动力学仿真在乘用车的应用

Equipment Manufacturing Technology No.3,2021

动力学仿真在乘用车的应用

何建勇1，马建彬2，余亚敏2，张瑞3

(1.东风柳州汽车有限公司，广西柳州545005;

2.中汽研汽车检验中心(宁波)有限公司，浙江宁波315104;

3.山东理工大学，山东淄博255000)

摘要：为验证某乘用车的操纵稳定性，基于CarSim软件构建了乘用车整车模型，并将其与实车进行对比验证了模型的精确度；然后以《G B T6323-2014汽车操纵稳定性试验方法》和《Q C T480-1W9汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》中的试验要求和评价方法，进行工况设计并对仿真结果进行客观评分；最后综合仿真结果分析，得到该乘用车的操纵稳定性评分为81.6，说明该乘用车操纵稳定性良好

关键词：CarSim；操纵稳定性；虚拟仿真；建模

中图分类号：U461.6 文献标识码：A

0刖目

随着科技的进步，汽车行业更新换代速度也越来越快。而传统的汽车开发研究流程复杂、周期长、成本高，不能满足人们的需求。因此人们一直在寻新的技术来改进或简化传统的汽车开发流程。从上世纪开始，互联网革命席卷全球，计算机技术也逐渐渗人到汽车开发研究领域中，在这种大背景下，车辆 “虚拟仿真”进入了人们的视野。

在汽车开发研究领域中，计算机辅助技术贯穿始终。从最初的车辆外形设计，到车身覆盖件等的制作成型，再到后期车辆的主要性能检测都可以通过计算机辅助技术完成。这些计算机辅助技术的应用，使得人们可以通过建模软件建立复杂的车辆模型，再利用虚拟仿真软件进行模拟。因此计算机辅助软件的应用不仅节约了大量的时间和金钱，还在很大程度上提高了汽车开发生产过程中的精确度，使得汽车开发研究变得更加方便快捷:

本文以某款乘用车为研究对象，基于Carsim建立了该乘用车仿真模型，以《G B T6323-2014汽车操纵稳定性试验方法》和《Q C T480-I999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》中的试验要求和评价方法，进行工况设计并对仿真结果进行客观评分，以验证该乘用车的操纵稳定性性能。

文章编号：1672-545X(2021 )03-0136-07

1研究现状

1.1国外研究现状

早期人们对整车动力学知之甚少，随着汽车行业的飞速发展，整车动力学也在丨930年左右开始被国外汽车机构研究。汽车动力学才开始慢慢发展起来，并逐渐取得了越来越多的成果。

1925年悬架和转向机构的运动学研究使得平顺性理论初步形成规模' 1930年至1950年，英美法等国开始研究汽车悬架，并就转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析3在这一时期，通用公司Cadillac•悬架研究小组首次开发了应用于美国轿车的独立前悬架，并提出不足转向和过多转向的概念。这是人类汽车史上的一大进步|21。1950年至 1970年，国外研究人员发表了车辆操纵动力学线性域理论，并且这项理论可以进行建模和试验分析。1970年之后，国外研究人员建立了计算机汽车动力学仿真模型，当时绝大多数现有车型都可被其建模仿真。

1.2国内研究现状

1970年，清华大学等对汽车平顺性、操纵稳定性的试验方法和评价指标进行了研究分析，并对力学模型也进行了进一步的研究这些理论成果在很大程度上促进了国内汽车行业的发展，为国内汽车的发展树立了一个标杆，督促着车辆不断向更好更大的目标迈进。1990年，多柔体系统动力学理论被人们

收稿日期：2020-12-23

作者简介：何建勇（1974-)，男，广西上林人，工程师，学士.研究方向：汽车T.程。136

《装备制造技术》2021年第3期

0.1途胜改装

0.2 0.3 0.4

lateral accelation ,vehicle -g's

图2侧向加速度与侧倾角曲线

0.50.6

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

侧向加速度/g

图3侧向加速度与前后轴侧偏角之差曲线

3乘用车整车模型的操纵稳定性试验及评价

3.1稳态回转仿真试验

试验采用定方向盘转角输入实验法，在仿真试验

开始前，利用Matlab 软件设置半径为15 m 的圆周路径。试验开始时，首先使乘用车整车模型以丨〇 km/h 车速沿圆周路径行驶，得到此时方向盘转向角为 160°。然后间定方向盘转角进行稳态回转仿真试验, 使车速从10 k m /h 开始缓慢均匀加速，直到被测车辆的侧向加速度到达6.5 m/s2或者因发动机功率限制不能达到最大的侧向加速度为止，在仿真工况中设置车速随时间变化曲线[121。

通过上述设置，得到侧向加速度与侧倾角的关系曲线以及侧向加速度与前后轴侧偏角之差的关系曲线分别如图2〜图3所示。据国标得到仿真试验数据如表3所示(其中不足转向度U 是指在前、后桥侧偏角差值与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2

m /s 2处的平均斜率；车箱侧倾度K 是指车箱侧倾角

与侧向加速度关系曲线上侧向加速度值为2 m /s 2处的平均斜率；中性转向点的侧向加速度值是指前、后桥侧偏角差与侧向加速度关曲线上斜率为零处的侧向加速度值）：

Roll , vehicle-deg

运用到汽车领域，这是国内汽车界的一大创举，这项理论的运用从很大程度上推动了中国汽车动力学的

发展。丨990年之后，人们开始普遍应用A D A M S 、

CarSim 等软件进行动力学仿真方面的相关研究。动

力学仿真软件的应用将国内的汽车技术提升到了一个新的水平。

为此，本文拟基于Carsim 动力学仿真软件，对某款乘用车进行研究，这对于车辆操纵性能的评价和优化具有重要作用。

2 C arSim 整车模型的建立

2.1 CarSim 整车动力学建模方法

CarSim 软件将车辆抽象简化为十个部分，车辆

简化模型刚体数如表I 所示。简化后的模型包括二十七个自由度％简化模型如图1所示。

表1

车辆简化模型刚体数

刚体个数簧载质量1非簧载质量

4车轮4发动机1总数

作簧载质量自由度

CarSim 软件将车辆大致分为车体、空气动力学、

传动系、制动系、转向系、悬架和轮胎七个模块|41。

2.2车辆建模

别克君越2023新款价格图片车辆模型参数如表2所示，将车身的轴距、质心高度、簧上质量等参数输人到CarSim 软件的模型参数设置及输入模块中15_ni ，考虑到篇幅有限，这里仅展示了车身建模、制动建模和轮胎建模过程，除了表2 中所示参数改动以外，其它参数均保持默认。

表2

车身模型参数

参数(单位）数值黄载质量/kg 1111车轮半径/m 0.307前轴距/后轴距/m

1.482/1088轴距/m 不小于2500车身尺寸/n i

4.025 * 1.720* 1.

绕•轴转动惯

288绕K 轴俯仰惯量/(kg *m 2)2031.4绕/轴偏转惯量/(kg *m 2)

2031.4

-2

-0.

137

2015

时间/s

图4横摆角速度曲线

255 10

15 20 25

时间/s

图5方向盘转角仿真响应曲线

360卡车之家30

一

20时间/s

图6横摆角速度曲线

2510 15时间/s

2025图7方向盘转角仿真响应曲线

表4低速回正仿真试验数据

参数(单位）

数值残留横摆角速度绝对值乂 (deg /S )

2.1横摆角速度总方差昃(S )

0.32

据国标知，低速回正性试验的残留横摆角速度绝对值的评价积分值/V △，按(4)式计算：

〜

=60+

八

—

-(A ^

〇

- A r) (4)

~~ ^rlOO

低速回正性试验的残留横摆角速度总方差的评价积分值乂按(5)式计算：

Nc = 60 + ——^-----(E ^ - E r)

(5)

E ^o

- E r m

3.2.2高速转向回正性能仿真试验

在仿真试验开始前，设置整车模型以最高车速的70%的整数倍行驶，即此时的车速为120 k m /h 。在仿真过程中，首先转动方向盘至车辆侧向加速度至2

m /s 2，得方向盘转角为30°。然后借助驾驶员模块使车

辆以丨20 k m /h 匀速行驶，并转动方向盘至30。，待稳定后借助事件使驾驶员松开方向盘，记录车辆运动。

横摆角速度曲线以及方向盘转角仿真响应曲线分别如图6〜7所示。按《Q C T 480-1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》计算得到的高速回正试验仿真结果如表5所示。

表3

稳态回转仿真试验数据

参数(单位）数值初始半径/m 15不足转向度/(deg /s 2)0.43车箱侧倾度/(deg /s 2)0.9中性点侧向角速度/(m /.s 2)

5.4

根据汽车操纵稳定性指标限值与评价方法国标知，中性转向点的侧向加速度值〇…的评价计分值N ' 按（1)式计算：

y v … = 6〇 + 4-K + (i )

^||〇0 _不足转向度f /的评价计分值/Vt 按(2)式计算：

AV = 60 +

).U

- U )

(

f J \0〇'(U(0 - f/lC 〇)(A - f/|Q 〇)

车箱侧倾度仏的评价计分值乂按(3)式计算:

1% = 60 +

•(K .(M 0

(3)

式（1〉、(2 )、（ 3 )中:0…1〇〇、0…«)、"|〇〇、"60、心100、心《)可由稳态回转仿真试验国家标准查得，则/V……为63.3, 爪为100，乂为84。3.2转向回正性能仿真试验

3.2.1低速转向回正性能仿真试验

在仿真试验开始前，通过道路设置模块建立半

径为15 m 的圆周路径，在仿真过程中，使整车模型以4 m/s2的侧向加速度行驶，在该条件下车速为30

km/h 。在仿真时设置驾驶员控制模块车速为30 km/

h ，并使整车模型沿圆周路径匀速行驶，在行驶10 s

后借助事件使驾驶员松开方向盘，记录车辆运动1131。

横摆角速度曲线以及方向盘转角仿真响应曲线分别如下图4〜5所示。据国标得到仿真试验数据如表4

所示（其中是指松开转向盘3 s 时的残留横摆角速度绝对值；是指横摆角速度总方差）。

Equipment Manufacturing Technology No.3,2021

^ S OI-OII O A o

orJ Kyif o

^u o

4 3 2

(X 5C O C 5C

138

60 +

F m fO —

■(F ^o -F J

(

10)

其中f ：60、心00、/^、心丨《，可由转向轻便性仿真试验国家标准查得，则yv f , =93.1，/Vf =96.8。

转向轻便性能仿真试验的综合评价计分值N q 按（11)式计算：

NF + rjy + 1\F _

V f

(11)

1.48 t ，取化为

式中：取=〇_6 + 0.08 * C …，G …100 N 。

3.4方向盘角阶跃输入仿真试验

在仿真试验过程中，设置整车模型以该车最高车速的70%的整数倍即车速为120 k m /h 行驶，侧向加速度为2 m /s 2，得到方向盘转角为16.5°，然后设置转向阶跃角度时间为0.1 s 。

通过上述设置，横摆角速度曲线、侧向加速度曲线以及方向盘转角仿真响应曲线分別如图9〜11所示。据国标得到仿真试验数据如表7所示（r 指的是侧向加速度值为2 m /s 2时的汽车横摆角速度响应时间)。

Yaw rate ( Ixxly-fixed ), vehicle -deg/s

2 3 4 5 6

Time-sec

图9

横摆角速度曲线

Laeral accelerationjehide -g * 0.20.15

0.1

0.05 • •

-0.05

Time -set -图10侧向加速度曲线

领克06Steering wheel angle-cleg

l 〇T

4-2-

Time -

图11方向盘转角仿真响应曲线

表5

高速回正仿真试验数据

参数(单位）

数值残留横摆角速度绝对值A y (deg /S)

2.1横摆角速度总方差E ,/s

0.32

据国标知，高速回正性试验的残留横摆角速度绝对值A ，的评价积分值/V △，按(6)式计算：

n 'a , = 60 + .

40 x ----( A ^〇- A J

(6)

^^0 ~ ^r l C X )

高速回正性试验的残留横摆角速度总方差民的评价积分值/\^按(7)式计算：

/V c =60 + ——-----(E ^ - E r)

(7)

~ ^r \00

式（4)、（5)、（6)、（7)中：厶他、厶，丨0〇、£^、110〇、

£#、可由低高速回正仿真试验国家标准查得。

低高速回正仿真试验综合评价计分值/^按(8) 式计算：

= +

叱 +

N ~ + N e

劳斯莱斯ae86

(8)

3.3转向轻便性仿真实验

在仿真试验开始前，建立双纽线仿真路径，在仿

真过程中，借助驾驶员控制车辆以10 k m /h 速度模沿双纽线路径行驶，仿真结束。

通过上述设置，方向盘作用力曲线分别如图8 所示。按国标得到仿真试验数据如表6所示。

图8方向盘作用力曲线

表6

转向轻便性仿真试验数据

参数(单位）

数值车速/(km /h )10方向盘最大操舵力虼/N 34方向盘平均操舵力C/N

据国标知，转向盘平均操舵力尺的平均计分值 /V ,.按(9)式计算：

/V , = 60 + - 40c ■ -(Fs f j 0-F ,)

(9)

^.s 60 ~ ^.s l O O

转向盘最大操舵力的平均计分值按（10) 式计算：

《装备制造技术》2021年第3期

139

Equipment Manufacturing Technology No.3,2021

表7方向盘角阶跃输入仿真试验数据

参数(单位）数值

横摆角速度响应时间77s0.25

据国标知，汽车横摆角速度响应时间r的评价计分值％按(12)式计算：

N j=60+T4Qr.(Ta、-T)(12)

760—y100

式中：：r w、:r,〇〇可由方向盘角阶跃输人仿真试验国家标准查得，则100。

3.5方向盘角脉冲输入仿真试验

在仿真试验开始前，设置整车模型以该车最高车速的70%的整数倍即车速为120 k m/h行驶，稳态侧向加速度为4 m/s2，通过仿真试验得到方向盘脉冲转角为36°，设置向盘转角输人脉宽为0.5 s。

通过上述设置，横摆角速度曲线侧向加速度及方向盘转角仿真曲线分别如图12~14所示。据国标得到仿真试验数据如表8所示。

Yaw rate(bodv-fixed),vehicle-deg/s

10t

I八

1V2 3 4 5 6 7 8 9 10

-5..

据国标知，谐振频率/的评价计分值％按下式计算：

N f=60 + = 96.7

/100-/60

谐振峰水平/)的评价积分值按下式计算：

^v0= 60 + -4Q n仇-D) = 55.7

"60 _ "100

相位滞后角a的评价积分值/va按下式计算：

马6论坛

Na = 60 +---—---.(〇(«)-a) = 79_7

~ ^100

其中/«)、_/；〇〇、/>«、/),〇〇、a w、a,〇〇可由方向盘角脉冲输人仿真试验国家标准查得。

转向盘角脉冲输入综合评价计分值y v w按下式计算：

yy I\j_+ N〇+y V…,= 11A

3.6蛇形仿真试验

在仿真试验开始前，利用Matlab软件建立蛇行试验仿真路径(标桩之间的间距为30 m)。试验开始时，通过驾驶员控制模块使车辆沿蛇行仿真路径以 65 km/h行驶。

通过上述设置，车身侧倾角、横摆角速度、侧向加速度以及方向盘转角曲线分别如图15~18所示。据国标得到仿真试验数据如表9所示。

图12横摆角速度曲线Laeral acceleration,vehicle-g

0.4 ：

0.3 ：

0.2-

0.1 ■

-0.1.：4

图13侧向加速度曲线

奶 Steering wheel angle-deg

图14方向盘转角曲线

表8方向盘角脉冲输入仿真试验数据

参数(单位）数值

谐振频率77H z 1.25

谐振峰水平Z>/d B 5.32

相位滞后角（deg)40.3

Roll,vehicle-deg

Yaw rate(body-fixed),vehicle-deg/s

20r

Time-sec

图16横摆角速度曲线Laeral acceleration,vehicle-g s

Time-sec

图17侧向加速速度曲线

140

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