（光学工程专业论文）基于adams的多轴汽车操纵稳定性研究.pdf

独创性声明 i r l l1 f f l l l j u j f l ! i f t l f , l l l t1 , 1 f l ! ! f i l f i ii u f y 18 8 0 7 19 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：! p 裕导师签名：聿垒塑坠日期：毫斗 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文基于多体动力学软件a d a m s c a r 模块，以某重型越野车为参考对象，建 立了与参考对象类似的重型车多体动力学模型。通过操纵稳定性的试验仿真，分 析研究了多轴车辆的不同转向模式对其操纵稳定性的影响。同时，探索式地，通 过小型汽车的虚拟样机仿真试验就车架弹性特性对汽车操作稳定性能的影响问 题展开了分析。 本文以提高多轴车的操纵稳定性能为最终目的，阐述多轴重型车辆发展以及 多轴汽车转向技术的原理和国内外发展以及研究概况；在分析了普通两轴汽车操 纵稳定性能的主要影响因素基础上，进一步分析了多轴重型汽车的因结构特殊所 具有的独特的操纵稳定性影响因素，并利用a d a m s c a r 模块建立包括车桥模型、 车架模型、车轮模型、转向系统模型、动力系统模型以及悬架模型等子系统的参 考对象的虚拟样机模型；并根据国家操纵稳定性试验标准，对建立的整车模型进 行操纵稳定性能试验的虚拟样机的仿真分析；在后处理模块中，通过对试验数据 的编辑处理，然后，对比仿真结果，得出了使多轴车辆性能最优化的转向模式， 全轮转向模式使得整车具有更好的适应能力和操纵稳定性能：低速时，能保证整 车具有更小的转向半径，即提高整车在低速时的通过性能；高速时，能保证整车 的稳定性能。 此外，本文利用a d a m s v i e w 模块建立了简单的小型汽车的虚拟样机模型， 通过该小车的操纵稳定性能虚拟样机仿真试验以及对比该小型汽车操纵稳定性 的试验仿真数据，得出了车架弹性特性对建立的小车的操纵稳定性能不仅在瞬态 响应方面存在一定的影响，在操纵稳定性能的稳态响应方面也存在较为明显的影 响。基于后面章节中提到的车架特性对汽车操纵稳定性影响的理论，本文所做的 工作验证了理论的一部分。但对车架弹性特性对汽车操纵稳定性的更为真实的反 应还有待于研究。同时，这为车架特性对重型汽车操纵稳定性影响的研究以及重 型多轴汽车稳定性能的提高奠定了一定的研究基础。 本文的研究结论都是根据具体车型获得的，具有一定的实际意义，本文工作 和结论表明了研究的价值和意义。 关键字：多轴重型车；操纵稳定性； a d a m s c a r ；虚拟仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t b a s e do nt h em u l t i b o d yd y n a m i c ss o f t w a r ea d a m s c a r , t h i sp a p e rt a k e sa h e a v y d u t yo f f - r o a dv e h i c l e 嬲ar e f e r e n c e ，e s t a b l i s h e sa ns i m i l a rm o d e lo fh e a v y v e h i c l ew i t hr e f e r e n c et ot h eo b j e c t w i t ht h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n s ，w ed oa n a n a l y s i sa b o u tt h ed i f f e r e n ts t e e r i n gm o d e l si m p a c t so na nm u l t i - a x i sh e a v yv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，a n dg e tt h em o s to p t i m a ls t e e r i n gm o d e lf o rt h e v e h i c l e m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rd o e sa l le x p l o r a t o r ys t u d yo nt h ei m p a c t so f t h ef r a m e e l a s t i cp r o p e r t i e so nag e n e r a lc a rh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c eb a s e do nt h e s i m u l a t i o n so ns m a l lc a r t a k i n gt h ei m p r o v e m e n to fh e a v yv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e a s t h eu l t i m a t eg o a l ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h eo v e r v i e wo fd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f m u l t i a x i sh e a v yv e h i c l e sa th o m ea n da b r o a d ，p r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to f m u l t i a x i ss t e e r i n gt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fa n a l y s i st h em a i nf a c t o r st oo r d i n a r y v e h i c l e sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，w ed oa l lf u r t h e ra n a l y s i so nt h es p e c i a l f a c t o r st ot h em u l t i a x l e sv e h i c l ed u et ot h e i ru n i q u es t r c u c t u r e s ，b u i l dt h eh e a v y v e h i c l e sv i r t u a lp r o t o t y p em o d e l ，w h i c hc o n t a i n sm a n ys u b s y s t e mm o d e l ，f o r e x a m p l e ，f r a m es u b s y s t e m ，s u s p e n s i o ns u b s y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e ms u b s y s t e ma n d s o o n t h e n ，i na c c o r d a n c ew i t hn a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h es i m u l a t i o no ft h i sv e h i c l em o d e l i sd o n e ，a n dw ee d i tt h et e s td a t ai nt h ep o s t p r o c e s s i n g ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r c a n a l y z e dt oo b t a i nt h eo p t i m a ls t e e r i n gm o d e l a l l w h e e ls t e e r i n gm o d e la l l o w st h e v e h i c l eh a sb e t t e ra d a p t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yc o n t r o l ：i te n s u r e st h a tt h ev e h i c l eh a sa s m a l l e rt u r n i n gr a d i u s ，t h a ti s ，t h eb e t t e rt h r o u g hp e r f o r m a n c ea tl o ws p e e dt h r o u g h ； w h i l e ，a th i g hs p e e d ，i te n s u r e st h ev e h i c l et h eb e t t e rc a p a c i t yt ok e e ps t a b i l i t yo ft h e w h o l ev e h i c l e i na d d i t i o n as i m p l ee a rm o d e li se s t a b l i s h e di na d a m s v i e w ，a n ds o m e s i m u l a t i o nc o m p a r i s o n sb e t w e e nr i g i da n df l e xf r a m ec a tm o d e l sa r eb e e nd o n et o o b t a i na n s w e rt ot h er e l a t i n gq u e s t i o np r o p o s e df o r w a r d t h ee l a s t i cp r o p e r t yo ff r a m e e f f e c t sn o to n l yo nt h et r a n s i e n tr e s p o n s e ，b u ta l s oo nt h es t e a d y - s t a t er e s p o n s e b a s e d o nt h et h e o r ya b o u tt h ee f f e c to ff r a m ep r o p e r t yo nv e h i c l ep e r f o r m a n c e t h ew o r k d o n ei n t h i sp a p e rv e r i f i e st h es o m ep a r t so ft h et h e o r y ，h o w e v e r , w em u s td om o r e r e s e a r c ht of i n do u tt h em o r ea c c u r a t ec o n c l u s i o n sf o rt h et h e o r yo ff r a m ep r o p e r t y a l lo ft h et e s t sp r o v i d eab a s i st or e s e a r c ha b o u ti m p a c t so ff l a m ef e a t u r e so n h e a v y d u t yv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e 武汉理工大学硕士学位论文 t h ec o n c l u s i o n sa x eo b t a i n e df o rs p e c i f i cm o d e l s ，w h i c hh a st h ea c t u a lm e a n i n g ， t h er e s u l to ft h ep a p e rc o n f i r mt h ev a l u ea n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h k e yw o r d ：m u l t i a x l e sh e a v y - - d u t yv e h i c l e ；h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ； a d a m s c a r ；v i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1重型汽车技术的发展概况1 1 1 1 国内重型汽车发展概况1 1 1 2 国外重型汽车发展概况4 1 2多轴汽车转向系统的原理及发展概况5 1 2 1 多轴转向系统的原理5 1 2 2 多轴转向技术的发展概况7 1 2 3 多轴车辆动态特性的研究概况8 1 3课题的提出9 1 4 课题研究的意义9 1 5 课题研究的任务1 0 1 6本章小结1 1 第2 章多轴转向汽车操纵稳定性能理论1 2 2 1前轮转向两轴汽车操纵稳定性的主要影响因素1 2 2 2 多轴汽车操纵稳定性的主要影响影响因素1 4 2 2 1 多轴汽车转向轴间距的影响2 5 口1 4 2 3 本章小结1 8 第3 章整车多体动力学模型建立1 9 3 1计算机多体系统动力学建模与求解一般过程1 9 3 2整车多体动力学模型建立2 0 3 2 1整车工作条件、悬架和转向机构特点2 0 3 2 2 整体多体动力学模型的建立2 2 3 2 3 本章小结3 3 第4 章虚拟样机操纵稳定性仿真试验3 4 4 1 整车动力学模型的静平衡调整3 4 4 2 角阶跃试验仿真及分析3 5 4 3 角脉冲试验仿真及分析3 6 4 4 稳态回转试验仿真及分析3 9 4 5 本章小结3 9 第5 章车架对汽车操纵稳定性影响的研究4 0 5 1 柔性车架模型的建立4 0 5 2 柔性车架模型的导入4 1 v 5 0 5 l 5 4 5 5 2 2 5 7 7 9 9 4 4 4 4 4 4 4 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1重型汽车技术的发展概况 2 0 世纪9 0 年代以后，我国的道路条件发生了很大的变化，高速公路逐渐增 多，使得汽车这个生产现代化的技术产业也发生了巨大的变化【1 l 。车速高、可靠 性好且载货性能优的载货汽车的需求激增。然而传统的两轴的小型货车已经不能 满足市场发展的需求。例如，迅猛发展的水力发电厂的发电设备以及大型的变压 设备等必需通过专门的重型载货汽车的运输，才能到达电站建设基地；在迅速崛 起的军事力量中，性能优越的重型越野车也是缺少不了，先进的装甲车辆、导弹 运输车都是通过改装专用的重型汽车底盘而来的，这些车辆保证了作战效率和品 质【刭。除此之外，国家颁布了法律条文，对载货车辆的车身形状、载货的极限以 及各轴轴荷等方面都进行了限制【3 】【引。若按照传统的方法，比如，单纯地降低整 车质量或者增加各轴载荷已经不能满足日益更新的要求。然而，在这大好形势下 的中国汽车行业，重型载货汽车的生产制造技术却相当有限，以致生产出的货车 性能没能够适应这一新趋势，使得国外高品质的重型载货汽车大量涌入国内市 场。这给中国重型汽车市场带来了更为细分的产品，也慢慢填补国内各类重型专 用汽车技术的空白。经过多年技术学习和实践，国内汽车生产厂家也逐渐研发出 性能优越、质量可靠的多轴载货汽车以适应不断更新的市场需求。 1 1 1 国内重型汽车发展概况 随着中国国民经济的飞速发展、高级道路的快速修建，运输市场对重型汽车 面向用户化的要求越来越高。例如，玻璃器皿的运输要求运送车具有很好的抗震 性能、散装货物的运输要求具备良好的密封性能、电器设备的运输要求良好的安 全性能以及优等的减震性能。同时，各个地区对重型汽车需求的侧重点更是千差 万别。例如，西部偏远的地区处于开发初期，经济相对落后，道路条件差，环境 艰苦，对具有大功率的动力系统、耐用性好、承载能力强的经济实用型重型载货 汽车需求量较大，对产品的内饰、舒适性和整车外观等附加的条件没有特别要求； 华东、华南经济较发达的地区，环境相对较好，公路条件优越，公路承载能力够 大，除要求重型汽车具备基础的优越性能之外，对其速度、环保、外观和舒适度 等各方面的要求比较高；而介于东西部地区之间的华东、华北等地区则根据道路 条件、运输目的不同表现出多样化的需求。除此之外，一些特殊功能用途的汽车 还需要添加一些特定的附加值以及系列化的产品，比如，运输货币的车辆安全防 武汉理工大学硕士学位论文 护等级必须满足c 级防弹要求【s l 。由于汽车产品多样化以及更高附加值需求的不 断变化和增加，安全防护装置、液压举升装置、作业监视置等高科技含量的产品 被应用到新型的重型车上。因此，国内市场上柴油化、重型化、专用化、智能化、 环保化、高档化的重型汽车竞争更加激烈。 在重型专用车辆市场上，中国重汽、四川汽车制造厂、陕西重汽发起了第一 波次的重型汽车生产制造之后，新增的一汽解放、东风公司、北汽福田、春兰公 司以及重庆红岩等汽车生产制造商都纷纷在重型以及超重型汽车上也开始投入 技术研究。随着技术的进步，这些汽车公司均慢慢地进入了生产制造多轴重型车 辆的稳步发展阶段，并都推出了更适应市场发展需求的产品。部分产品见以下图 片所示。 | 4 91 1 红岩杰狮图1 2陕汽德御 幽1 3 重汽斯太尔王图1 4 尔风人力神 虽然我国整个汽车行业的总体实力在稳步地增强，中重型载货汽车的生产水 平在大幅度提升，国内企业的进步幅度非常大。但是同国外先进产品相比，我们 的差距也是明显的。主要表现在技术上和运用过程中： 一技术上：虽然采取了先进的计算机辅助设计技术，但是开发新产品及技 术改造成本太高且见效慢，大多数企业不愿意做冒险投资，造成国内重型车的技 术不能全面的发展。例如，强调动力性能突出时忽略了舒适性的同步跟进；没能 建立起一家专业生产专用汽车底盘的企业；运用的电子技术不够全面，使得汽车 操纵稳定性方面也存在比较严重的问题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 二运用中：汽车行进过程中，车轮和地面的滑移量大，造成轮胎磨损严重， 进而影响了汽车燃油经济性和操纵稳定性；多轴转向汽车转向系统杆系以及转向 助力系统结构较为复杂，转向控制较前轮转向汽车困难。因此，在多轴车辆进行 转弯时，各个车轮的瞬时转向中心很难保证在一点上，这就容易造成转向失稳的 严重后果。 对于国内存在的多轴车在操纵稳定性方面存在的诸多问题，缘于我国多轴 车操纵稳定性能方面的研究还处于缓慢发展的阶段，且可以参阅的相关文献非常 有限【6 】。多轴转向系统性能研究始于两轴车辆的全轮转向性能研究。最先进行两 轴车辆全轮转向技术研究的单位有东南大学、上海交通大学以及吉林大学等等。 他们的研究多从控制理论推导角度出发，比如，零质心侧偏角控制策略、自适应 模型控制以及轮胎的非线性系统的神经网络控制等方向，阐述了四轮全轮转向车 辆转向系统的动力学特性。继四轮转向技术研究，国内也逐渐掀起了对三轴或三 轴以上多轴车辆的转向系统的动力学特性和操作稳定性进行了深入研究。吉林大 学的张春秋简单提出了简化的多轴车二自由度模型，对多轴车的转向特性进行了 分析【7 】；吉林大学的李炎亮【8 】对多轴车的二自由度转向动力学模型进行了详细推 导。 多体动力学的发展以及计算机辅助技术的渗入加速了多轴车辆操纵稳定性 的研究，并使得该研究变得更加直观和简便。清华大学、吉林大学、合肥工业大 学、武汉理工大学、上海交通大学等在这方面有比较突出的研究成果。早在上世 纪9 0 年代，清华大学的张越今便利用多体动力学分析软件a d a m s ，结合理论知 识，对汽车悬架以及整车进行动力学建模、仿真分析及优化，得出汽车动力性能 也受汽车柔性部件的影响【9 j ；吉林大学的蔡章林利用a d a m s 详细分析了悬架定 位参数等影响汽车动力学性能的诸多因烈l o 】；合肥工业大学的王其东教授在总结 前人的基础上，创建了道路输入模型，同时提出了在a d a m s c a r 模块中建立了 最接近实际模型的钢板弹簧模型的方法，为在a d a m s c a r 中研究重型以及超重 型车辆奠定了基础1 1 1 。 综上所述，国内重型以及超重型多轴汽车的系统和零部件支撑体系只满足了 目前车辆水平的要求，随着车辆技术水平的不断提高，支撑体系的水平也有相应 提高，特别地，在整车产品研发机构突出主业后，对零部件以及相关企业提出了 必须提升自主研发能力的新要求。相关企业应通过合资、技术引进、联合开发等 方式，提高自主研发、系统供货能力，建立新的发展模式和零部件支撑体系。同 时，随着国家科学技术的飞速发展以及计算机技术对汽车行业的渗透，国内利用 多体动力学分析软件对多轴车的转向系统的特性以及整车操纵稳定性的分析的 频率越来越高，研究成果也越来越多，这为提高国内自主生产制造的多轴车辆各 武汉理工大学硕士学位论文 方面性能奠定了扎实的基础。 1 1 2 国外重型汽车发展概况 相对于国内的重型汽车发展水平，国外重型多轴车研究起步比较早，随着科 学技术的迅速进步，多轴车的发展速度得到了大大的提升，研究的程度也更加深 入。早在2 0 世纪9 0 年代，国外在四轮转向的研究上已有一定的成就。y o s h i y u k i y a s u i 等人为使车辆的主动安全控制更加精确，提出了一种l g m ( l a t e r a lg r i p m a r g i n ) 方法，该方法可以预测轮胎和地面之间摩擦状况【l 引。e e s m a i l z a d e h 提出 基于最优控制理论的以跟踪横摆角速度为控制目标的控制规律，基于该控制规律 设计的控制器能够匹配所有不同类型的车辆i l3 1 。到目前为止，1 4 自由度、1 7 自 由度以及以上自由度的汽车动力学模型等都基于早期z b i g n i e wl o z i a 等人提出 的7 自由度的车辆动力学数学模型1 1 4 j 。在四轮转向的基础上，多轴转向车辆性 能的研究也成为了研究热点。s j a n 等人对三轴车辆的各个车轮分别进行研究控 制，使得三轴车的转向灵活性有很大提耐1 5 】。h u h 对三轴车辆的全轮转向二自由 度模型进行推导，对全轮转向的模式以及只有前后轮转向的模式对整车转向性能 的影响进行了仿真研究【1 6 l 。c h a r n i s c h 分析了不同转向模式对整车转向性能的影 响，为整车性能的完美表现匹配最优的转向模式【r 7 1 。 国外利用动力学仿真软件分析汽车动力学性能源于1 9 8 0 年s a c h s 优化了1 4 车悬架模型1 8 】；r j a n t 在a d a m s 下建立了一类完全可以代替实车进行实验的 货客两用车模型【1 9 】；w a d ea l l e n 等基于自行开发的v d a n l 仿真代码验证在i s o l a n ec h a n g e 工况下研究车辆防侧翻性能不存在实际意义【2 0 l f 2 1 】1 2 2 】1 2 3 1 。 现阶段，以欧洲为首的国外重型多轴汽车体系已经处于较为完善的阶段。欧 洲市场上的重型汽车产品呈现出系列化、大功率、环保化、电子化、轻量化、安 全舒适化、智能集成化、驾驶空间人性化的特点，已成为同行的标杆1 2 4 1 。 国外著名重型汽车制造商沃尔沃、斯堪尼亚、戴克、曼、太脱拉均利用了 计算机辅助设计分析技术，使重型汽车的使用范围迅速扩大，技术含量和附加值 有明显提升。 首先，电子控制技术在国外重型以及超重型汽车上的充分利用，对车辆的操 纵稳定性有了一个全面的提升，特别是在安全舒适性方面。例如，远程信息平台、 微机控制驾驶员座椅、t e l l i g e n t 智能管理系统、电子加热可调广角后视镜、巡航 控制系统等等陋j 。 其次，国外的重型汽车充分地贯彻了个性化设计的理念，人性化以及个性化 的体现更为充分。对于同一款车型，他们利用可选装置衍生变换出很多系列变型 产品，如沃尔沃公司的f m 系列就能有3 5 0 0 种变型车。国外汽车制造者充分运 4 武汉理工大学硕士学位论文 用人体工程学原理指导产品开发，例如，戴克的a c t r o s 车，宽大舒适的驾驶室 空间、更符合人体工程学的内饰设计，使长途驾驶者有“第二个家”的感觉【2 6 l 。 除此之外，国外重型车结构性能的优化，使得他们的载重量明显增加；先进 的技术使得他们的产品更能适应环保法规；此外，可靠性能和耐久性能也都有了 明显的提升。基于这种种的优势，外国重型汽车公司生产出来的高品质产品能够 很好适应购买者需求。 图1 5 沃尔沃h f l 6 7 0 0 图1 - 6 斯堪尼亚r 4 7 0 图1 7 太脱拉t 8 1 5图1 - 8 白俄罗斯m a z 1 2多轴汽车转向系统的原理及发展概况 1 2 1 多轴转向系统的原理 对于普通前轮转向的两轴汽车，要求汽车在转向行驶过程中，为了避免产生 路面对汽车行驶的附加阻力以及轮胎过快磨损，要求转向系统能保证汽车所有轮 胎均做纯滚动【2 7 】这就要求汽车的前轴转向车轮垂直平面延长线相交于后轴车轮 垂直平面的延长线上，这才能实现以上目标。由图1 - 9 所示，按照几何关系，内 侧车轮的偏转角度b 和外侧车轮的偏转角度口应该满足一定的关系式，即阿克曼 公式： 武汉理工大学硕士学位论文 c o t a c o t 卢tb l( 1 1 ) 式中：b 一左右两侧主销轴线与地面交点之间的距离； 卜汽车的轴距长。 o 图1 - 9 普通前桥转向汽车中两侧转向轮偏转角的理想关系 然而在现实中，由于设计和制造过程中不可避免地有误差的产生，使得汽车 在行驶过程不可能保证所有车轮严格绕着一个瞬时转向中心，并在不同的圆周上 进行纯滚动。所以，汽车的实际要求只要尽量接近及满足理论要求。 对于功能多样化的多轴汽车来说，在不同领域发挥作用时，汽车的转向模式 是大不相同的。例如，开采石油时使用的石油岩层破碎机采用的转向模式是前三 轮转向；普通的越野车采用的一般转向模式是双前桥转向。然而，有些要求更高 技术的军备车辆或是战地越野车，为获得更好的转向灵活性和稳定性，可以根据 具体的使用工况采用不同的转向模式：对于三轴越野车，有全轮转向、前两轴转 向、前后两轴转向三种转向模式等等。本文以前两轴转向的四轴汽车为例来说明 多轴转向的原理。 对于有两个转向轴的汽车来说，在考虑了同轴的左右车轮中心延长线与瞬时 转向中心重合之外，还要考虑到不同车桥的同侧车轮之间的转角关系。若按要求 四轴八个车轮全部做无滑行纯滚动的话，那就要求各个车轮转向中心延长线交于 o 点上，如图1 1 0 所示。对各个转角关系进行简化分析时，需要做出如下的假 设：排除了离心力以及各轮胎侧偏角的影响；并对瞬时转向中心做近似的认定。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 0 双前桥转向的四轴汽车转向时各个车轮的理想转向关系 依照上述假设，根据几何关系可以得出，同一转向轴上的内外轮转向符合阿 克曼公式： c o t a l 一c o t f l l2b i n ( 1 2 ) c o t a 2 一c o t f l 22b 厶 ( 1 3 1 式中符号含义：b _ 一内外轮主销中心线到地面交点间的距离 岛一第i 轴到转向中心线的距离。 q 1 轴的外侧转向轮转角；i = 1 ，2 ，3 ，4 只一轴的内侧转向轮转角；( i 值同上) 对于不同转向轴同侧的转向轮转角的关系式为： t a n a i t a n a 2 。t a n 届t a n f l 2 。厶岛 ( 1 4 ) 只有各转向轴上的转向轮转角关系同时满足了等式( 1 - 2 ) 、( 1 3 ) 及( 1 4 ) ，才能 保证所有车轮都绕同一瞬时转向中心作纯滚动。其中，( 1 2 ) 与( 1 3 ) 式中的同一车 桥上的内外车轮转角关系依靠转向梯形机构形状以及尺寸来保证；( 1 4 ) 式中的不 同轴同侧车轮的转角关系则靠转向摇臂机构来保证。 1 2 2 多轴转向技术的发展概况 多轴汽车以各种优点以及附加值广泛应用于各个特殊的领域，这些车辆的转 向模式多为两轴转向以及两轴以上转向。这些类型的转向模式提高了重型车辆的 灵活性和稳定性能，也保证了这类特殊的车辆群体在极其恶劣的行驶工况下能表 现地更为出色。 7 武汉理工大学硕士学位论文 随着对汽车动力学研究的深入以及对汽车性能要求的提高，特别是4 w s 技 术成功运用大幅度提高汽车操纵稳定性能的时候，世界各大汽车公司都积极投入 到了双轴以及多轴转向技术的研究中。 早在1 9 8 0 年，日本日产公司便生产出了转向系统为液力伺服系统及微机控 制的，后轮转角最大转角为3 0 ，与前轮同相转动或反相转动的一辆用于试验的 四轮转向汽车。五年之后，这种转向系统成功的应用于拥有先进科学技术的客车 上。该客车在实际的运用过程中，证实了这种转向模式提高了车辆在高速行驶过 程中的操纵稳定性能。2 0 0 1 年，德尔福公司研发的四轮转向系统在通用的2 0 0 2 s i e r r a d e n a l i 大型皮卡车上的使用，使得该车的转向直径从1 4 4 m 缩短至1 1 4 m ， 这是4 w s 首次在卡车上获得成功应用【2 8 1 。德国的m a z 公司，无论是原先初级 的民用多轴重型车k a t i 系列，还是之后设计生产的高品质战地特种越野军用车 s x 系列，通过采用了多轴转向技术、加装防弹道毁伤技术等，使得特种车辆在 战地具有更高的通过性能和灵活性能。在国外，两轴车辆的4 w s 技术的成功的 应用使得多轴转向技术的也得到了快速发展，并得到广泛使用，但由于多轴转向 技术多与军事工业有密切的联系，故对外多轴汽车转向技术的文献较少，更多的 只是介绍性的内容，相应的技术交流与沟通也就受到了很大的限制。 在国内，汽车工业起步比较晚，虽然发展比较迅速以及科学技术有很大的进 步，但是汽车行业的自主研发能力还是有待提高的。对于三轴以及三轴以上的重 型车辆研究还是处于初级阶段，设计还是以模仿和估算国外重型汽车或者直接代 为生产为主，在理论和试验中都缺乏深入探究。我国在重型车辆转向系统的研究 上主要还是集中在微电控制原理方面。先通过微控制器，计算出轮胎所需的旋转 角度，然后驱动液压油缸的运动，从而实现各转向轮组之间的协同转向。 1 2 3 多轴车辆动态特性的研究概况 在汽车虚拟样机动力学仿真研究中，两轴车辆模型除了对弹簧元件等弹性元 件视为非刚性部件对待外，其他部件均视为刚体建立模型。但对于多轴重型越野 车来说，其庞大的外形尺寸、具有优势的载重能力、参与转向的轴数较多等异于 两轴车辆的特点，决定了多轴重型车辆的动力学仿真研究更为复杂。 重型多轴车辆的整车动态特性是评价车型好坏的重要指标。主要体现在：第 一，重型或者超重型汽车由于轴距和载荷的变化，使得车架受力情况也发生变化， 整车的柔性特性受到车架的柔性特性较为明显的影响；第二，多轴车转向系统机 构较两轴车辆的复杂，系统转向控制也变得复杂。 最早对多轴车的动态特性研究采用的是建立多轴汽车主要特性参数的计算 等式，并详细分析这些参数对整车动态特性的具体作用和影响；之后，李强研究 8 武汉理工大学硕士学位论文 的四轴重型越野车、贺岩松的六轴汽车起重机等都是对整车平顺性的研究。以上 这些研究都将车架视为刚性部件对待，忽略了车架的弹性特性。 1 3课题的提出 近些年来，世乔各行各业对重型以及超重型汽车的需求量频频增加，从而促 进了重型汽车和超重型汽车产业的快速发展。国外重型汽车的深入技术已经到达 一个比较成熟的阶段，他们生产出来的一系列高科技以及高附加值的产品完全能 够很好的满足市场不断变化的各种需求。在国内，西部的快速崛起加快了重型专 用车的出现及发展。因为工作在山区、洼地等恶劣的工作环境下，工作车辆应具 有很好的通过性、灵敏性和燃油经济性等优点以应对周边环境的不断变化。 多轴转向的重型汽车的这些优点很大程度上取决于该车的多轴转向系统性 能的好坏程度。设计不合理的转向系统，对不同转向轴的轮胎转角产生很大的影 响，从而导致轮胎的非正常磨损。这一缺点进一步的损害是导致各个转向杆系之 间受力增大，汽车的转向灵活性和稳定性能降低，严重时损害到了汽车的行驶安 全性。除此之外，多轴重型车辆车架的弹性特性对汽车转向性能也存在一定的影 响。因为重型车辆轴距变长，速度增大，载重能力提高导致了车架的弹性振动变 成了影响汽车动态性能的一个不可忽略的因素。 多轴重型汽车转向系统的不同转向模式对汽车的操纵稳定性的影响是不一 样的，例如一辆三轴重型车，可以有三种转向模型：前轮转向、前后轮转向以及 全轮转向。相关的资料和试验证明：在低速时，全轮转向模式和前后轮转向的转 向模式之间的差别比较小，但是相比于前轮转向的模式来说，全轮转向模式具有 较高的灵活性；高速行驶过程中，全轮转向和前后轮转向都提高了汽车本身的操 纵稳定性能，其中全轮转向还减小了汽车转向系统的过多转向的趋势，具有更优 越的转向性能。 综合上述情况以及例证说明，多轴重型汽车转向系统的不同转向模式对汽车 操纵稳定性能存在着重要的影响，本论文展开了多轴重型汽车不同转向模式对汽 车操纵稳定性能影响程度大小的试验论证性研究。更进一步地，展开了车架弹性 特性对整车操纵稳定性能的影响程度大小做了探索性研究。 1 4 课题研究的意义 汽车的操纵稳定性之所以被称为“高速车辆的生命线”是因为它对汽车的操 纵方便性能、动力性能、运输时的载货性能以及汽车的安全行驶能力有着很大的 决定作用。随着对汽车需求的不断加大和汽车行驶车速的不断提高，消费者除了 关心汽车的载重能力等基本性能之外，消费者对汽车行驶的舒适性和安全性的重 9 武汉理工大学硕士学位论文 视程度更高。对汽车操纵稳定性的研究最早开始于2 0 世纪6 0 年代，汽车操纵稳 定性能的模型也从简单的只能有由开环控制的二自由度或者4 自由度模型发展 到7 自由度甚至更多自由度的线性模型，最后发展到利用计算机进行模型建立来 研究分析汽车的操纵稳定性能【2 9 1 。汽车操纵稳定性的研究是当前汽车整车性能 研究中的一个相当热门和前沿的课题。 在汽车底盘中，专门用以控制汽车行驶方向的转向系统是与操纵稳定性最为 密切的系统【刈。在多轴重型汽车中，随着转向系统轴数的增多，转向杆系机构 也相应变得复杂，转向系统的控制也变得困难。因此，当前对多轴转向系统的转 向性能以及其影响因素( 轴间距大小、车架弹性特性等) 进行研究还是具有一定的 研究价值的。因为，不同的转向模式对同一车型的转向性能的影响是不一样的， 进而影响了该车的操纵稳定性、燃油经济性能以及载重能力等。 自上世纪9 0 年代以来，计算机辅助设计、制造技术对汽车行业的渗透，为 汽车设计和生产各个阶段都带来了翻天覆地的变化1 3 。计算机辅助技术与多刚 体动力学原理的结合使我们摈弃了原有的“设计一样车试制一样车试验一修正设 计不足一样车再试制一再修正设计不足”这样耗时费成本的设计流程，建立起了 新的设计流程：在试制物理样车之前，对实车子系统分别进行简化。通过虚拟样 机技术，分别建立整车模型的子系统，装配一个能替代物理样机进行“操纵稳定 性试验”或者“平顺性试验”的虚拟样机模型。通过这种新型汽车设计制造方式， 减短了汽车研发周期，降低了汽车生产制造成本和风险，提高了样车试制的效率； 同时利用虚拟样机技术，可以代替样车进行危险系数相对较高的试验，为汽车设 计和研发提供了逼真的汽车模型和试验环境，促进了汽车设计的研究和发展。 综上所述，本文就是利用虚拟样机技术对多轴汽车建立简化后的虚拟样机模 型，并在软件中完成在不同转向模式下汽车操纵稳定性能试验的仿真、分析和评 价，为长期、复杂并且艰巨的多轴车辆虚拟样机试验系统做试验论证性的研究。 1 5课题研究的任务 本文研究的主要对象是以某公司研制和生产的五轴重型越野车为参考，进行 课题的研究。如图1 1 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 1 某特种越野车 主要研究任务如下： ( 1 ) 通过普通的两轴汽车的操纵稳定性能理论基础为出发点，分析多轴转向 汽车操纵稳定性能的理论以及多轴转向汽车操纵稳定性能的主要影响因素。 ( 2 ) 以多体动力学理论和汽车理论的相关知识为研究基础，分析该重型越野 车具有的特点以及优势，根据提供的相关参数，利用多体动力学仿真分析软件 a d a m s ，根据参考对象车型相关参数建立包含悬架、转向系统、动力系统等三 维实体结构的整车模型。 ( 3 ) 对建立的三维实体模型进行静平衡位置的查找，证实了该车具有代替实 车进行仿真的正确性。然后通过变换重型汽车的转向系统的模式，使该车在不同 的转向模式下进行操纵稳定性能仿真，分析仿真试验的结果，得出最能保证汽车 操纵稳定性能的转向模式。 ( 4 ) 通过对简单两轴车辆整车动力学模型建立、操纵稳定性的实验仿真，综 合性、探究性地论述汽车车架的弹性特性对汽车操纵稳定性能的影响，并提出自 己的想法和意见。 1 6本章小结 本章论述了课题研究的相关背景，综述性地介绍了重型多轴汽车的国内外发 展、研究概况以及多轴转向技术的研究历程，并提出本课题的研究意义以及主要 内容和方法。在此后的章节中，本文将运用多体动力学软件a d a m s 建立研究 对象的虚拟样机模型，并根据国家标准的要求对车辆的样机模型进行操纵稳定性 仿真，以及对仿真结果进行分析，最后研究转向模式对多轴转向车辆操纵稳定性 能的影响程度，得出改进本文所研究的对象车辆性能的若干方法。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多轴转向汽车操纵稳定性能理论 2 1前轮转向两轴汽车操纵稳定性的主要影响因素 汽车的操纵稳定性能包括了汽车的操纵性能和稳定性能两个方面，它影响着 汽车行驶的安全舒适程度以及动力性能的发挥等。在汽车各种性能中，操纵稳定 性能的关注度和具有的研究价值是最高的。研究操纵稳定性能应该从影响其性能 表现的诸多因素出发，主要的影响因素表现在行驶系统、制动系统以及转向系统 盘 号手0 ( 1 ) 行驶系统的影响 悬架定位参数的影响 悬架定位参数主要包括了主销的内倾角及后倾角、车轮的外倾角以及前轮前 束这四方面内容。 主销后倾角的形成原理以及位置关系如图2 - 1 所示。主销后倾角主要通过汽 车轮胎的一个自身“后倾拖距”来影响汽车回正力矩的大小，从而增加或者减小 汽车的不足转向特性趋势，最终影响汽车稳态转向特性。 主销内倾角的影响原理与主销后倾角的原理基本类似，其在悬架系统中形成 原理以及位置关系如图2 2 所示。后倾角主要的影响效果也是通过对回正力矩大 小的调整来改变汽车操纵稳定性能的好坏。它与主销后倾角唯一的区别在于他们 的影响的主要作用区间不一样：在汽车低速行驶时，主销内倾角对回正力矩的影 响是占主要地位的；在汽车高速行驶的条件下，主销后倾角对回正力矩的影响是 占主导地位的。 蔓兰塑 心一 ，。 印 厂 乡 ， 图2 - 1 主销后倾角图2 - 2 主销内倾角 车轮外倾角对汽车操纵稳定性能的影响主要表现在其对汽车的转向轻便性 能的影响上。它主要的作用是防止汽车前桥以及主销的变形引起的车轮的内倾趋 势，从而改善汽车转向操纵的轻便性能。车轮外倾角的形式位置如图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 前轮前束的形成原理以及位置关系如下图2 4 所示，它对操纵稳定性能的作 用主要表现是保证汽车车轮的直线行驶，避免汽车因为车轮外倾角的存在所造成 的车轮行驶时的边拖边滚的现象发生。 在设计汽车悬架定位参数时，要保证各个定位参数的值处于较为理想的范围 值内。不合理的悬架定位参数也是造成汽车操纵稳定性能变坏的主要因素。 f 吣、， 峰 锣 l j o ，也就是： k = 而再耳( a i 而+ b 1i - 4 c , 百) m 瓦而 。 由于6 ( 彳+ 砰+ 4 c ；) - ( a l + 6 1 - 4 q ) 2 o ，k o ，所仑、，i ：i z ，导： q + 6 1 4 c 1 0 同时，在轮胎均载的条件下， 厶一a + b + c 2 ，q 一0 ，6 l a + b + c 2 0 厶一b + c 2 ，a 2 0 一a l6 2 一a + b + c 2 0 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 将图2 - 6 以及图2 7 对比后，