3 1.2 CarSim软件的应用现状.3 1.3本 文主要研究内容.6第二章CarSim软件介绍.7 2.1 CarSim软件的组成.7 2.2 CarSim车辆模型介绍.82.2.1 车体(Sprung Mass from Whole Vehicle).102.2.2 轮胎(Tires).112.2.3 转向系统(Steering System).162.2.4 悬架(Suspension).182.2.5 制动系统(Brakes)、传动系(P owertrain)与空气动力学(Aerodynamic).21 2.3 CarSim软件求解器介绍.23 2.4本 章小结.26第三章 子系统特性试验和CarSim整车模型的建立.27 3.1试 验车子系统特性试验.273.1.1 整车质心高度、转动惯量试验.273.1.2 轮胎试验.303.1.3 转向系试验.343.1.4 减振器试验.353.1.5 悬架K&C试验.37 3.2试 验车CarSim模型的建立.47 3.3 CarSim模型的调试.49 3.4本 章小结.50第四章 操稳试验和CarSim操稳仿真分析.51 4.1试 验车操纵稳定性试验.51 4.2试 验车操稳评价.62 4.3试 验车操稳的CarSim开环仿真与试验对比分析.644.3.1 CarSim 开环仿真与试验对比.644.3.2 CarSim开环仿真对比结果分析.73 4.4试 验车操稳的CarSim闭环仿真及评价.734.4.1 闭环仿真的意义.744.4.2 双移线和蛇形工况闭环仿真.744.4.3 操稳闭环评价.77 4.5本 章小结.83PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文第五章全文总结.84参考文献.85摘要.IABSTRACT.Ill致谢.VIIPDF created with pdfFactory Pro trial version 第一章绪论第一章绪论1.1 本文研究的背景和意义1.1.1 本文研究背景目前，中国汽车产业发展迅速，特别是加入世贸组织之后，我国汽车产业 的发展更是迈入了一个新阶段，2006年汽车产销量一举突破700万辆大关，达到728万辆。但是我国汽车企业的自主开发能力还很薄弱，提高自身的技术 实力是中国汽车工业的唯一出路。在汽车开发过程中，实车试验固然重要，应 用CAE软件进行仿真分析也有着重要的意义。全面引入CAE技术，可实现全 过程、整车级虚拟样机仿真，减少原型车试验次数，降低生产成本、缩短新车 研发周期，是提升企业技术能力和竞争力的有力保证。CAE仿真技术是 轿车开发中不可或缺的现代工具，无论是在汽车的概念设计和可行性研究阶 段、产品设计和原型车确认阶段还是在定型生产阶段，计算机仿真技术都起到 了巨大作用，如下图所示：图1-1 CAE在汽车开发中的作用CAE技术在中国汽车业的应用经历了入门、推广、普及等阶段，目前已 PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文经到了取得实质效益的阶段。CAE技术在产品开发中效果突出，其分析方法 的准确性和精确性已得到普遍认可，几乎所有的中国企业都将虚拟仿真技术应 用于产品的设计开发过程中，取得了一定的经济效益。但同发达国家相比，我国汽车工业领域的仿真技术应用水平也远远落后于发达国家，这大大制约了 我国汽车业的发展，使得我们在研发周期、设计效率、设计费用等方面相比发 达国家仍有很大的差距。中国要实现制造强国的梦想，需要重视培养企业的 自主创新能力，而仿真分析相关技术是自主创新的重点。整车动力学仿真是汽车仿真技术中很重要的一部分。目前，用于整车动力 学的仿真软件大致可分为两类：一类是面向结构的仿真软件，如ADAMS、DADS网（现为LMS公司VirtuaLLab Motion191）及悬架仿真专用软件 SuspensionSim等，它们基于多体动力学理论口小，对整车拓扑结构进行 抽象建模仿真皿；另一类是面向特性的仿真软件，如CarSim、CarMaker等，它们是基于汽车动力学理论口6口7并结合多体理论，将整车分为车体、转向、轮胎、悬架、制动系、传动系等子系统，通过输入各子系统的特性参数和特性 曲线进行建模仿真。这两类仿真软件各有用途：例如对某悬架进行结构改进分 析需要面向结构的动力学仿真软件ADAMS等；而要分析某悬架的运动学 和弹性运动学特性（即悬架K&C特性）变化后对整车操稳的影响就离不开面 向特性的仿真软件。还可将两类软件结合在一起进行底盘的调校和改进。例如：改变悬架K&C特性，用CarSim进行操稳仿真，选出仿真结果好的一组悬架 K&C特性作为优化目标，进而用ADAMS软件来优化悬架结构的关键点。整车动力学仿真软件CarSim是建立在密歇根大学公路交通研究所（UMTRI）多年的试验及研究基础之上，由美国Mechanical Simulation Corporation（简称MSC公司）开发。该仿真软件在丰田、通用、博世等公司 已被大量应用，而国内引进该软件时间不长，高校和企业对该软件的建模仿真 分析方法的认识还不够深入。本文就是在这种背景下，结合“某车的底盘分 2PDF created with pdfFactory Pro trial version 第一章绪论析项目”，进行实车试验并探索应用CarSim进行整车建模和操稳仿真分析的 方法，为下一步的底盘开发工作打下一定基础。1.1.2 本文研究意义本文结合“某车的底盘分析项目”，对该车进行子系统特性试验和整车操 稳试验，并利用CarSim模型进行整车建模和操稳仿真分析。本文的意义如下:(1)对试验车进行子系统试验和CarSim整车建模，有利于加深对该软 件建模方法的认识和理解。建立整车模型，也就是在CarSim中为企业建立了 关于该试验车的特性数据库，对下一步在该车基础上运用CarSim进行分析改 进打下基础。(2)对试验车进行操稳试验，根据试验结果对该车的操纵稳定性进行初 步分析评价。汽车产品开发，只要不是超前的“概念车”，一般都有一个“对标 车”作为基本车型，进行试验与性能评价分析，这是汽车开发中的一个重要环 节。(3)探索应用CarSim软件进行开环和闭环操稳仿真的方法，并加入闭 环评价体系。国内在整车动力学仿真方面多是利用ADAMS等多体软件分析 U9 20 21 2”而利用CarSim软件进行整车操稳仿真的探索尚不多见，本文可 在这方面积累一定经验。这部分工作对于加深对该软件仿真精度的认识，在 CarSim中建立操稳试验及其评价的体系有重要的意义，可为下一步的底盘开 发改进工作打下了 一定的基础。1.2 CarSim软件的应用现状CarSim 软件由美国机械仿真公司(the Mechanical Simulation Corporation,简称MSC公司)于1996年研制开发。它的动态仿真基础源自于美国密西根 PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文大学运输研究中心(the University of Michigan Transportation Research I nstitute,简称UMTRI)多年理论和实践经验的积累。该软件具有快速、准确、易于上 手等特点。它可以模拟不同路面情况下汽车的制动、加速和方向盘调整，通过 曲线和动画直观地分析汽车的各种响应。在国外，CarSim软件已被通用、福特、丰田等大企业认可，并应用于新 产品特别是电控单元的开发和虚拟试验.侬3。在新产品的研发过程中有一 条著名的“V曲线”，如下图所示：Mechanical SimulationProduct Development and Validation图1-2产品开发流程的“V曲线”在V曲线的中，CarSim仿真软件既可应用于的“系统概念设计阶段”又 可应用于部件测试和硬件在环阶段。设计工程师可以根据仿真结果及时而有效 的对控制策略等进行调整和改善。例如，澳汰尔工程有限公司的工程师 Mohammad Kamal利用CarSim软件的对主动悬架的控制策略及其对整车操稳 性能的提高方面进行了仿真研究侬】。除用于新产品特别是电控单元的开发之外，在国外CarSim软件还被广泛 应用于常规试验和一些比较危险难以操作或实际无法测量的虚拟试验，为企业 4PDF created with pdfFactory Pro trial version 第一章绪论的产品开发和研究机构的研究提供指导意义。例如，美国的国家公路交通安全 局(the National Highway Traffic Safety Administration in the U.S.)希望对汽车 抗侧翻性能进行研究(简称为NHTSA fish-hook)o为此该机构设计了如下试 验工况：在汽车高速时以720。/$的角速度打方向盘至某角度，使得此时车的 内侧车轮脱离地面几秒钟然后落地，测量这一过程中侧倾角等量的变化。该试 验过程非常危险，对试验设备的要求也非常高，包括遥控设备和可编程控制器 来代替驾驶员进行操作。而利用CarSim软件仿真可以快捷而有效的模拟出这 一过程，得出较精确的仿真结果，如下图所示：图1-3 CarSim模型对NHTSA fish-hook的仿真结果国内引入CarSim的时间不长，对其应用尚处于起步阶段。吉林大学汽车 学院郭孔辉院士项目组结合一些实际项目应用该软件进行了一些仿真分析工 作。例如：王英麟硕士利用CarSim软件对某公司的爆胎自动救助装置的控制 策略进行了仿真分析，达到了较好的效果mi；景立新、谢永强、曹宇硕士利 用CarSim软件作了不少关于建立轮胎客观评价体系的工作；李洪伟硕士在利 用CarSim软件和悬架仿真专用软件SuspensionSim进行了悬架运动学及弹性 运动学的分析工作磔。本文是应用CarSim软件对某试验车进行了整车建模和 PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文操稳仿真分析，以期为下一步底盘开发工作打下一定基础。总之，国内对 CarSim软件的应用尚处于起步阶段，应加深对该软件的认识，以便将其更好 的应用于教学研究和工程实践中去。1.3 本文主要研究内容本文是结合“某车的底盘分析项目”，围绕试验和CarSim操稳仿真分析 展开，主要内容如下：（1）进行试验车子系统特性试验，利用试验结果在CarSim中建立该车 的整车模型，探索CarSim整车建模的方法和技巧。通过子系统特性试验，既 可以让我们对子系统的特性有一定认识，又为CarSim建模提供了原始数据。（2）进行试验车操稳试验，分析试验结果，对该车操纵稳定性做出初步 评价。（3）对该车的CarSim模型进行操稳开环仿真，与操稳试验结果进行对 比,并加入驾驶员模型和操稳评价体系，进行某些工况的闭环仿真与分析评价。对试验车的CarSim整车建模进行开环操稳仿真，并与整车操稳试验结果对比 以验证CarSim软件的操稳仿真精度。进行闭环仿真评价也是不可缺少的，这 部分工作为以后应用CarSim软件进行底盘开发打下一定的基础。6PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍第二章CarSim软件介绍本章对CarSim软件进行介绍，具体包括：CarSim软件的组成、CarSim 车辆模型、CarSim求解器等方面。2.1 CarSim软件的组成CarSim是面向特性的参数化建模的汽车动力学仿真软件四】，它用简洁易 懂的界面将整车模型、仿真、结果等展示在使用者面前。我们可快速而准确地 利用该软件进行仿真，以期对工程设计提供参考。图2-1 CarSim软件的组成如图2-1所示，CarSim软件由如下三部分组成：1.图形化数据库。该部分包括整车模型数据库，方向和速度控制数据库,PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文外部环境数据库（包括路面信息，风等外部环境）三部分。这些数据库综合考 虑了人-车-路等三部分。使用者可以缺省库，也可以新建库。下节会对整车模 型部分进行详细介绍。2.数学模型求解器。在该部分可以设置仿真时间，仿真步长等信息，它 是CarSim求解运算的内核部分。CarSim数学模型具有快速、精确的优点，并 且可与Matlab/Simulink、C语言等方便地连接。下面还会对CarSim求解器简 单加以介绍。3.仿真结果后处理部分。CarSim具有强大的后处理功能，包括仿真结果 的动画显示和曲线显示两部分。使用者通过仿真动画可以直观形象地观察汽车 的响应，还可以选择输出某特性参数随时间或另一特性参数变化的曲线，进行 定量分析。2.2 CarSim车辆模型介绍CarSim的图形化数据库部分包括整车模型，方向和速度控制和外部环境（包括路面信息，风等外部环境）三部分。本节对CarSim整车模型部分进行 介绍。CarSim软件结合了传统的车辆动力学与现代的多体动力学建模方法，对 将车辆进行抽象简化。例如，前后悬架均为独立悬架的车辆可抽象为10个部 分：1个车体部分、4个簧下质量部分、4个旋转车轮部分和1个发动机曲轴 部分。如下图所示：8PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍图2-2 CarSim车辆模型的抽象对车辆抽象后，CarSim软件根据车辆特性及仿真初始条件利用求解器求 解运算。具体来说CarSim车辆模型包括车体、轮胎、转向系、悬架、制动系、传动系和空气动力学等七大子系统的特性，如下图所示：图2-3 CarSim整车模型所包括的子系统下面分别对这七个子系统的所包含的特性参数或曲线及其获得方法进行 介绍。PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文2,2_1 车体(Sprung Mass from Whole Vehicle)图 2-4 Sprung Mass from Whole Vehicle 界面该部分定义了车体尺寸参数和质量及转动惯量信息O具体参数包括车身长 宽高、轴距、轮距、质心高度、四轮负载、簧下质量信息、整车转动惯量等等。其中质心高度和转动惯量可通过试验测得，常用的试验方法有力矩平衡法、摇 摆法和侧倾法三种，本文采用的是摇摆法，第三章将详细介绍；车体尺寸参数 可用刻度尺直接测得。在车体界面中特别需要注意的是CarSim坐标系的定义，如下图所示:图2-5 CarSim车辆坐标系的定义10PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍CarSim坐标系的坐标原点位置可通过输入前轮轮心高度值来确定，一般 输入某载荷下的轮胎半径。X轴位于汽车左右对称面内，向前为正；Z轴垂直 地面，向上为正；Y轴满足右手定则，向右为正。2.2,2 轮胎(Tires)CarSim轮胎模型包括内部轮胎模型和外接轮胎模型以及P acejka轮胎模 型网】。本文仿真所用的轮胎模型为外接轮胎模型郭孔辉教授提出的统一 轮胎模型(Unitire Model)31 32 33 34O下面分别介绍统一轮胎模型的坐标系、基本输入输出关系和基本公式结构。UniTire Model所采用的坐标系是轮胎CP(Contact P rocess)坐标系，如图 2-6所示。坐标系原点为O点，Y轴位于车轮旋转轴线在A内的投影线上，规 定正向与车轮旋转方向成锐角，Z轴垂直于A,向上为正，X轴与Y轴及Z 轴构成右手系。图示各物理量正方向符合右手定则。值得注意的是，轮胎CP 坐标系下轮胎滚动角速度Q始终为正，即车轮反转时坐标系也要反向旋转。图2-6轮胎CP坐标系UniTire模型的输入量为轮胎的运动状态量，包括轮胎的纵向运动速度匕、侧向运动速度匕、轮胎滚动角速度Q、车轮横摆角速度电、轮胎侧倾角丫及 轮胎径向变形p,另外还应包括路面的信息，如路面的摩擦系数等。模型的输 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.D吉林大学硕士学位论文出是轮胎接地印迹上的“六分力”。“轮胎六分力”指将路面提供的接地印迹内 的分布力向接地印迹中心进行简化，形成的空间力系。一般而言，轮胎力学特 性的研究目的就是找出在确定的轮胎运动状态及路面状况时,轮胎六分力与轮 胎运动状态及路面状况的关系，如图2-7所示：路面状况轮胎运动状态 P：轮胎径向变形 Q：滚动角速度 vt：运动纵向速度 Vv：运动侧向速度 Y：轮胎侧倾角 3,车轮横摆角速度图2-7 UniTire Model的输入与输出UniTire模型的基本公式结构可分为如下三部分：(1)稳态纵滑一侧偏联合工况模型通过大量的理论分析与试验研究，郭孔辉院士提出了如下两个基本关系式 来描述轮胎在纵滑一侧偏联合工况下所受的无量纲总切力不和回正力臂2：一 1F=l-exp(-E 2 _(炉+石)3)(2-1)Dx=-(Dx0+De).exp(-D-D22)-De(2-2)其中：石和A，2是与轮胎特性有关的随载荷变化的系数，它们分别决 定了上述两式的曲率。首先定义无量纲的相对滑移率X，y和：K S中二/(2-3)%日产F Z12PDF created with pdfFactory Pro trial version www.D第二章CarSim软件介绍K S中=4.y f y z(2-4)(2-5)其中，、分别为轮胎的纵滑刚度和侧偏刚度。S Sy分别为轮胎 的纵向滑移率和侧向滑移率。氏、内分别为接触印迹内纵向及侧向的摩擦系 数。6V称为相对纵向滑移率，y称为相对侧向滑移率，中称为相对总滑移率。定义无量纲纵向力瓦及无量纲侧向力可，按无量纲滑移率的比例进行分 配：cb(2-6)一 一中由(2-5)式，有:(2-7)由于中20,所以04万1,在不不变时，当纵向力增加时侧向力必然减 小，这说明纵向力和侧向力相互影响，体现了纵向与侧向的联合作用。最后，轮胎所受的纵向力和侧向力为：Fx=FxxFz(2-8)Fy=4内尺在纵向力的和侧向力的作用下,轮胎的实际印迹中心相对于理论印迹中心 发生偏移，所以回正力矩的表达式为：PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文Mz=Fy.Xc-Fx.Yc+Fy.Dx(2-9)其中X,和匕为轮胎在纵向力和侧向力作用下引起的实际印迹中心相对于 理论印迹中心的偏移量：xc=(2-10)KxcFyKyc其中K.和Kyc为胎体的纵向刚度和侧向刚度。(2)侧倾对纵滑一侧偏联合工况的影响为表征车轮侧倾的程度，引入侧倾滑移率邑。其定义为：Sy=siny根据理论分析，有侧倾引起的侧向附加滑移率S*,为：(2-11)(2-12)其中为轮胎的侧倾刚度，是轮胎载荷的函数。考虑侧倾的影响，总的侧向滑移率为：s=S 八+s y ynl)其中，为无侧倾时的滑移率，即V”.sy V sina8 =.-ynO V CR r e(2-13)(2-14)14PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍纵向滑移率的表达式仍为V OR-VcosaS=3=-（2-15）r e将%,S,代入到前述的，y中，计算出新的无量纲滑移率，从而可 以得出考虑侧倾后的纵向力与侧向力。下面分析侧倾对回正力矩的影响。由侧倾理论知，轮胎侧倾会产生附加回 正力矩AM4,可以用以下半经验公式来表达首先定义无量纲侧倾附加回正力矩瓯如下：否=1 exp（中,.-E,麓-（E；+5）：）（2-16）其中机=%J.siny为侧倾回正力矩相对滑移率。K研为侧倾回正刚度，AMzm为路面所能提供的最大侧倾附加回正力矩。它们都是与载荷有关的变量。最后，侧倾引起的附加回正力矩为：=AM7.AMzm（2-17）当印迹内的滑移严重时，将侧倾引起的附加回正力矩修正为：%=入瓯/%,（2-18）其中：九=）-F为修正系数。通过分析发现，联合工况下的拖距与侧倾关系不大，因此拖距仍按前述进 行表达。于是，考虑侧倾后联合工况轮胎模型的回正力矩修正为：Mz=Fy-Xc-Fx.Yc+Fy.Dx+AM叶（2-19）PDF created with pdfFactory Pro trial version www.D吉林大学硕士学位论文(3)考虑轮胎刚度的各向异性前面介绍的轮胎模型是在假设轮胎的纵滑和侧偏刚度接近的前提下建立 起来的。实际上，当纵滑、侧偏刚度相差较大时，特别是滑移又比较大时，须 将模型进行修正。定义=J(九x)：+多，入为修正系数。无量纲总切力亓的表达式不变,中由.代换。无量纲纵向力耳和侧向力耳的计算式改为：-九厂工=F.一(2-20)这样，通过调整修正系数入，可以很好地描述车轮在严重滑移时轮胎的纵 向力和侧向力特性。2.2.3 转向系统(Steering System)(q3Vl ncbaaxnBarc e千LTt-f 一LgL|?(ny-；1 on图 2-8 Steering System 界面16PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍CarSim车辆模型的转向受两部分特性的影响：一部分是悬架K&C特性，另一部分是转向系特性。总的转向效应由这两部分复合叠加而成，本节介绍单 独介绍转向系的影响。CarSim转向系界面如图2-8所示，主要包括转向系运 动学特性(Kinematics,简称转向K特性)和弹性运动学特性(Compliance,简称转向C特性)。CarSim模型将转向C特性和K特性分别考虑，然后综合 计算对转向轮转角的影响。Road wheel steer图2-9 CarSim转向系模型CarSim转向系模型如图2-9所示。方框表示转向系运动学特性，包括两 部分：第一是方向盘转角与转向器输出的比值(Gear Radio)；第二部分是转 向器输出与车轮转角的关系曲线。这两部分相乘即为转向系角传动比曲线。转 向运动学特性由转向系角传动比试验测得，可将Gear Radio设为1,而将转向 系角传动比的试验结果直接输入运动学的第二部分。转向弹性运动学特性网的含义是左右车轮受转向力矩作用时，由于转向 系弹性所引起的车轮转角的变化。它可近似通过悬架K&C试验中回正力矩平 行加载试验(Torque Test：P arallel Wheel Movement)和回正力矩反向加载试 验(Torque Test：Opposed Wheel Movement)做差测得。回正力矩平行加载试 验结果包含转向系弹性和悬架杆系弹性所造成的转向效应，而回正力矩反向加 载试验只含悬架杆系弹性所造成的转向效应，因此两者做差可得转向系弹性运 动学特性。PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文2.2.4 悬架(Suspension)Carsim中有三种悬架形式：独立悬架、非独立悬架和扭转梁悬架。每种 悬架的特性都包括运动学(Kinematics)、弹性运动学(Compliance)特性(简称悬 架K&C特性)函137两方面内容。下面以独立悬架为例进行介绍，非独立悬 架和扭转梁与之类似。(1)独立悬架运动学(I ndependent Suspension Kinematics)图2-10独立悬架K特性界面该部分定义了独立悬架的运动学特性(简称悬架K特性)，具体参数包括:簧下质量，车轮转动惯量，轮心高度，车轮外倾角初始值，车轮前束角初始值,主销后倾角随轮跳的变化关系曲线，轮心纵向位移随轮跳的变化曲线，车轮外 倾角随轮跳的变化曲线，轮心侧向位移随轮跳的变化曲线，车轮前束角随轮跳 的变化曲线等等。车轮在发生跳动时，车轮定位角及轮心位置会随轮跳发生变化，这对汽车 的操纵稳定性会产生影响，如下图所示：18PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍定位参数随轮跳变化示意图图 2-11车轮定位参数的初始值可由四轮定位仪测得。车轮定位参数及轮心位移随 轮跳变化的关系曲线可在K&C试验台上作平行轮跳试验（Vertical Test：P arallelWheel Movement)测得。(2)独立悬架弹性运动学(I ndependent Suspension Compliance)图2-12独立悬架C特性界面该部分定义了独立悬架的弹性运动学参数（简称悬架C特性），具体参数 包括：悬架弹性特性曲线，减振器速度特性曲线，横向稳定杆的辅助侧倾刚度 PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文曲线和悬架弹性运动学系数等。悬架的弹性运动学特性一般呈线性关系，因此,CarSim用弹性运动学特性系数来描述车轮定位参数及轮心位移随车轮受力的 变化，具体包括:前束角与纵向力系数(Toe/Fx)、外倾角与纵向力系数(Camber/Fx)、轮心纵向位移与纵向力系数(Longitudinal displacement/Fx：)、前束角 与侧向力系数(Steer/Fy)、车轮外倾角与侧向力系数(I nclination/Fy)轮心 侧向位移与侧向力系数(Lateral displacement/Fy)、前束角与回正力矩系数(Steer/Mz)外倾角与回正力矩系数(I nclination/Mz),共八项。在这些特性中，悬架弹性特性可在悬架K&C试验台上作平行轮跳试验测 量轮心处垂向力与位移的关系来得到；减振器特性可由减振器试验测得；横向 稳定杆辅助侧倾刚度曲线可在悬架K&C试验台上作带有横向稳定杆的反向轮 跳试验(Vertical Test：Opposed Wheel Movement)和去掉横向稳定杆的反向轮 EK试验(Vertical Test：Opposed Wheel Movement；ARB Disconnected),然后 用两种试验的侧倾角刚度特性相减即可得到；与纵向力有关的弹性运动学系数 可在悬架K&C试验台上作纵向力平行加载试验(Braking Test：P arallel Wheel Movement),然后将试验结果进行线性拟合后得到；与侧向力有关的弹性运动 学系数可通过在悬架K&C试验台上作侧向力反向加载试验(Lateral Test：Opposed Wheel Movement),然后将试验结果进行线性拟合后得到。与回正力 矩有关的弹性运动学系数可在悬架K&C试验台上作回正力矩反向加载试验(Torque Test：Opposed Wheel Movement),然后将试验结果进行线性拟合后 得到。需要注意的是：悬架K&C特性中关于前束角的变化即为悬架部分所引起 的转向效应。悬架引起的转向与上一小节所介绍的转向系的转向效应叠加在一 起，形成车轮的最终转角。20PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍2.2.5 制动系统(Brakes)、传动系(Powertrain)与空气动力学(Aerodynamic)本节对CarSim界面中的制动系、传动系和空气动力学进行简单介绍。(1)制动系(Brakes)图2-13制动系界面该部分定义了车辆制动系的一些性能参数，具体参数包括:制动力矩曲线,制动压力分配比例曲线，流体动力学时间常数，流体传递滞后，ABS关闭和 开启的滑移率门限值，ABS工作最低车速。第三章在对试验车建模时这部分 参数均采用缺省值。(2)传动系(P owertrain)PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文图2-14传动系界面传动系由发动机、离合器、变速器、差速器四部分组成。具体参数包括:发动机万有特性曲线，离合器特性曲线，离合器扭转刚度及阻尼，变速器各档 齿轮传动比及转动惯量，变速器各档传动效率，加减档时刻表，差速器力矩特 性曲线等。第三章在对试验车建模时传动系参数均采用缺省值。(3)空气动力学(Aerodynamic)图2-15空气动力学界面22PDF created with pdfFactory Pro trial version 第二章CarSim软件介绍该部分定义了车辆空气动力学参数，具体参数包括：空气动力学参考点坐 标，车辆正投影面积，空气动力学力矩参考长度，空气动力学六分力系数与侧 风角度的关系曲线。对于车辆正投影面积可通过这种方法进行测量：用两个刻 度尺分别水平和垂直放置在车前，在车正前方进行拍照，然后根据照片上车的 宽高和刻度尺长度进行换算，大致算出车辆正投影面积。由于未进行空气动力 学试验，故第三章对试验车进行建模时传动系参数除正投影面积是估算之外，其余参数值均采用默认设置。至此，CarSim车辆模型的七大子系统介绍完毕。CarSim的整车模型采用 这种子系统特性互相连接组合的方式，可以非常方便地选用不同的子系统特性 来组合成不同的车，然后对这些不同的车进行仿真分析。2.3 CarSim软件求解器介绍CarSim结合了车辆动力学与多体动力学建模方法，建模时将车辆简化为 车体、车轮等组件。通过传动系和制动系来确定对车轮的驱动和制动，通过转 向系特性和悬架K&C特性综合考虑车轮的转向运动,最终确定轮胎的运动量,进而调用轮胎模型确定轮胎力。车辆的受力情况如图2-16所示：图2-16 CarSim中车辆模型的受力根据以上信息，即可列写整车的动力学方程：PDF created with pdfFactory Pro trial version 吉林大学硕士学位论文r V%r dV y-L 力=y-M f r r r r,t/co z.y r x f.=z,177-乙J zz dt(2-21)CarSim求解器的工作过程如图2-17所示。读入窣数文件|初始化靛取模里输入（硬件、Sunulink等）数值求解 I-1 丁出货窗痣或防典过程仍真结束 图2-17 CarSim软件求解器的工作过程在CarSim中，由于模型方程是微分方程，同时为满足模型运算实时性的 要求，因而采用了定步长的二阶龙格一库塔方法（RK2）来进行数值积分。这 种定步长的求解算法为轮胎模型的连接提供了很大的便利性，因为不需要判断 上一仿真步长是否成功，只需在每一仿真步长结束时更新轮胎模型的状态变量 即可。下面具体介绍一下CarSim的二阶龙格一库塔方法。对于下面的微分方程：羽 丁）（2-22）.y（%o）=y0导函数y是1与y的非线性函数，在任一仿真时刻做。的近似值/已24PDF created with pdfFactory Pro trial version www.D第二章CarSim软件介绍知，积分算法的目的是计算下一仿真时刻时y(t+h)的近似值,RK2采用 下面的公式来计算：yt+h=y(0+h.ym(2-23)其中，用为仿真步长。是仿真半步长点的导数值(如图2-18所示)。ym=y(t)+f(t,y(t).h/2ym=f(t+h/2,yni)(2-24)(2-25)在求解过程中，首先由公式(2-24)计算下一仿真半步长点的函数值y根，再由公式(2-25)求出该点的导数值y/。最后由公