Vi-CarrealTime软件资料Modelconceptandtheory

1、 VI-grade. All rights reserved. 2007-2013VI-CarRealTime Training概念与理论车辆模型车辆模型前悬架为独立悬架后悬架为独立悬架或非独立悬架簧载质量 (等同于车身): Rigid (1 body, 6 DOF)Compliant (2 bodies, 12 DOF)轮毂自由度: 2 DOF（相对于车身的位移与转动）轮胎自由度: 2 auxiliary states输入信号: 145输出信号: 986tkHrcyzLFront viewW0RFWCRFW0LFWCLFW0RRWCRRW0LRWCLRyzxLwbHwc,rHwc,fxzSi

2、de viewDirection of suspension travel车辆模型车辆模型四轮车辆: 一共一共14个自由度个自由度 5 刚体刚体:- 1个车身(簧载质量)- 4个车轮(非簧载质量) 悬架系统不存在任何杆件与衬套转向系统不存在方向盘与转向齿条悬架与转向系统的特性通过K&C曲线定义，在求解时，通过查表（数据经过拟合处理，已提升运算速度） Unsprung mass车辆模型车辆模型制动与传动系统制动与传动系统子系统通过一系列的微分与数学微分与数学公式来描述车身支持柔性车身（柔性车身（最多6和自由度，将车身分为2各部分，2部分之间存在6各自由度的弹性）The vehicle m

3、odel is described in terms of commands and functions in a symbolic manipulator tailored for deriving multibody equations and a code generator. Given the model description, it outputs C code for a simulation program for the particular model that is described. Parameters for the model (for example, wh

4、eelbase, spring stiffness, etc.) can be changed at run time and are passed in by input files.车辆模型可以胜任实时仿真实时仿真，当然这取决于计算机的运算性能。这一特性使得VI-CRT可以用于HIL仿真与驾驶模拟器仿真与驾驶模拟器。因为出色的计算速度，VI-CRT还可以用于控制策略控制策略的设计，同时可以用于大规模优化。坐标系坐标系q 全局坐标系全局坐标系如左图，N0点所示，x，y，z三个方向与初始的车身坐标系系一致q 车身坐标系车身坐标系整车坐标系的原点位于左前与右前两轮的接地点的连线的中心处车身坐标系

5、与ISO坐标系一致，X指向车头，Y指向车的左侧，Z指向天空车身坐标系用于定义车辆的质心的位置，附加质量的位置，空气阻力，举升力的位置，驾驶员位置等。q 车轮坐标系车轮坐标系 (用于悬架特性的定义)车轮的轮心由x,y,z三个方向的坐标定义（左侧车轮与右侧车轮是的坐标系定义是同方向的），车轮姿态角的定义是与大地坐标系的定义是一致的。q 驾驶员坐标系驾驶员坐标系原点定义在后轴的中点处（两后轮的轮心连线的中点），方向与车身坐标系一致v X+ forwardv Z+ vertical upv Y+ left坐标系坐标系在获取信号时请仔细阅读帮助，对照坐标系在获取信号时请仔细阅读帮助，对照坐标系VI-Cr

6、tA/CarX+ 向前+向后Y+ 向左+ 向右Z+ 向上+ 向上Toe+ 向里+ 向外Camber+ 外倾为正+ 外倾为正Steer+ 向左+ 向右VI-CarRealTIme与MSC.ADAMS坐标系对比坐标系坐标系VI-CarRealTime中的车辆模型的建模是依托文件系统定义的。文件统一使用xml格式保存，这些文件保存在system.tbl文件夹下。每一个车辆包含以下文件： 单位单位 车辆子系统列表车辆子系统列表:车身制动传动前悬架前悬架轮胎与轮毂后悬架后悬架轮胎与轮毂转向系统Model database在车辆模型中没有杆系与衬套的概念;车辆的姿态参数的计算通过查表进行。具体的是首先获取

7、轮跳这一变量（轮跳成为函数的自变量），通过查表的方式确定处轮跳以外的的车轮位移与车轮旋转的姿态。独立悬架与非独立悬架的悬架运动学特性都可以建立，对于独立悬架而言，左轮与右轮的运动学特性就是左轮与右轮轮跳的函数。弹性运动学也被考虑到车轮的姿态参数中，这里的车辆姿态参数是轮跳与外部载荷的函数（例如在侧向力作用下，前束的变化），考虑到函数中的自变量是轮跳与负载两个量所以函数描绘的是一个3D曲线。q 悬架系统的概念近似（悬架系统的概念近似（conceptual approach）.悬架悬架q 包括减振器，弹簧，限位块等在内的悬架部件，这些部件都会产生对车轮的力，这些力是通过如下方法计算的： 计算弹簧等

8、弹性阻尼元件的对车轮的杠杆比。 对元件特性进行查表操作，查出元件的弹性或阻尼力。 运用杠杆比计算出作用到车轮的等效的弹性或阻尼力悬架悬架Dependencies输入量输入量: 轮跳量 Paired wheel travel (就独立悬架而言)输出量输出量:前束角外倾角抗点头角车轮纵向位移车轮侧向位移悬架悬架运动学sFseFe对于弹性元件而言，弹性力被认为直接作用于轮心，这与实际的弹性力有所不同，所以VI-CarrealTime引入杠杆比曲线来对弹性力进行近似处理。杠杆比杠杆比VI-CARReaTime 使用概念近似的方法建立车辆模型中的弹性与阻尼元件如弹簧，减振器，限位块等。悬架悬架轮距: 在

9、设计载荷下，左轮与右轮轮心的距离（在全局坐标系下Y的方向）轮轮心心X向位移向位移 vs 轮跳轮跳（左轮/右轮），车轮X向位移量是轮跳的函数轮心轮心Y向向位移位移 vs 轮跳轮跳（左轮/右轮），车轮y向位移量是轮跳的函数每一个查表曲线都是将轮跳作为自变量。q 车轮位置运动学车轮位置运动学悬架悬架运动学For dependent suspensions (only rear) an extra independent variable (Z) inputs the paired wheel jounce. q 车轮姿态角车轮姿态角抗点头角抗点头角: 对车轮抗点头角，从侧向观察车轮，车辆顺时针为正，

10、逆时针为负，车辆上跳时车轮前移为顺时针。车轮上跳时，车轮后移，相当于逆时针。前束角前束角: 前束角是车轮平面与车身XY平面的交线与车身纵向轴之间的夹角。如果车轮的前边缘向车身内侧收缩时，前束是正值。悬架悬架运动学外倾角外倾角: 车轮平面与车辆垂直轴的夹角，车轮平面与车身垂向轴的夹角。车轮上边缘向里面收缩，外倾角为正。 Entity (e)Dependencies (f)前束角Fx(braking)Fx(traction)FyTzFz外倾角Fx(braking)Fx(traction)FyTzFz抗点头角Fx(braking)Fx(traction)FyTzFzY方向运动量Fx(braking)

11、Fx(traction)FyTzFzX方向运动量Fx(braking)Fx(traction)FyTzFz悬架悬架弹性运动学q 车轮姿态车轮姿态请注意X方向的运动量与抗点头角的关系q 车轮姿态车轮姿态悬架K&C特性对车轮姿态参数的影响（这些姿态量包括了轮距变化，轴距变化，前束，外倾，抗点头角）是通过叠加原则实现的。即最终的车辆姿态参数是由所有的单一工况的得到的车轮参数相加得到的，例如：当前前束角等于车轮的同向轮跳对应的前束角与C特性中的前束角相加得到。: 最终悬架特性计算值(前束, 抗点头角等.)k: 根据运动学曲线得到的特征量，这个数值包括了初始定位参数，主要是特性参数相对于轮跳的量

12、。f:根据弹性运动学曲线得到的特征量（根据负载查表得到） (Fx, Fy, Tz etc.) 悬架悬架弹性运动学Input:Fx (traction, braking)FyFzTz轮跳Output:Toe 前束Camber 外倾Side view angle 抗制动点头Track variation 轮距变化量Base variation 轴距变化量悬架悬架弹性运动学q自变量与因变量关系自变量与因变量关系EntityDependenciesToe_LF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,

13、j)F(TZ_R,j)F(FZ_L)Camber_LF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_L)SVA_LF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_L)X_LF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)

14、F(FZ_L)Y_LF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_L)Toe_RF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_R)Camber_RF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_R)SVA_

15、RF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_R)X_RF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_R)Y_RF(FX_tr_L,j)F(FX_br_L,j)F(FY_L,j)F(TZ_L,j)F(FX_tr_R,j)F(FX_br_R,j)F(FY_R,j)F(TZ_R,j)F(FZ_R)InstancesDirect comp

16、liance 同向加载Cross compliance 在一边的车轮加载，在一边的车轮加载，观察另一边车轮的车轮姿态变化观察另一边车轮的车轮姿态变化。Total 90 curves/axleq 车轮姿态参数车轮姿态参数悬架悬架弹性运动学下表是说左侧车轮的姿态与左轮受到力与力矩有关，还与右轮受到的力与力矩有关（Fz除外）概念在在一边的车轮加载，观察另一边车轮的车轮姿态变化一边的车轮加载，观察另一边车轮的车轮姿态变化。这就是cross的含义，比较简单的定义方式如下：q Cross compliance悬架悬架弹性运动学这种K&C曲线的定义方式对半独立与非独立悬架非常有效，比较复杂的另一定义

17、如下：q Cross compliance悬架悬架弹性运动学左轮在下跳至最低点最低点，右轮从最低点到最高点设定若干个位置，在右轮设定位置下，加载载荷，绘制曲线左轮在下跳至中间点中间点，右轮从最低点到最高点设定若干个位置，在右轮设定位置下，加载载荷，绘制曲线左轮在上跳至最高点最高点，右轮从最低点到最高点设定若干个位置，在右轮设定位置下，加载载荷，绘制曲线。这就是为什么存在cross_1 cross_2 cross_3甚至cross_4右轮同理进行绘制悬架悬架悬架模型修正附加侧倾力矩（定义的都是附加力，是在其他力的叠加）Auxiliary Anti-Roll Force: 左轮与右轮的附加力（自变

18、量为预压缩量+一侧车轮的轮跳量）Auxiliary vertical force: 拆去横向稳定杆后的附加垂向力。VI-CarRealTime 16.2Vehicle Model EnhancementsComplianceAdditional loadcases for single wheel travel dependent complianceq悬架弹簧选项卡: Springs弹性元件弹性元件弹簧1.对称性2.预载定义方式3.F弹簧的自由长度（变相定义了车身高度）4.弹簧属性5.杠杆比6.查看弹簧曲线6241536Suspension ComponentsBumpstops 限位块1.

19、对称性2.间隙3.杠杆比4.杠杆比曲线5.属性文件6.Spline Data4q Suspension subsystem: Bumpers2513q Suspension subsystem: Auxiliary Anti-Roll ForceAuxiliary anti-roll forces 用于描述连接左轮与右轮的弹性元件的，这样的元件典型的是横向稳定杆。Auxiliary anti-roll forces 以垂直反力的形式作用于左右两侧车轮，这一垂直反向力同时也作用于车身上。刚度Suspension ComponentsAuxiliary ForcesSingle Table 左右对

20、称Dual Table 左右轮分别设置q 悬架阻尼元件: 减振器减振器悬架阻尼元件悬架阻尼元件减振器1.Symmetry 对称性2.杠杆比3.Plot/Edit Data4.特性文件5.外特性曲线35421修正曲线数据表征了悬架的附加垂向弹性力，附加弹性力是指不是由弹簧，限位块等悬架部件产生的附加弹性力是由两组曲线来定义的，分别定义了左轮与右轮的附加弹性力 (这里没有悬架预载作为因变量).弹性元件弹性元件附加力q Suspension subsystem: Auxiliary Spline DataVI-CarRealTime features the capability of adjust

21、ing suspension and vehicle characteristics. This practice, usual in racing applications, is implemented in VI-CarRealTime by modifying the values that the adjustable quantities assume after static equilibrium of the vehicle and it is achieved using different methods depending on vehicle and suspensi

22、on architecture.The adjustments available suspension are: Ride Height (推杆（就是调杠杆比）与弹簧刚度调整) Toe Angle前束前束 Camber Angle外倾外倾悬架悬架初始定位参数q 悬架子系统: 悬架定位参数VI-CarRealTime 支持与弹簧串联的弹性元件的安装方式的设置，包括了横向稳定杆在Installation Stiffness的上方或下方The stiffness is measured at the component location.弹性元件弹性元件横向稳定杆安装刚度q 悬架子系统: Inst

23、allation StiffnessInstallation Stiffness 位于横向稳定杆的上方Installation Stiffness 位于横向稳定杆的下方弹性元件弹性元件横向稳定杆q Suspension subsystem: Installation Stiffness Options例如：弹簧减振器立柱安装与通过衬套下摆臂上，如果横向稳定杆是安装在下摆臂上就属于左图转向子系统转向子系统 基础转向系统模型通过查表的方式确定转向系统动力学转向管柱刚度（会产出转向的滞后）路感（回正力矩），通过定义主销转动力矩与方向盘反馈力矩的关系曲线确定 高级转向系统模型高级转向系统是在基础转向系

24、统基础上的特性叠加转向系统的运动学特性是通过齿条位移来定义通过多体动力学模型定义了转向系统模型基本转向系统模型基本转向系统模型运动学关联信号（RD=齿条行程，SWA=方向盘转角）转向轮转角(相对于前束，wheel travel, SWA/RD)外倾角(轮跳, SWA/RD)抗点头角(轮跳, SWA/RD)X向位移 (轮跳, SWA/RD)Y向位移(轮跳, SWA/RD) 转向系统输入 转向轮转角 vs. SWA/RD 外倾角 vs. SWA/RD vs. 轮跳 Y向位移 vs. SWA/RD vs. 轮跳 抗点头角 vs. SWA/RD vs. 轮跳 X向位移 vs. SWA/RD vs. 轮

25、跳方向盘转角与齿条位移的运动学关系基本转向模型基本转向模型弹性运动学转向管柱的刚度 转向管柱的扭转角的计算，是通过获取主销力矩然后通过查表得到转向管柱的扭转角。转向转向管柱的扭转角叠加到方向盘输入角后，作为最终的方向盘转角，这个方向盘转角可以作为转向系统运动学计算的自变量。最终方向盘转角() 可以通过以下公式计算: 基本转向系统模型基本转向系统模型主销的几何属性定义主销几何参数用于计算方向盘反馈力矩（路感）定义主销几何需要的参数: 主销后倾角主销后倾角 主销内倾角主销内倾角转向转向节外点位置节外点位置瞬态瞬态转向系统模型转向系统模型齿轮齿条模型提供详细的转向系统机械系统模型，用于描述转向系统的

26、动态特性（ rack-pinion elasto-kinematics ）摩擦模型该转向系统动态模型可以与基本模型集成在一起。忽略转向管柱，直接从转向横拉杆施加转向指令。支持电动助力转向与液压助力转向瞬态转向系统模型瞬态转向系统模型摩擦模型摩擦模型分类弹簧摩擦模型Maxwell摩擦模型Coulomb摩擦模型辨识模型由用户建立辨识方法自行选定Rack的摩擦会造成转向系统高速下颤抖瞬态转向系统模型瞬态转向系统模型Rack-pinion steeringVI-CarRealTime模型模型基于齿条输入的齿条位移与方向盘转向传动比Tie rod forces mapsADAMS/Car plugin转

27、向系统分析Communicators for tie rod forces (optional)瞬态转向系统模型瞬态转向系统模型Rack-pinion steering动力学特性 几何特性 (X, Y and Z)方向盘输入A十字节副1 B十字节副2 C齿轮齿条 D 转向管柱扭转刚度扭转阻尼转向管柱最大扭转角达到最大扭转角之后的扭转刚度 齿条刚度 (stiffness of rack coupling)平动刚度 摩擦Advanced Steering ModelRack-pinion steering车身系统车身系统 簧载质量 Sensor Point ADAMS/Car 质心位置 空气阻力/

28、空气举升力 Body Setup Data Cross Weight Adjustment Auxiliary Spline Data User SensorBody subsystemq簧载质量可以配置车身的质量、惯量属性轴距车架柔性质量与惯量转动角刚度平移刚度车身连接点质心位置质量转动惯量与惯性积Body subsystemq Sensor Point车辆模型可以有不止一个的sensor point 用于检测车身在改点测量到的位置，速度，以及加速度。用户可以在仿真过程中输出这些信号。在User Sensor 选项卡下，用户可以配置Sensor Point 的位置以及姿态，以上Sensor

29、Point 属性是按照大地坐标系定义的（主要是指位移量）。车身子系统车身子系统q ADAMS/Car CG PointADAMS/Car CG Point 是用于表示车身的质心位置。这个位置用于计算是用于表示车身的质心位置。这个位置用于计算chassis_displacement,chassis_velocity and chassis_acceleration 这三组输出这三组输出信号。但是该点不一定是信号。但是该点不一定是Vi-CarRealTime的质心。的质心。ADAMS/Car CG Point的定义参考大地坐标系。车身子系统车身子系统q Aerodynamic Forces VI-

30、CarRealTime 提供了如下气动力的配置（这些气动力可以配置为激活或不激:前前悬架空气举升力（向上为正）悬架空气举升力（向上为正）后悬架空气举升力（向上为正）后悬架空气举升力（向上为正）空气阻力（向后为正）空气阻力（向后为正） 具体空气阻力或举升力的配置是通过查表实现，当然用户应自行配置这一表格：空气阻力空气阻力Map图图Ride Height车身子系统车身子系统q 车身附加质量配置车身附加质量配置在赛车仿真中，会出现初始质量与运行时质量不一样的情况，所以，在下图所示的附加质量配置选项卡下，会出现setup与Running都有Active复选框的原因。Body Setup Data选项卡

31、下面，用户可以定义驾驶员，油箱，配重的位置与质量以及激活条件 坐标用全局坐标系来表示车身属性车身属性q 车身质心位置调整车身质心位置调整 VI-CarRealTime features the capability of adjusting suspension and vehicle characteristics by modifying the values that the adjustable quantities assume after static equilibrium of the vehicle.（在动平衡之后还能够调节质心的位置）There are four metho

32、ds available:Front ForceRear ForceRatioCross RatioIt is the difference L/R wheel load after static equilibrium.车身子系统车身子系统q Auxiliary Spline Data In StaticLapTime和和MaxPerformance需要SpeedGen这个预测算法来预测车辆性能 SpeedGen 存在一个内置的简化车辆模型，但是该模型需要ride height参数 Ride height曲线保存在车身子系统文件中（安照一般的认知是悬架子系统）车身子系统车身子系统q User

33、 SensorVI-CarRealTime includes the capability of adding user sensors to the model. The types currently supported are:Lap Sensor计算完成一个完整工况花费时间的点（该点通过终点线，一个循环结束），不能被用户定义Beacon Sensor计算完成部分路径工况花费时间的点Displacement Sensor测量相对位移的点Velocity Sensor测量该点的相对速度（平移量）Acceleration Sensor测量该点的相对加速度（平移量）动力子系统动力子系统 传动系

34、 差速器 发动机Powertrain subsystemq 发动机发动机 发动机选项卡下面定义了如下属性发动机惯量发动机惯量发动机怠速发动机怠速发动机最大转速发动机最大转速发动机力矩输出系数发动机力矩输出系数在力矩Map图的基础上乘以该系数是最终的力矩输出（50%-150%）.发动机力矩发动机力矩Map图图Powertrain subsystemq Clutch动力系的离合器选项卡下面定义了离合器的属性参数离合器分离时间离合器分离时间离合器接合时间离合器接合时间Clutch Tau离合器力矩输出限制离合器力矩输出限制离合器扭转刚度离合器扭转刚度离合器扭转阻尼离合器扭转阻尼Value at wh

35、ich the clutch is totally openValue at which the clutch is totally closeClutch time constantClutch torque limitKc离合器智能复选框离合器智能复选框用于激活离合器，如果没有激活，发动机的功率将会直接输出到动力系，没有任何功率损失动力子系统动力子系统q Clutch Clutch Torque expression: Clutch Slip expression:动力子系统动力子系统q 差速器差速器Editable data: Drive Front Bias驱动力分配驱动力分配0% 后

36、驱50% 使用锁止差速器或LSD差速器100% 前驱 Gear Ratio2D Spline: gear_ratio = f(gear_number) Transmission RatioRatio between engine torque and clutch input发动机到离合器传动比动力子系统动力子系统q变速箱 用于定义换挡策略，用于有驾驶员模型的仿真工况中 以下换挡策略以发动机转速为自变量: 升档发动机转速升档发动机转速 降档发动机转速降档发动机转速 换挡策略换挡策略Map图图对所有档位适用3D 曲线:gear_shift_RPM = f(gear_number,gear_shi

37、ft_direction)对所有档位适用动力子系统动力子系统q燃油消耗The Fuel Consumption tab in Property Editor is used to set the following data: 燃油密度燃油密度 Engine Volune 发动机排量发动机排量 Fuel Consumption Map动力子系统动力子系统q发动机进气特性 The Ram Air tab in Property Editor is used to set the following data: Reference Air Density 空气密度空气密度 Ambient Pres

38、sure环境压力环境压力 Ambient Temperature 环境温度环境温度 Ram Air Efficiency 进气效率进气效率Air density with respect to the engine mapTemperature unit: Kelvin2D Spline:efficiency = f(longitudinal vehicle speed)与车辆纵向速度有关 动力子系统动力子系统q Ram AirA scaling coefficient () for engine torque representing the ram air effect is define

39、d:ref : reference air density ram : air density in the ram obtained from the ideal gas lawThe air pressure in the ram Pram is then computed: env : ambient density obtained from the ideal gas law动力子系统动力子系统q差速器3 differential instances (center, front, rear) are present in VI-CarRealTime and can be activated/deactivated using the flag available in the Property Editor.123123动力子系统动力子系统q差速器Front Differential ActiveRear Differential ActiveCentral Differential ActiveFrontDrive BiasFWDyesnono1.0RWDnoyesno0.0AWDyesyesyes0.5 for Locked