（车辆工程专业论文）爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析.pdf

- n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe n e r g y & p o w e re n g i n e e r i n g r e s e a r c ho n r u n n i n gs t a t ea n dc o n t r o lo fb l o w - o u t v e h i c l eb a s e do nv i r t u a ls i m u l a t i o nt e s t a t h e s i si n a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g b y 胁场e a d v i s e d b y p r o f w e im i n x i a n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 l j f t p 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位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。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：兰：! 坠 e l 期：砂乡? 如 埘 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 汽车工业的腾飞虽然推动着全球经济的发展，但汽车同样给人类带来了交通事故，其中因 高速行驶中突然爆胎而导致的交通事故危害极大。汽车爆胎造成的严重后果引起了人们对爆胎 车辆主动安全的高度重视，因此对爆胎车辆的研究具有重要的研究意义与工程价值。本文基于 虚拟道路实验，对爆胎车辆行驶状态及其控制进行了研究。主要完成的工作如下： ( 1 ) 基于车辆动力学理论。建立了1 5 自由度整车模型；利用m a g i cf o r m u l a 轮胎公式， 建立了轮胎力学模型：借鉴国内外研究成果，建立了爆胎轮胎力学模型： ( 2 ) 基于面对对象技术，利用v i s u a lc + + 6 0 软件，建立了车辆虚拟仿真实验平台：以该 平台为基础，利用串行通信技术，建立了软件在环仿真系统； ( 3 ) 为了验证所建立模型的准确性，利用c a r s i m 软件与本文所建立的仿真平台进行了双 移线与蛇形线虚拟道路实验。仿真实验结果表明，本文所建立的1 5 自由度整车模型准确、可靠， 能够有效反映出真实车辆的行驶状态； ( 4 ) 基于车辆虚拟仿真实验平台，利用已验证的整车模型，进行了车辆直道、弯道行驶爆 胎虚拟实验；仿真结果表明，爆胎车轮的滚动阻力与车轮侧向力对车辆行驶状态具有重要影响： ( 5 ) 基于爆胎车辆的动力学特性与仿真实验结果，采用p i d 控制策略，设计了爆胎主动 制动控制器，并利用该控制器进行了软件在环仿真实验。结果表明，爆胎主动制动控制器具有 良好的控制效果，车辆横摆角被控制在合理范围内，车辆获得理想的制动效果，防止车辆在爆 胎后出现危险情况，有效降低了因车辆爆胎而引发交通事故的概率。 本文的研究成果为爆胎车辆主动控制技术的研究提供了理论依据，同时对其它车辆主动安 全技术的研究也具有借鉴意义。 关键词：爆胎，建模，车辆动力学，仿真验证，虚拟实验 爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析 a b s t r a c t v i h i l et h eg l o b a le c o n o m i c si ss t r o n g l yp r o m o t e db ya u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ea u t o m o b i l ea l s o g i v e sr i s et ot h er o a da c c i d e n t ，a n dt h et i r eb l o w - o u ta c c i d e n ti sm o s td a n g e r o u s t h es e r i o u sr e s u l to f t i r eb l o w - o u td r i v e sp e o p l et op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h eb l o w - o u ta u t o m o b i l ea c t i v es a f e t y s ot h e r e s e a r c ho nt h et i r eb l o w - o u tv e h i c l ei ss i g n i f i c a n ta n di n d i s p e n s a b l e b a s e do nt h ev i r t u a lr o a dt e s t ， t h er u n n i n gs t a t ea n dc o n t r o lo ft i r eb l o w - o u tv e h i c l ew a ss t u d i e di nt h ep a p e r , t h em a i nw o r kc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h et h e o r yo fv e h i c l ed y n a m i c s ，a1 5d e g r e e - o f - f r e e d o mv e h i c l em o d e l w a ss e t t h e v e h i c l et i r em o d e l sw e t cb u i l tu pb a s e do nt h ep a c e j k as e m i - e m p i r i c a lf o r m u l a w i t ht h er e s e a r c h p r o g r e s sa th o m ea n da b r o a d ，ab l o w - o u tt i r em o d e lw a sa l s op r o p o s e d ( 2 ) b a s e do nt h ev i s u a lc + + 6 0s o f t w a r e ，t h ev e h i c l ev t r t u a ls i m u l a t i o nt e s ts y s t e m 叫s t s ) w a st e n t a t i v e l yb u i l tw i t ht h eh e l po fo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n i q u e w i t ht h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya p p l i e d ，t h es o f t w a r ei nl o o ps y s t e mw a sb u i l tu pb a s e do nt h ew s t s ( 3 ) i no r d e rt ov e r i f yt h ev e h i c l em o d e l ，t h ec a r s i ms o f t w a r ew a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h e d o u b l el a n ec h a n g et e s ta n ds n a k el a n ec h a n g et e s tw e r er e s p e c t i v e l yc a r r i e do u to nc a r s i ma n d v v s t s t h es i m u l a t i o nt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e h i c l em o d e lw a sw e l lb u i l t ，a n dt h em o d e lc o u l d e f f e c t i v e l yr e f l e c tr e a lv e h i c l er u n n i n gs t a t e ( 4 ) b a s e do nt h ew s t st h et i r eb l o w - o u tt e s t sw e r ec a r r i e do u t , i n c l u d i n gt h es t r a i g h tr u n n i n g t e s ta n dc i r c l er u n n i n gt e s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er o l l i n gr e s i s t a n c ea n dl a t e r a lf o r c eo f b l o w - o u tt i r eh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nv e h i c l er u n n i n gs t a t e ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb l o w - o u tv e h i c l ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e b l o w - o u tb r a k i n gc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e db a s e do nt h ep i dc o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h es o f t w a r ei nl o o p t e s tw a sc a r r i e do u tt ot e s tt h ec o n t r o l l e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb l o w - o u tb r a k i n gc o n t r o l l e rh a s g o o dp e r f o r m a n c eo fa c t i v eb r a k i n gc o n t r o lw i t hw e l lc o n t r o l l e dy a wa n g l ea n di d e a lb r a k i n gd i s t a n c e t h eb l o w - o u tv e h i c l ec a nb ec o n t r o l l e di nas t e a d yr u n n i n gs t a t e ，a n dt h ep r o b a b i l i t yo fb l o w - o u t a c c i d e n tc a nb eh e l da tal o wl e v e l t h er e s e a r c hp r o v i d e st h et h e o r yb a s i so nt h ea c t i v es a f e t yt e c h n o l o g yo ft i r eb l o w - o u tv e h i c l e a st h er e s e a r c hr e f e r e n c e ，t h er e s e a r c hc o u l da l s oh e i ps o m eo t h e ra c t i v es a f e t yr e s e a r c h e si nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：t i r eb l o w - o u lm o d e l i n g ，v e h i c l ed y n a m i c s ，s i m u l a t i o nv m f y , v i r t u a lt e s t 蠢 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景l 1 2 研究意义1 1 3 国内外研究现状2 1 4 本文主要研究内容。3 第二章爆胎车辆动力学模型的研究。4 2 1 弓i 言4 2 2 车辆模型。4 2 2 1 车辆动力学建模5 2 2 2 簧载质量动力学建模6 2 2 3 非簧载质量动力学建模7 2 3 轮胎模型8 2 3 1 轮胎动力学建模一8 2 3 2h b p a c e j k a 魔术轮胎1 0 2 3 3 爆胎轮胎力学特性1 3 2 4 本章小结1 5 第三章车辆虚拟实验平台的建立1 7 3 1 引言1 7 3 2 虚拟实验平台设计：1 7 3 3 虚拟实验平台编程实现1 9 3 3 1 整车模型求解器的编程实现1 9 3 3 2 数值微分在轮胎模型求解器中的应用2 4 3 3 3 虚拟车辆与道路的编程实现2 8 3 3 4 软件在环平台的初步建立2 9 3 4 虚拟实验平台仿真实例3 3 3 5 本章小结3 5 第四章爆胎车辆模型虚拟实验验证3 6 4 1 弓i 言3 6 4 2c a r s i m 软件的引入3 6 4 3 虚拟实验验证方法3 7 4 4 虚拟道路实验验证3 7 4 4 1 车辆双移线道路虚拟实验3 7 4 4 2 车辆蛇形线道路虚拟实验4 0 4 5 本章小结4 3 第五章爆胎车辆虚拟实验4 4 5 1 弓f 言4 4 爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析 5 2 车辆直道爆胎虚拟实验4 4 5 3 车辆弯道爆胎虚拟实验。4 8 5 4 爆胎时间对车辆运行的影响5 3 5 5 本章小结5 4 第六章爆胎车辆主动控制虚拟实验5 6 6 1 弓i 言5 6 6 2 爆胎制动控制系统5 6 6 2 1b b c s 基本工作原理5 6 6 2 2b b c s 控制算法5 7 6 2 3 制动器模型5 8 6 3 车辆直道爆胎主动控制虚拟实验5 8 6 4 车辆弯道爆胎主动控制虚拟实验6 1 6 5 本章小结6 4 第七章全文总结与展望6 5 7 1 全文总结6 5 7 2 展望6 5 附j i 乏6 7 参考文献7 0 j $ c 谢7 2 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 3 a 一 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 车辆运动受力分析4 图2 2 簧载质量侧倾示意图6 图2 3 簧载质量质心动力学分析6 图2 4 车轮变量的定义8 图2 5 车轮纵向力曲线1 2 图2 6 车轮侧向力曲线l3 图2 7 车轮回正力矩曲线1 3 图2 8 轮胎力学特性变化趋势图1 4 图2 9 爆胎前后车轮纵向力比较1 4 图2 1 0 爆胎前后车轮侧向力比较1 5 图2 1 1 爆胎前后车轮回正力矩比较1 5 图3 1 系统结构图。1 7 图3 2 面对对象的结构体系1 8 图3 3w s t s 主要交互界面。1 9 图3 4 古典四阶龙格一库塔法程序流程。2 0 图3 53 d m a x 建模界面2 8 图3 6 虚拟道路实验界面2 8 图3 7 在环仿真测试的层次结构2 9 图3 8 爆胎制动控制器实物图。3 0 图3 9w s t s 软件在环仿真界面3 2 图3 1 0 爆胎制动控制器软件在环仿真实物图3 2 图3 1 1 程序图标3 3 图3 1 2w s t s 主界面3 3 图3 1 3 车辆基本参数设置界面。3 3 图3 1 4 车辆悬架参数设置界面3 4 图3 1 5 车辆虚拟道路实验参数设置界面3 4 图3 1 6 车辆行驶动态显示界面3 5 图3 1 7 车辆悬架运动状态界面3 5 图3 1 8 车辆轮胎运动状态界面3 5 图3 1 9 车辆虚拟道路实验动态显示界面3 5 图4 1c a r s i m 软件主界面3 6 图4 2c a r s i m 车辆参数设置界面3 6 图4 3 双移线实验道路示意图3 8 图4 4c a r s i m 双移线实验道路3 8 图4 5w s t s 双移线实验道路3 8 图4 6 车辆运动轨迹3 9 图4 7 车辆侧倾角变化曲线。3 9 v 爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析 图4 8 车辆横摆角变化曲线3 9 图4 9 车辆横摆角速度变化曲线4 0 图4 1 0 车辆侧向加速度变化曲线4 0 图4 1 1 蛇形线道路示意图4 l 图4 1 2c a r s i m 蛇形线实验道路。4 l 图4 1 3w s t s 蛇形线实验道路4 l 图4 1 4 车辆行驶轨迹曲线4 1 图4 15 车辆侧倾角变化曲线4 2 图4 1 6 车辆横摆角变化曲线4 2 图4 1 7 车辆横摆角速度变化曲线4 2 图4 1 8 车辆侧向加速度变化曲线4 3 图5 1 爆胎车辆行驶轨迹。4 4 图5 2 爆胎车辆横摆角变化曲线4 5 图5 3 爆胎车辆车轮垂直载荷变化曲线4 5 图5 4 爆胎车轮滚动阻力变化曲线。4 6 图5 5 爆胎车轮侧向力变化曲线4 7 图5 6 转向系统齿轮齿条简化机构。4 7 图5 7 爆胎车辆质心加速度变化曲线4 8 图5 8 爆胎车辆弯道行驶轨迹一4 9 图5 9 爆胎车辆侧向加速度变化曲线4 9 图5 1 0 爆胎车辆侧向加速度局部放大图4 9 图5 1 l 爆胎车辆横摆角速度变化曲线5 0 图5 1 2 爆胎车辆横摆角速度局部放大图5 0 图5 1 3 爆胎车辆前轮侧偏角变化曲线5 l 图5 1 4 爆胎车辆前轮侧偏角局部放大图5 l 图5 1 5 爆胎车辆后轮侧偏角变化曲线5 l 图5 1 6 爆胎车辆后轮侧偏角局部放大图一5 2 图5 1 7 左前轮爆胎后车轮垂向载荷的重新分配5 2 图5 1 8 爆胎车辆前轮侧向力变化曲线5 3 图5 1 9 在不同爆胎时间下爆胎车轮垂直载荷变化曲线5 4 图5 2 0 不同爆胎时间下爆胎车辆侧向偏移交化量5 4 图6 1 车辆前轮爆胎分析图。5 6 图6 2 车辆后轮爆胎分析图。5 6 图6 3b b c s 控制器结构5 7 图6 4b b c s 仿真模型5 8 图6 5 车辆爆胎制动运动轨迹5 9 图6 6 车辆横摆角变化曲线一5 9 图6 7 左前轮爆胎后车轮制动力矩的分配6 0 图6 8 左后轮爆胎后车轮制动力矩的分配6 0 图6 9 左侧车轮爆胎后前轮侧向力变化曲线6 0 图6 1 0 车轮爆胎制动纵向加速度变化曲线6 l 图6 1 l 车辆弯道行驶爆胎制动运行轨迹6 2 a 一 南京航空航天大学硕士学位论文 图6 1 2 车辆横摆角速度变化曲线6 2 图6 1 3 车辆侧向加速度的变化曲线6 2 图6 1 4 车辆爆胎控制器制动力矩输出曲线6 3 表2 1 车辆运动微分方程变量及其含义5 表2 2 簧载质量运动微分方程变量及其含义7 表2 3 非簧载质量运动微分方程变量及其含义7 表2 4 轮胎的相关变量与含义9 表3 1 主要标识符含义。2 l 表3 2 函数名称及其含义2 3 表3 3 数值微分公式的验证2 6 表4 1 某型d 级轿车主要参数。3 7 表4 2 双移线实验道路规定3 8 v i i 爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析 符号 q 呜 吃 b c ，1 6 ， c i 缩写 c g v v s t s m s c b m b s 1 1 p m s h v o s m b b c s h i l s i l m i l v m 注释表 意义 前轮侧偏角 后轮侧偏角 车辆质心纵向运动速度 车辆质心侧向运动速度 车辆质心横摆角速度 车辆前轮转角 转向系小齿轮半径 转向系转向阻力 转向系转向阻力矩 意义 c e n t r eo fg r a v i t y ，重心 v e h i c l ev i r t u a ls i m u l a t i o nt e s ts y s t e m ，车辆虚拟仿真实验平台 m e c h a n i c a ls i m u l a t i o nc o r p o r a t i o n ，机械仿真公司 b l o w o u tm o n i t o r i n ga n db r a k es y s t e m ，爆胎监测与制动系统 t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，车轮胎压监测系统 h i g h w a yv e h i c l eo b j e c ts i m u l a t i o nm o d e l 。高速车辆仿真模型 b l o w - o u tb r a k i n gc o n t r o ls y s t e m ，汽车爆胎制动控制系统 h a r d w a r ei nt h el 0 0 p ，硬件在环 s o r w a r ei nt h el o o p ，软件在环 m o d e li nt h el o o p ，模型在环 靴耐觚毗眺涨m m n 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 汽车诞生至今已有百年历史，汽车工业的腾飞推动着全球经济的发展，成为众多国家的支 柱产业。但是，代表着人类现代文明的汽车同样也给人类带来了道路交通事故。在这1 0 0 年间 道路交通事故夺取了6 0 0 0 万人的宝贵生命l l 】其中因高速行驶中突然爆胎而导致的车毁人亡事 故被列为榜首：占高速公路意外事故死亡人数的4 9 8 ；受伤人数占6 3 9 4 ：直接财产损失占 4 3 3 8 ，被公认为高速行驶状态下行车安全的头号杀手。汽车爆胎造成的严重后果引起了人们 对轮胎安全的高度重视，也促使人们对事故原因及防治措施进行深入研究【羽。 1 2 研究意义 相关研究表明，保持正常的轮胎气压、温度和及时发现轮胎欠压、漏气是防止爆胎的关键。 因此车轮胎压监测系统( t p m s ) 受到越来越多的关注。t p m s 的功用是对轮胎气压进行实时监 测，向驾驶者提供轮胎气压和温度信息，在异常情况下发出报警，提醒驾驶者采取有效措施， 防止爆胎发生。 t p m s 能够实时监测到轮胎内部的温度和压力情况就可以分析出轮胎的运行状况，从而有 效减小轮胎发生爆胎的概率，在很大程度上确实起到了积极作用。但是，t p m s 属于被动防御 技术，通过被动防御来降低爆胎危险。这一措施在车辆行驶速度超过8 0 公里时其作用已基本无 效。而在汽车长时间高速行驶中，由于轮胎机械性能发生异常，引发车辆爆胎却是无法进行预 测与估计的：车辆在行驶过程中，车轮受到外部环境因素的影响，突然发生爆胎也是无法进行 预见的。 近年来，国内的科研人员提出并研制了爆胎监测与安全控制系统。这项技术在自动监控技 术上得到了突破，利用智能监控系统弥补驾驶人制动反应时间滞后的局限，以智能监控系统代 替人脑反应，彻底化解由爆胎引发的交通事故灾难。该项技术属于主动式制动技术，通过相关 技术对车轮进行主动控制；即使车辆在高速行驶中发生车轮爆胎，仍然能够在最大程度上保障 车内人员的安全。 从车辆动力学与车辆结构出发，通过对爆胎车辆轮胎力学特性和车身姿态的变化与车辆行 驶状态之间关系的研究，从根本上分析得到车辆爆胎后发生偏航的原因，有效帮助人们清晰认 识因爆胎而引发高速公路交通事故的原因，为汽车主动安全控制提出了新的研究内容。因此， 对爆胎车辆行驶状态的分析具有重要的研究意义与实际价值3 】 4 】【5 】1 6 j 。近十年来，国内外学者在 这方面都做了大量深入细致的研究工作 爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析 1 3 国内外研究现状 近几年来，国内外相关研究人员对爆胎车辆及其主动安全控制技术研究都展开了深入而细 致的工作，将车辆行车主动安全性又提高到了一个新的台阶 7 1 1 8 1 9 1 埘。 2 0 0 5 年，波兰华沙工业大学的z b i g n i e wl o z i a 对爆胎双轴车辆进行了运动仿真实验。 z b i g n i e wl o z i a 主要对车辆与爆胎轮胎进行动力学与运动学建模，通过对实验数据分析，改进 先前学者的爆胎车轮模型，并通过实验验证整车模型的正确性与准确性。随后利用车辆模型进 行虚拟道路实验，主要包括车辆直道行驶、弯道行驶和方向盘转角斜坡输入行驶状态下突然发 生车轮爆胎的虚拟实验【1 1 】。通过虚拟实验，获得了车辆爆胎前后的运动轨迹和其他重要的实验 数据。通过对实验数据的分析，得到了爆胎车辆运动的基本特性以及不同轮胎( 前轮或后轮) 发生爆胎对车辆行驶稳定性的影响，为爆胎车辆主动安全控制技术的研究提供了帮助与指导。 2 0 0 6 年1 1 月在汽车与车辆中刊登：桂林安金汽车安全监测技术有限公司研制生产了 爆胎监测与制动系统( b m b s ) 。该产品在车辆爆胎后由智能控制系统瞬间实施行车制动，确保 爆胎后汽车安全减速或停车，在技术上解决了轮胎气压监测采样频率与爆胎泄气时间的协调问 题，提高了轮胎气压采样频率。由智能控制系统实施行车制动，使汽车在发生失控前降低车速， 避免汽车因爆胎而产生滑移、掉头甩尾、失控翻滚等现象【l 2 1 。 2 0 0 7 年汽车工程期刊第2 9 卷第1 2 期中刊登了爆胎汽车运动分析及控制一文。作 者郭孔辉院士通过轮胎实验得到g t l 7 5 6 0r 1 4 轮胎在正常胎压及零胎压下的力学特性参数。以 此为依据，运用c a r s i m 软件对爆胎汽车进行整车动力学联合仿真，找出汽车偏航原因，分析 驾驶员不同操作所引起的整车运动性能变化以及汽车稳定性控制系统对爆胎汽车的影响。研究 结果表明，稳定性控制系统对于减轻爆胎所带来的后果具有积极的作用【l 引。 郭院士所指导的硕士研究生王英麟于2 0 0 7 年4 月完成毕业论文基于c a r s i m 与u n i t i z e 的爆胎车辆动力学响应研究的撰写。文中主要对爆胎轮胎的力学特性进行了大量的实验研究， 依据实验数据与实验现象建立了基于u n i t i r e 的爆胎轮胎模型，将模型应用于c a r s i m 软件进行 了大量的仿真，研究了汽车在爆胎后的动力学响应状况，并且通过仿真分析了爆胎监测与制动 系统控制策略对于保持爆胎后汽车稳定性所起的作用0 4 1 。 z b i g n i e wl o z i a 虽然建立了车辆与爆胎轮胎动力学与运动学模型，通过仿真实验研究爆胎 车辆的行驶稳定性，但并未进一步对爆胎车辆主动控制技术进行研究：郭院士及其学生虽然设 计了爆胎车辆主动控制器，对爆胎车辆进行了深入研究，但未建立整车模型，而是利用c a r s i m 内部已有的模型与m a n a b 进行联合仿真。本文通过v i s u a lc + + 6 0 软件建立了车辆与爆胎轮胎 模型，设计了爆胎车辆主动制动控制器；并利用软件在环仿真系统进行了车辆爆胎主动制动控 制仿真实验，该方法不仅可以缩短控制器设计的时间，减少控制器设计的成本，同时也可大大 降低车辆爆胎实车实验的风险。为爆胎控制器的研究提供了一种新的思路与方法。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文以虚拟实验为基本思路，对爆胎车辆行驶状态及其控制进行虚拟仿真实验研究。主要 的研究目标与研究内容如下： ( 1 ) 建立整车动力学与运动学模型 目前国内外学者对车辆动力学已有深入的研究，建立了比较成熟的车辆动力学模型。但对 于不同的对象研究，所建立的模型都应具有不同特点。本文通过对国内外学者建立的车辆模型 与爆胎车辆相关实验数据的研究，重点考虑车轮爆胎对车辆动力学特性的影响，建立适合于本 文研究的爆胎车辆动力学模型，准确反映车辆在爆胎泄气后车辆动力学特性的变化，对爆胎车 辆行驶状态进行有效分析。 ( 2 ) 建立车辆虚拟仿真实验平台与软件在环仿真系统 基于面对对象方法，以v i s u a lc + + 6 0 软件作为平台，将车辆视为由若干对象组成的系统， 按整体部分结构建立爆胎车辆模型，建立车辆虚拟实验仿真平台。通过用户界面的交互操作， 实现参数的输入、结果的输出和存储以及图形的动态显示。保证车辆模型验证与车辆爆胎虚拟 实验在该仿真平台上顺利开展。基于r s 2 3 2 串行接口技术，利用f r o e s c a l e8 位单片机，建立软 件在环仿真系统，保证车辆爆胎主动控制实验的顺利开展，同时为车辆主动安全电子控制单元 的研究提供一种新的手段。 ( 3 ) 利用c a r s i m 软件与仿真平台验证本文所建立的整车模型的准确性 本文建立的爆胎车辆模型需要通过实验验证，但进行道路实验需要很长的实验周期与较高 的实验经费，并且对实验的安全性要求非常严格；与此相比，成熟的车辆动力学仿真软件c a r s i m 体现出其应用意义；其内部的车辆参数均为实车参数，利用该软件进行虚拟实验同样能够比较 准确的模拟车辆实际的运行状态。因此通过对c a r s i m 虚拟道路实验数据与本文所建模型在仿 真平台中的实验数据进行比较，来验证所建立整车模型的准确性。 ( 4 ) 通过车辆爆胎虚拟仿真实验分析车辆动力学特性与行驶状态的变化规律 通过软件仿真验证后，利用已建立的车辆虚拟仿真实验平台，对爆胎车辆模型进行虚拟仿 真实验：分析车辆在直道行驶和弯道行驶过程中发生轮胎爆胎后车辆的动力学特性和车辆行驶 状态之间的关系，并考虑不同爆胎泄气时间对车辆行驶状态的影响。通过对虚拟实验数据分析， 研究车辆在发生爆胎后发生偏航的主要原因。 ( 5 ) 设计并利用爆胎制动控制器进行车辆爆胎主动制动控制虚拟实验 基于爆胎实验的研究结果，采用p i d 控制策略，设计爆胎制动控制器。利用软件在环仿真 系统，进行车辆爆胎主动制动控制仿真实验；根据实验数据与现象研究爆胎制动控制器在车辆 高速行驶中发生爆胎后所起到的主动控制作用；为深入研究爆胎车辆主动安全技术提供一定指 导与借鉴。 3 爆胎车辆行驶状态与控制虚拟实验分析 第二章爆胎车辆动力学模型的研究 2 1 引言 建立合适的车辆动力学与运动学模型是对车辆进行正确研究，得到准确结论的前提条件。 本文通过对国内外学者建立的车辆模型与爆胎车辆相关实验数据的研究，重点考虑车轮爆胎对 车辆动力学特性的影响，建立适合于本文研究的爆胎车辆动力学模型。只有准确反映车辆在爆 胎泄气后车辆动力学特性的变化，才能对爆胎车辆行驶状态进行有效的研究。本章将分两部分 内容详细研究车辆模型和轮胎模型。 2 2 车辆模型 针对汽车行驶系统模型的研究，国内外学者在这方面进行了深入而细致的工作。最有特色 的研究模型是美国密歇根大学研究人员建立的1 7 自由度( 簧载质量6 个自由度，前非簧载质量 7 个自由度，后非簧载质量4 个自由度) 车辆模型。此外还有美国国家公路局的h v o s m ( h i g h w a y v e h i c l eo b j e c ts i m u l a t i o nm o d e l ) 模型。该模型应用空间刚体动力学建立1 5 个自由度( 汽车簧 上刚体质量6 个自由度，4 个车轮跳动自由度，4 个车轮旋转自由度及1 个车轮转向自由度) 整 车模型。而根据多刚体动力学中凯恩方法建立的1 8 自由度( 整车2 个自由度，悬架4 个自由度， 前非悬架7 个自由度，后非悬架5 个自由 度) 整车模型，全面考虑了悬架系统、转 向系统、空气动力学、载荷转移和轮胎等 因素对汽车操纵动力学的影响。 车辆模型的特点与所研究的问题有 密切联系。本文主要通过对爆胎车辆运动 轨迹、侧向加速度、横摆角、回正力矩、 车轮垂向载荷等关键数据的研究，分析车 辆在行驶过程中突然发生爆胎后爆胎车 辆的行驶状态。因此基于上述各种模型， 充分考虑到本文研究对象的特点，建立了 1 5 自由度车辆系统模型，此模型能够达到 研究爆胎车辆行驶状态的要求，适合对爆 胎车辆进行动力学仿真实验的研究与分 析。 4 图2 1 车辆运动受力分析 ， 一 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 1 车辆动力学建模 车辆运动微分方程为一个三元方程组，分别为车辆的纵向运动微分方程、侧向运动微分方 程和横摆运动微分方程。如图2 1 所示，车辆在行驶过程中。主要受到来自轮胎与地面相互作 用产生的力与力矩，包括车轮纵向力、晶、，侧向力e 。、c 疔、岛、k 和回正 力矩、心、m 一、【1 5 】。主要的微分方程式如( 2 1 卜( 2 8 ) 所示，微分方程中的变量含义 及其单位具体如表2 1 所示。 ( 1 ) 车辆纵向运动微分方程 = 心y 妒+ ( 瓯+ ) 聊 ( 2 - 1 ) 矾= + + 岛+ 如+ 如 ( 2 - 2 ) ( 2 ) 车辆侧向运动微分方程 1 0 = 一v o x # + ( 一r tc o s + r 。s i n 矽+ ，k ) 朋 ( 2 - 3 ) 甄= + + + ( 2 -