基于虚拟技术的汽车操纵稳定性试验仿真分析毕业设计

天津职业技术师范大学

Tianjin University of Technology and Education

毕 业 论 专 业：

班级学号： 学生姓名： 指导教师：

二○一一年六月

文

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基于虚拟技术的汽车操纵稳定性试验仿真分

析

Simulation and Analysis of Vehicle Handling and

Stability Based on the Virtual Prototype

专业班级：

学生姓名： 指导教师： 学 院：

2011 年 6 月

摘 要

汽车操纵稳定性能是指汽车在行驶时接受驾驶员的控制能力及行驶方向的稳定能力。本文的重点是利用虚拟样机技术建立实际车辆的整车动力学模型，在此基础上根据汽车操纵稳定性标准试验进行了操纵稳定性仿真研究。

首先,论文比较详细的总结了汽车操纵稳定性研究的发展和现状，从不同角度对汽车操纵稳定性的研究和评价方法进行详细分类。介绍了论文将要使用的ADAMS软件的主要模块和软件的理论基础。为下面的建模和仿真分析建立了理论基础。 其次，根据汽车操纵稳定性试验分析的要求和特点，参照某款国产车的结构参数，利用ADMAS／Car软件建立相对简化的汽车整车三维参数化实体结构模型，包括前后悬架系统、转向系统、轮胎及车身等结构，完成虚拟样机建模。

最后，依据汽车操纵稳定性试验方法国家标准的要求分别进行为蛇行试验、转向盘转角阶跃输入、转向盘转角脉冲输入和转向轻便性实验。根据汽车操纵稳定性指标限值与评价方法，对汽车的操纵稳定性进行评价。研究汽车结构参数对整车操纵稳定性影响的相关规律。

整个研究过程以虚拟样机技术为核心，实现了在计算机上对整车的操纵稳定性的仿真研究。该研究对在车辆产品开发设计过程中改进汽车的性能、提高汽车的主动安全性、降低开发和制造成本及缩短产品开发周期有着一定的现实意义。

关键词：操纵稳定性;仿真试验;整车模型;ADAMS/Car

ABSTRCT

Vehicle handling and stability is to accept the driver when the car is moving and the ability to control the stability of driving direction capabilities. This paper is focused on the use of virtual prototype technology build actual vehicle dynamics model, the vehicle up based on the vehicle steering stability on the standard test control stability simulation

First, this paper summarizes the development stage and present status of vehicle handling stability。The thesis classifies the estimation methods from different aspects. Then; the key modules and the abstract foundation of ADAMS are introduced that will be used in the following chapters. These theories are the base of the subsequent model building and simulation analysis.

Second，to realize the virtual development of automobile products，a virtual car model was built for a certain domestic passenger car by the means of ADAMS，in which front and real suspensions，steering system，tires，road and the vehicle body are considered． Finally, configurations under typical working condition(steady static circular test, steering transient response test and pylon course slalom test)was performed．According to the National Evaluation Index and Evaluation Method on the Vehicle Handling and Stability, the relationship of parameters and evaluation index was discussed．

The whole research concentrated on the exploration and application of virtual prototyping technology．Through further study, the relation between evaluation index and vehicle structural parameters would be gained．Thus，vehicle dynamic characteristics can be improved and the safety of vehicle Can be enhanced．

KEY WORDS：Handling stability; Simulation trial; Vehicle model; ADAMS/Car

目 录

1 绪论 ....................................................... 1

1.1 汽车操纵稳定性研究的发展与现状 ................................. 1 1.2操纵稳定性的评价方法 ............................................ 2

1.2.1 开环和闭环评价 ........................................... 2 1.2.2 客观评价和主观评价 ....................................... 3 1.3 课题的意义和研究内容 ........................................... 4

2 动力学软件ADAMS的概述 ..................................... 5

2.1 ADAMS软件及其核心模块介绍 ...................................... 5 2.2 ADMAS软件的计算分析工作流程 .................................... 7 2.3 本章小结 ....................................................... 7

3 基于ADMAS/CAR整车虚拟模型的建立 ........................... 8

3.1整车虚拟样机模型建立 ............................................ 8

3.1.1悬架模型 .................................................. 9 3.1.2 转向系模型 .............................................. 10 3.1.3 轮胎模型 ................................................ 10 3.1.5 传动系和发动机模型的建立 ................................ 13 3.1.6 车身模型的建立 .......................................... 13 3.1.7 整车系统模型的建立 ...................................... 13 3.2 本章小结 ...................................................... 14

4 汽车操纵稳定性仿真分析 .................................... 15

4.1 汽车操纵稳定性概述 ............................................ 15 4.2 整车仿真试验 .................................................. 16

4.2.1 蛇行试验仿真分析 ........................................ 16 4.2.2 转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）仿真分析 .......... 20 4.2.3 转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）仿真分析 .......... 23 4.2.4 转向轻便性试验仿真分析 .................................. 28 4.2.5 操纵稳定性总体评价 ...................................... 33 4.3本章小结 ....................................................... 33

5 结论与展望 ................................................ 34

5.1 结论 .......................................................... 34 5.2 论文展望 ...................................................... 34

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2 动力学软件ADAMS的概述

2.1 ADAMS软件及其核心模块介绍

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，即机械系统动力学自动化分析软件包)是由美国机械动力公司开发的。由于该软件使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论的Langrage方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

ADAMS软件功能概述如下：

(1)可有效地分析三维机构的运动与力。例如可以利用ADAMS来模拟作用在轮胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩；还可应用ADAMS进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。

(2)利用ADAMS可模拟大位移的系统。ADAMS很容易处理这种模型的非线性方程，而且可进行线性近似。

(3)可分析运动学静定(对于非完整的约束或速度约束一般情况的零自由度)系统。

(4)对于一个或多个自由度机构，ADAMS可完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析。

(5)有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。

ADAMS提供了多种可选模块，核心软件包包括交互式图形环境ADAMS／VIEW和ADAMS／SOLVER(仿真求解器)，以及其他的扩展模块，如ADAMS／CAR，ADAMS／CONTROL，ADAMS／TIRE等模块。

ADAMS／VIEW是ADAMS系列产品的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图表操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x—Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS／VIEW采用简单的分层方式完成建模工作，提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力／力矩库，并且支持布尔运算，采用Para solid作为实体建模的内核，支持FORTRAN／77和FORTRAN／90中所有函数。

ADAMS／View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统)，提供了相对任意参考坐标系方便定位的功能，从而大大提高了快速建模能力。在ADAMS

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／View中，用户利用Table debtor，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据：同时还提供了Plot Browser和Function Builder工具包；具有DS(设计研究)、DOE(试验设计)、OPTIMIZE(优化)功能，可使用户方便地进行优化工作。

ADAMS／SOLVER是ADAMS软件的核心。它采用多刚体动力学理论中的Langrage方程的方法，自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS／SOLVER有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。ADAMS的计算程序应用了Gear的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术，大大提高了计算效率。ADAMS／SOLVER可以对刚体和弹性体进行仿真研究，为了进行有限元分析和控制研究，用户除了要求输出位移、速度、加速度和外力，还要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、随机运动、用户自己定义的子程序等添加不同的约束。

ADAMS／Post Processor(专用后处理模块)。MDI公司为提高ADAMS仿真结果的处理能力而开发的模块，主要用来输出高性能的动画和各种数据曲线，使用户可以方便而快捷地观察、研究ADAMS仿真结果。该模块既可以在ADAMS／View环境中运行，也可以脱离ADAMS环境独立运行。当该模块独立运行时，能提高软件的启动速度、减少内存消耗。该模块的主要特点如下：快速高质量的动画演示；功能丰富的数据作图、数据处理及文件输出；具有层次清晰的数据结构；多窗口画面显示；多视窗动画与曲线结果同步显示；丰富的后处理功能：曲线的加减乘除，偏置，缩放，FFT变换、滤波、波特图等：间隙研究。

ADAMS／Car(轿车模块)。ADAMS／Car是MDI公司与Audi，BMW，Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验，利用该模块，工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机(包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等)并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验工况下(例如天气、道路状况、驾驶员经验)整车动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是物理样机试验的几分之一。

ADAMS／car采用的用户化界面是根据汽车设计师的习惯而专门设计的，设计师不必经过任何专业培训，就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作。ADAMS／Car中包括整车动力学软件包(Vehicle Dynamics)，悬架设计软件包(Suspension Design)以及概念化悬架设计模块(CSM)。

ADAMS／Tire(轮胎模块)。ADAMS／Tire是研究轮胎／道路相互作用的建模可选模块包。利用该模块工程师可以更方便地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面不平而产生的力，进行装备不同轮胎的整车在各种路面条件下的多组道路试验。

利用该模块，可以计算轮胎为克服滚动阻力而受到的垂向、纵向和侧向载荷；仿

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真研究车辆在制动、转向、加速、滑行、滑移等大变形工况下的动力学特性；与ADAMS／Car模块结合，研究车辆的稳定性，计算汽车的偏转、俯仰和侧倾特性；其输出力和加速度数据可以作为有限元软件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研究。 ADAMs／Tire操纵稳定性轮胎模型可以应用于车辆动力学研究，该类轮胎模型有：荷兰TNO开发的Delft-Tire(Pacejka96)轮胎模型，应用荷兰Delft工业大学Pacejka教授提出的Magic Formula理论开发的Pacejka 89与Pacejka94轮胎模型，Fiala轮胎模型，UA模型，Smithers模型，此外可由用户自定义轮胎模型。

2.2 ADMAS软件的计算分析工作流程

利用ADAMS 软件中提供得零件库、约束库、力库等建模模块，按照所要分析的系统的物理参数建立起多刚体系统模型。ADAMS 软件进行运算时，首先读取原始的输入数据，在检查正确无误后,判断整个系统的自由度。如果系统的自由度为零，进行运动学分析。如果系统的自由度不为零,ADAMS软件通过分析初始条件，判定是进行动力学分析还是静力学分析。在确定了分析类型后，ADAMS 软件通过其功能强大的积分器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异（如位置锁死），则仿真成功。此时，可以通过人机交互界面再输入新的模拟结束时间，或者进行有关参数的测量及绘制曲线。如果在仿真过程中，出现雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异，则数值发散，ADAMS 软件显示为仿真失败，这需要检查系统模型（特别是运动机构的位置锁死点以及约束的类型），或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分程序中的控制参数等，直到得出正确的仿真结果。

ADAMS 软件从数据输入到数据输出的整个计算过程可以分为以下几个部分： 1. 数据的输入。 2. 数据的检查。

3. 机构的装配及过约束的消除 4. 运动方程的自动生成。 5. 积分迭代运算过程。

6. 运算过程中错误检查和信息输出。

7. 结果的输出。

2.3 本章小结

本章对应用于虚拟样机仿真分析的ADAMS 软件进行了概括性的介绍，包括其主要功能和各功能模块，建模仿真流程等。为后续的建模和仿真分析奠定了基础。

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3 基于ADMAS/CAR整车虚拟模型的建立

经过对目前的车辆动力学分析软件进行比较，选择了多体系统动力学软件ADAMS进行整车虚拟样机的建模仿真。其中多体系统动力学软件ADAMS的Car模块使用参数化建模，用户可根据需要调整车辆模型参数，便于性能优化：而且还包含具有一定智能性的驾驶员模型设置信息，在仿真分析中可以根据需要选择对应的驾驶员模型进行闭环系统的分析。

ADAMS／Car提供了两种运行模式：标准模式(Standard Interface)和模板建模器(Template Builder)。在标准模式下，用户可以根据汽车的构造来选择合适的模板，如悬架系统，轮胎系统，转向系统等；若没有合适的模板，可使用模板建模器根据汽车的具体结构来生成所需的模板。在建模过程中，ADAMS／Car的建模顺序是自下而上的(模板—子系统一整车)，模板是整个模型中最基本的模块。在建立模板阶段，正确建立零部件问的连接关系和信号器是至关重要的，这些数据在以后的子系统和总成阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过程中可以更改。模板建立以后，接下来是创建子系统，在子系统的级别上，可对已创建的零部件进行部分数据的修改。最后是建立分析总成，产品设计人员可根据实际需要，将不同的子系统组合成为完整的分析模型。为了对整车进行仿真分析，还需要设置试验装配(Test Rig)，试验装配的选择依赖仿真分析类型，如开环、闭环、准静态等。装配完整车后，就可利用求解器进行仿真分析了。根据分析的结果，使用后处理模块，可对其中的参数结果进行可视化分析，画出对应的变化曲线，得出系统的性能测试指标。

汽车是一个极其复杂的机械系统，如果按照车辆的真实构造进行建模，工作量非 常大，因此应根据研究目的简化模型，主要注意以下几种情况： 1.悬架零部件中除了弹性元件，其余元件全部看作刚体。 2.建立参数化模型，以便动态修改参数。 3.为了分析问题的方便将车身看作刚体。

4.由于减振器的结构过于复杂，应用ADAMS提供的Spring--Damper力元素，用它来模拟减振器和弹簧的作用，对实体建模进行了省略。

3.1 整车虚拟样机模型建立

本课题主要研究的是汽车操纵稳定性，所以在建模时对虚拟样机进行相应的抽象和简化。根据人一车—路闭环系统的组成建立了虚拟样机的前后悬架系统模型、转向系统模型、轮胎模型、路面模型、车身以及驾驶员模型。

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3.1.1悬架模型

悬架把车架(或车身)与车桥(或车轮)弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩，缓和由不平路面传递给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性，保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。 1.前悬架模型

以前桥驱动车辆为研究对象，前悬架采用滑柱连杆式独立悬架(即麦弗逊悬架)。悬架左右对称，经抽象简化后的结构如图3-1所示，主要由减振器、螺旋弹簧、横摆臂、转向节总成、轮轴、横向稳定杆等组成。横摆臂内端与副车架通过转动铰链连接，使其可以相对车身上下摆动；外端通过球铰链与转向节相连。减振器的下端通过圆柱铰链与转向节相连，使其相对转向节可以轴向转动和移动；另一端通过万向节铰链连接到车身上，可以相对车身做前后、左右的转动。麦弗逊式悬架的主要优点是结构简单、布置紧凑，车轮跳动时沿主销轴线移动，因此降低了汽车的重心，提高了汽车的行驶稳定性。

图3-1 前悬架模型

2.后悬架模型

车辆后桥是一种非驱动的半刚性轴，并采用复合式悬架，即半刚性后轴一纵臂式悬架。其结构比较简单，由双向筒式减振器、螺旋弹簧、后桥桥架组成，并通过悬架臂前端的橡胶金属支承和后减振器支承杆与车身相连。纵向悬架臂做为纵向推力杆，

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后桥横梁允许扭转变形，兼起横向稳定杆的作用。简化后的后悬架结构模型如图3-2所示。

图3-2后悬架模型

3.1.2 转向系模型

转向系是驾驶员操纵汽车行驶方向的执行机构。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。根据转向器机构，可以分为循环球—齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、齿轮齿条式和蜗杆曲柄指销式等。

根据参考车辆结构，建模中采用齿轮齿条式转向机构。转向系由方向盘、转向柱管、转向轴、转向横拉杆、转向齿轮和转向齿条等构成，如图3-3所示。方向盘与转向轴上端之间的连接为固定铰链，转向轴与车身之间的连接为转动铰链，转向轴上段和下段之问通过万向节连接，转向轴与转向齿条之间的连接为复合铰链，转向齿条通过移动副连接到车身上，可相对车身左右移动，转向横拉杆一端通过万向节铰与转向齿条连接，另一端通过球铰链与转向节总成连接。 3.1.3 轮胎模型

轮胎的影响对汽车的操纵稳定性至关重要，因为前后轮胎的侧偏刚度是影响汽车操纵稳定性的重要因素，前后轮胎侧偏刚度的匹配，直接决定稳定性因数的大小，即决定汽车是具有不足转向或中性转向、还是过度转向。因此，具有合适的轮胎模型是十分必要的。

在ADAMS/Tire 中，存在着五种用于动力学仿真计算的轮胎模型，即缺省的Fiala

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模型、UA（University of Arizona）模型、SMITHERS 模型、DELFT 模型和用户自定义模型。其中，Fiala 模型是Fiala 于1954 年由轮胎理论模型推导出来的无量纲解析式，该模型比较简单，但回正力矩误差较大，对于不包括联合滑动（纵向滑动和侧向滑动）情况的侧向力计算精度尚可。UA 模型是1988 年由Arizona 大学的Nikravesh 和Gim 等人研究开发的，其特点是各方向的力和力矩由耦合的侧偏角、滑移率，外倾角及垂直方向变形等参数显式表达，该模型考虑了纵向和侧向滑动的情况，比Fiala 模型提供了更准确的回正力矩；SMITHERS 模型使用来自Smithers Scientific Services 的数据计算侧向力和回正力矩，使用Fiala 模型计算其余的力和力矩，该模型计算精度较高。DELFT 模型又称Magic Formula模型，是世界上著名的轮胎模型，其函数表达式和数据格式与其他的轮胎模型不同，该模型所有的函数、公式只用正弦和余弦这两个三角函数来表达。前两种轮胎模型属于解析模型，后三种轮胎模型属于试验模型，ADAMS 中轮胎类型见表3-1。

图3-3 转向系模型

表3-1 ADAMS 轮胎类型 模型类型 轮胎类型 所需参数 基本轮胎特性 基本轮胎特性 用户设定 应用范围 操纵性分析，纯滑移 操纵性分析，复合滑移 解析模型 Fiala UA 用户自定义 试验模型 用户确定 Smithers Delft 轮胎试验获得的参数 操纵性分析，纯滑移 轮胎试验获得的参数 操纵性分析，复合滑移 11

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图3-4前后轮胎模型

本文采用的是UA 轮胎模型，如图3-4 所示，有关参数见表3-2

名称 UNLOADED_ RADIUS（车轮自由半径）（mm） WIDTH（轮胎断面宽）（mm） ASPECT_RATIO（扁平率） VERTICAL_ STIFFNESS（径向刚度）（N/mm） VERTICAL_DAMPING（径向阻尼系数） ROLLING_ RESISTANCE（滚动阻尼系数） CSLIP（纵向滑移刚度） CALPHA（侧偏角刚度）（N/rad） CGAMMA（外倾角刚度）（N/rad） UMIN（车轮纯滑动时的摩擦系数） UMAX（车轮无滑动时的摩擦系数） 表3-2 轮胎参数

参数 317 195 0.65 261.3 0.75 5.23 30000 46000 4000 0.75 0.94

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3.1.5 传动系和发动机模型的建立

进行操纵稳定性分析中，有些工况需要控制车速，包括加速、匀速行驶，为此

需要在整个仿真过程中，控制发动机输出的扭矩，以维持汽车以一定的车速行驶。本文模型为前轮驱动，加入了前置发动机模块。由于发动机模块及制动系模块仅仅用于控制车速，本文采用了ADAMS/CAR 数据库中内置的发动机及制动系模块；同时动力传递系统作进行相应简化，只考虑驱动半轴以后的动力传递，即驱动力矩直接加在驱动 半轴上。

3.1.6 车身模型的建立

由于在整个仿真过程中，不考虑空气动力学的因素，即忽略空气对车辆表面的作用，因此对车辆外形不作要求，作为一个物体来处理。虽然该模块简单，但是由于车身起到连接前后悬架、转向系等子系统的重要作用，因此建模时应注意车身与各个子系统之间正确的连接关系。这样才能保证整车仿真的顺利进行。 3.1.7 整车系统模型的建立

将上述各种子系统模型在ADAMS/Car 的Standard 界面下进行装配连接，装配按照整车的绝对坐标来进行，得到整车的仿真模型。此外，由于ADAMS/Car 是模块化的， 以上建立的整车模型，必须能够保证与测试台的连接，以达到让不同系统（悬架子系统或整车系统）可以应用试验台（test rig）的目的。因此，还要建立必要的装配部件（mount part）和合适的块间通讯（communicator）。整车模型如图3-5 所示。

图3-5 整车模型

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3.2 本章小结

本章首先介绍了ADAMS/Car 模块的相关知识，阐述了在ADAMS/Car 模块里建立整

车模型的思路。分别建立了前后悬架、转向系、前后轮胎以及车身等各个子系统模型，再通过建立或修改communicator（信号交换器）将各个子系统组装成整车模型，为后边的整车仿真分析工作做好准备。

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4 汽车操纵稳定性仿真分析

4.1汽车操纵稳定性概述

汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循

驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。操纵性是指车辆能够确切的响应驾驶员转向指令的能力，稳定性是指车辆在受到外界扰动（路面扰动或突然阵风扰动）影响后恢复原来运动状态的能力。稳定性好坏直接影响操纵性的好坏，因此统称操纵稳定性。

在操纵稳定性的研究中，汽车常被当作一个控制系统，通过求出曲线行驶时的时域响应和频率响应特性来表征汽车的操纵稳定性。汽车曲线行驶的时域响应系指汽车在方向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应。方向盘输入有两种形式：角位移输入和力矩输入。实际上，在驾驶车辆时,对方向盘的这两种输入是同时加入的。外界侧向干扰主要是指侧向风与路面不平产生地侧向力。

目前，各国采用的操纵稳定性试验评价方法，种类颇多，下面列举一些有代表性的、常见的试验评价方法 ：

1. 角阶跃输入试验

当汽车以恒定车速直线行驶时，突然将转向盘转过一定角度，使汽车进入转弯运动状态，同时记录汽车的运动状态——横摆角速度、重心侧偏角、车身侧倾角、侧向加速度等运动参数的变化过程。通常最主要的评价依据是横摆角速度的反应。 2. 角脉冲输入试验

它与角阶跃输入试验类似。不过，转向盘的角输入波形不是“阶跃”形的，而是“脉冲”形的。这种试验通常用来做频率特性分析。 3. 稳态圆周试验

固定转向盘转角，其大小视试验场地大小而定，一般希一望圆周尽可能大些，以减小测定误差。这种试验需要测定的运动参量主要是车速V（通常用五轮仪测定）和横摆角速度。

4.“回正性”试验

按美国ESV 规定，汽车作等速圆周行驶，稳定后突然撤开转向盘，测定横摆角

速度与重心侧偏角的变化过程。 5. 转向轻便性试验

汽车以一定车速沿双纽线行驶，待车速稳定后，测定转向盘转角和作用力矩。 6. “蛇行”试验

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汽车反复穿过按一定形式摆设的标杆，越快的穿过全程就说明汽车的蛇行穿杆能力越强。通常用穿越全程的时间作为评价指标。以不碰杆和不翻车作为能力的极限。根据实际表征汽车操纵稳定性能的需要，本文选用了国标规定的这六个操纵稳定性试验方法中的四个进行仿真分析。

4.2整车仿真试验

4.2.1 蛇行试验仿真分析

蛇行试验是评价汽车汽车的随动性、收敛性、方向操纵轻便性及事故可避免性

的典型试验，也是包括车辆——驾驶员——环境在内的一种闭环试验。其试验结果不但取决于车辆本身的特性，而且取决于驾驶员自身的特性和驾驶技术。本次仿真参照《国标GB/T6323.1-1994 汽车操纵稳定性试验方法蛇行试验》进行的, 标桩间距为30m。标杆区设置如图4-1 所示。

图4-1 蛇形试验标杆布置示意图

依据标准试验汽车基准车速为65km/h。首先汽车以近似32.5 km/h 的稳定车速

直线行驶，在进入试验区段之前，记录各测量变量的零线，然后蛇行通过试验路段，同时记录各测量变量的时间历程曲线及通过有效桩区的时间。然后提高车速，重复上述过程。

在ADAMS 软件仿真试验中对汽车的控制是通过驱动样机（Driving machine）实现的。驱动样机就像一个试验中的司机，它根据用户的指令来驱动虚拟样机，在ADAMS/Car 里，驱动样机这一特性是通过标准驾驶员接口（Standard Driver interface，SDI）来进行具体的驱动分析。与闭环控制有关的文件主要有： 1. 驾驶员控制文件（Driver Control File，*.dcf）

驾驶员控制文件（*.dcf）描述了车辆模型准备执行的一系列操作，如转向、制动、节气门开度、档位、离合等。在文件中可以设定车辆行驶的速度、轨迹、控制方式以及试验结束的条件（如行驶距离）等信息。其中控制方式有机器控制和驾驶员控制两种模式。

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2. 驾驶员控制数据文件（Driver Control Data File，*.dcd）

驾驶员控制数据文件（*. dcd）必须与驾驶员控制文件（*.dcf）配合使用，该文件包含了驾驶员控制文件所需的数据，如在*.dcf 中使用轨迹控制车辆的运动，那么*. dcd 文件的主要内容是设定车辆行驶轨迹的坐标数据。

根据国标试验方法的要求设置基准车速为65 km/h 相应的驾驶员控制文件；拟合蛇行运动的轨迹，设置相应坐标的驾驶员控制文件。

仿真后得到的质心运动轨迹见图4-2 所示。分别提取转向盘转角（见图4-3）、横摆角速度（见图4-4）、车身侧倾角（见图4-5）、侧向加速度（见图4-6）的图形。基准车速下的平均横摆角速度、平均转向盘转角、平均车身侧倾角及平均侧向加速度见表4-1。

图4-2 蛇行仿真质心运动轨迹

图4-3 蛇行仿真方向盘转角输入曲线

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图4-4 蛇行仿真横摆角速度响应曲

图4-5 蛇行仿真车身侧倾角曲线

图4-6 蛇行仿真侧向加速度曲线

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表4-1 蛇形仿真结果数据

参数 数值 标桩间距离L,m 30 65 基准车速v，km/h 平均转向盘转角θ，（°） 78.74 平均横摆角速度γ，（°）/s 16.43 平均车身侧倾角Φ,（°） 1.85 平均侧向加速度a ,m/ s2 5.25

表4-2 国标规定查询数据 指标 车型 M 轿车、客车和货车 最大总质量≤2.5t 客车和货车 2.5t<最大总质量≤6t 客车和货车 6t<最大总质量≤15t 客车和货车 最大总质量>15t 50.0 50 10.0 4.0 180.0 60.0 50 60 10.0 4.0 180.0 60.0 30 50 20.0 8.0 180.0 60.0 30 标桩间距 基准车速 km/h 65 γ60 γ100 （°）/s （°）/s （°） （°） 25.0 10.0 180.0 60.0

根据国标《QC/T 480—1999（汽车操纵稳定性指标限值与评价方法）》对此次蛇形仿真计分评价：

1.平均横摆角速度峰值 γ 的评价计分值

40N??60????60????83 (分)

?60??100 式中：γ60——平均横摆角速度峰值的下限值，取25.0°/s，见表4-2。

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γ100——平均横摆角速度峰值的上限值，取10.0°/s，见表4-2。 γ——基准车速下，平均横摆角速度峰值的试验值16.43°/s。 2.平均转向盘转角峰值 θ 的评价计分值

40 N??60????60????94(分)

?60??100 式中：?60——平均转向盘转角峰值的下限值，取180.0°，见表4-2。 ?100——平均转向盘转角峰值的上限值，取60.0°，见表4-2。 θ——基准车速下，平均转向盘转角峰值的试验值78.74°。 3.蛇行试验的综合评价计分值 2NY?N??86.7 (分) NS?3从以上分析结果可以看出，车身侧倾角和横摆角速度的变化幅度比较小，该车具有较好的抗侧倾能力。据国标其计分值为86.7 分，表明此车的蛇行试验仿真符合国标要求。

4.2.2 转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）仿真分析

瞬态转向特性是指汽车在受到外界扰动下，达到稳态状态前表现出来的的特性。

瞬态转向特性汽车最重要的性能之一，它不仅表征了汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是评价汽车高速行驶安全性的一个重要指标。

本项试验测定从转向盘转角阶跃输入开始，到所测变量达到新稳态值为止，这一段时间内汽车的瞬态响应过程，与其他瞬态响应试验一起，共同评价汽车的动态特性。适用于轿车、客车、货车及越野汽车车型。根据国标《GB/T6323.2-1994 汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）》，试验时测量的变量有：汽车前进速度、转向盘转角、横摆角速度、侧向加速度、车身侧倾角和汽车质心侧偏角。汽车转向盘自由行程在直线行驶时不大于±10°，必要时应进行调整。试验车速接试验车最高车速的70%并四舍五入为10的整数倍确定。模型车最高车速为170km/h，按照试验要求取整得到试验车速120km/h。试验前，在停车状态下记录车速零线，然后，汽车以试验车速直线行驶，先按输入方向轻轻靠紧转向盘，消除转向盘自由行程并开始记录各测量变量的零线，经过0.2~0.55s，以尽快的速度（阶跃时间不大于0.2s 或阶跃速度不低于200°/s）转动转向盘，使其达到预先选好的位置，并固定转向盘数秒钟，同时保持车速不变，待所测变量过渡到新稳态值，停止记录。试验中转向盘

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预选位置（输入角）按稳态侧向加速度值2m/s2确定。试验应向右转与向左转两个方向进行，可以两个方向交替进行，也可以先连续地进行一个方向的试验，然后再进行另一个方向的试验。在仿真中，由于模型的对称性，只做左转向的试验。

仿真后得到的质心运动轨迹见图4-7 所示。分别提取转向盘转角（见图4-8）、横摆角速度（见图4-9）、侧向加速度（见图4-10）的图形。按国标规定计算各测量值得到表4-3。

图4-7 瞬态转向仿真质心运动轨迹

图4-8 瞬态转向仿真转角输入曲线

根据国标《QC/T 480—1999（汽车操纵稳定性指标限值与评价方法）》，对此次转向盘转角阶跃输入仿真试验计分评价：

汽车横摆角速度响应时间的评价计分值

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NJ?60?40??T60?T??97.1（分）

T60?T100 式中：T60——汽车横摆角速度响应时间的下限值，取0.2s，见表4-4。 T100——汽车横摆角速度响应时间的上限值，取0.06s，见表4-4。 0.07s。

T——侧向加速度为2m/s2时，汽车横摆角速度响应时间的试验值，

图4-9 瞬态转向仿真横摆角速度响应曲线

图4-10 瞬态转向仿真侧向加速度的时间响应曲线

从上述各图可以看出系统响应在经2 秒钟左右后趋于稳定，说明该车具有较好的瞬态响应特性。

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表4-3 瞬态转向仿真结果数据

参数 横摆角速度响应时间tr, s 横摆角速度峰值响应时间trp, s 横摆角速度超调量б，100% 侧向加速度响应时间tay , s

表4-4 国标规定查询数据

指 标 T60 轿车，最高车速>120km/h 轿车，最高车速≤120km/h 客车和货车,最大总质量≤2.5t 客车和货车 2.5t<最大总质量≤6t 0.40 0.20 0.30 车 型 T100 0.06 0.10 0.15 数值 0.07 0.2 53% 0.2 从以上分析结果可以看出，高速时响应比较迅速，出现了瞬态超调，在速度为120km/h 侧向加速度为2m/s2时可得出反应时间为0.07 秒，反应时间较短，横摆角速度很快趋于稳定值，说明其瞬态横摆响应特性较好，对转向反应较快。近代轿车的超调量一般为112%——165%，可见该车的超调量符合标准。转向盘转角阶跃输入试验计分值是97.1 分，符合国标要求。

4.2.3 转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）仿真分析

角脉冲试验与角阶跃试验类似，不过，转向盘的角输入波形不是“阶跃”型的，而是“脉冲”型的。这种试验通常用来作频率特性分析。在时间域内的评价可以用自然频率、衰减率（阻尼）或过渡过程时间和“脉冲反应时间”（输入最大点与输出最大点的时间间隔）来说明。

转向盘角脉冲输入试验方法是研究汽车瞬态响应特性的一种重要试验方法，尤其是研究汽车频率响应特性的一种简便试验方法。国标GB/T6323.3-94 对试验做出了许

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多规定。让汽车以最高车速的70%直线行驶，然后给方向盘一个三角脉冲转角输入，并迅速转回原处保持不动。同时记录汽车的横摆角速度、车身侧倾角、侧向加速度等值。汽车以试验车速行驶。然后给转向盘一个三角脉冲，试验时向左（或向右）转动转向盘，并迅速转回原处（允许及时修正）保持不动，记录全过程，直至汽车回复到直线行驶位置。转向盘转角输入脉宽为0.3～0.5s，其最大转角应使本试验过渡过程中最大侧向加速度为4m/s2。转动转向盘应尽量使其转角的超调量达到最小。试验过程中，保持油门开度不变。

仿真后得到的质心运动轨迹见图4-11 所示。分别提取转向盘转角（见图4-12）、仿真车速（见图4-13）、横摆角速度（见图4-14）、幅频特性图（见图4-15）、相频特性图（见图4-16）、侧向加速度（见图4-17）的图形。按国标规定计算各测量值得到表4-5。

图4-11 转向盘角脉冲输入仿真质心运动轨迹

图4-12 转向盘角脉冲输入仿真转角输入曲线

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图4-13 转向盘角脉冲输入仿真试验汽车行驶车速曲线

图4-14 转向盘角脉冲输入仿真横摆角速度响应曲线

图4-15 转向盘角脉冲输入仿真幅频特性图

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图4-16 转向盘角脉冲输入仿真相频特性图

图4-17 转向盘角脉冲输入仿真侧向加速度的时间响应曲线

根据国标《QC/T 480—1999（汽车操纵稳定性指标限值与评价方法）》，对此次转向盘角脉冲输入仿真试验计分评价：

1. 振频率f 的评价记分值

Nf?60??fp?f60?64.1(分) 式中：f100——谐振频率的上限值，取1.30Hz，见表4-6。 f60——谐振频率的下限值，取0.70 Hz，见表4-6 。

40f100?f60??fp—— 幅频特性谐振峰对应的频率，0.7617Hz。

2.振峰水平D 的评价计分值

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40 N?60???D60?D??107.3?100DD?D60100 (分)

ND大于100 分，按100 分计。

式中：D60——谐振峰水平的评价计分值，取5.00 dB，见表4-6。 D100——谐振水平的上限值，取2.00 dB，见表4-6。

D——谐振水平的试验值，1.45dB。

表4-5 转向盘角脉冲输入仿真结果数据 参数 谐振频率fP ，Hz , 相位滞后角α，（°） 谐振峰水平D 数值 0.7617 53.2851 1.45

表4-6 国标规定查询数据

车 型 轿车 客车和货车最大总质量≤2.5t 客车和货车2.5t<最大总质量≤6t 客车和货车 6t≤最大总质量<15t 客车和货车 最大总质量>15t 0.30 0.50 5.00 2.00 100.0 60.0 0.40 0.60 5.00 2.00 80.0 30.0 按输入频率为0.5Hz 处的α 值计算 0.50 0.80 5.00 2.00 120.0 60.01 指 标 f60 Hz 0.70 0.6 f100 Hz 1.30 1.00 D60 dB 5.00 5.00 D100 dB 2.00 2.00 ?60 （°） 60.0 80.0 ?100 （°） 20.0 40.0 备 注 按输入频率为1Hz 处的α 值计算 27

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3.滞后角α 的评价计分值

40 N??60????60????73.4(分) ?60??100

式中:α60——相位滞后角的下限值，取60°，见表4-6。 α100——相位滞后角的上限值，取40°，见表4-6。 4. 转向盘转角脉冲输入试验的综合评价计分值 α——在响应频率下相位滞后角的试验值，53.2851°。

Nm?Nf?Np?N??79.23(分)

从以上分析结果可以看出，仿真车辆在受到外界扰动下，能迅速达到稳态状态，有较好的抗干扰能力。同时，幅频特性曲线较平，共振频率点适中，在不同工况下失真度较小，都有满意的操纵性能。最终评分79.2 分。符合国标要求。 4.2.4 转向轻便性试验仿真分析

驾驶员通过方向盘控制汽车的行驶方向，如果驾驶员操纵方向盘感到过重，便不

能敏捷地转动方向盘，并且会因为劳动强度大而容易疲劳；如果驾驶员操纵方向盘感到过轻，会感觉“发飘”而失去“路感”，难于控制方向。因此操纵方向盘应当有个适宜的轻重感觉，这是一辆操纵稳定性良好的汽车必备的条件之一。转向操纵轻便性，是指汽车驾驶时操纵转向盘转动的轻便程度。一般是用转弯时施加于转向盘外缘的切向力来衡量。如这个切向力小，就是转向轻便。否则，就是转向沉重。转向沉重的汽车往往容易使驾驶员疲劳，或使汽车操纵失控，从而导致交通事故的发生。其试验结果不但取决于车辆本身的特性，而且取决于驾驶员自身的特性和驾驶技术。本次仿真是参照《国标GB/T6323.5-1994汽车操纵稳定性试验方法转向轻便性试验》进行的。 试验汽车从双扭线中点处的切线方向做直线滑行，并停车后注意观察车轮是否处于直线位置，否则应转动转向盘进行调整。然后双手松开转向盘，记录转向盘中间位置和作用力力矩的零线。试验时，驾驶员操纵转向盘，使汽车以（10 士2）km/h 的车速沿双纽线路径行驶，待车速稳定后，开始记录转向盘转角和作用力矩，并记录行驶车速为监督参数。汽车沿双纽线绕行一周至记录起始位置，即完成一次试验，行驶路径如图4-18 所示。 双纽线轨迹的极坐标方程为：

l?dcos2?28

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图4-18 转向轻便性仿真汽车行驶路径

轨迹任意点的曲率半径R 为：

R?d3cos2?

当φ=0 时，双纽线顶点的曲率半径为最小值，即：

Rmin?

d3 双纽线的曲率半径按试验汽车前外轮的最小转弯半径乘以1.1 倍，由转向特性得到最小转弯半径为5.75m, R min =1.1 3 5.75m=6.325m，由上面公式计算得d=18.975m，由次得到本次试验双纽线的极坐标方程为：

根据国标试验方法的要求设置基准车速为10 km/h 相应的驾驶员控制文件；拟

R?18.9753cos2?l?18.975cos2?合双纽线的轨迹，设置相应坐标的驾驶员控制文件。

仿真后得到的质心运动轨迹见图4-19 所示。分别提取汽车行驶车速（见图4-20）、转向盘转角（见图4-21）、转向盘作用力矩曲线（见图4-22）、转向盘作用力曲线（见图4-23）的图形。仿真结果数据见表4-7。

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但仍不能完全取代实际的车辆道路试验，仿真试验分析的结果还需要进一步的实车试验来验证。

2. 对于汽车的性能的仿真试验，应该通过实车试验来验证，从而修改仿真模型，使仿真模型能够真正应用到汽车的开发研究中。

3. 依据本文所建的虚拟样机模型，进行完善。可以在ADAMS／CAR基础上二次开发集评价整车动力性、制动性、操纵稳定性及平顺性于一体的自动仿真系统。从而精确地重复试验条件下的各种典型工况，减少实车试验。

汽车操纵稳定性研究是一项长期、复杂、艰巨而细致的工作，本文的研究工作仅仅是基于ADAMS对操纵稳定性进行的探索性研究。随着研究的不断深入和实验条件的改善，汽车仿真试验分析将在汽车的设计分析发挥越来越重要的作用。

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参考文献

[1] 伊鸿慧,许沧粟.车辆操纵稳定性评价方法及其在车辆基本结构参数设计中的应用.机械设计与制造,2006

[2] 原田宏.回顾汽车操纵稳定性研究——关于汽车操纵稳定性定量评价的探讨.自动车技术. 1995

[3] 郭孔辉.人——车——路闭环操纵系统主动安全性的综合评价与优化设计.汽车技术， 1993

[4] 董华林.基于虚拟样机技术的汽车仿真研究[硕士学位论文].上海：同济大学.2004

[5] 陈立平等.机械系统动力学分析及ADAMS 应用教程.北京：清华大学出版社，2005.

[6] 李军等.ADAMS 实例教程.北京：北京理工大学出版社,2002

[7] 王国强.虚拟样机技术及其在ADAMS 上的实践.西安：西北工业大学出版社,2002.

[8] Using ADAMS/Car ,Mechanical Dynamics ,Inc. ,2002

[9] 郑建荣.ADAMS 虚拟样机技术入门与提高. 北京：机械工业出版社，2002. [10] 余志生.汽车理论（第3 版）.北京：机械工业出版社，2003

[11] 郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.1-1994，汽车操纵稳定性试验方法 蛇行试验.北京：中国标准出版社，1994

[12] 郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.2-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）.北京：中国标准出版社，1994

[13] 郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.3-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）.北京：中国标准出版社，1994

[14] 郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.4-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向回正性能试验.北京：中国标准出版社，1994

[15] 郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.5-1994，汽车操纵稳定性试验方法 转向轻便性试验.北京：中国标准出版社，1994

[16] 郭孔辉，王德宝.GB/T 6323.6-1994，汽车操纵稳定性试验方法 稳态回转试验.北京：中国标准出版社，1994

[17] 郭孔辉，王德宝，伦景光，何炳炎.QC/T 480-1999，汽车操纵稳定性指标限值与评价方法.北京：中国标准出版社，1999

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致 谢

首先感谢导师张玉书讲师，本文是在导师的悉心指导下完成的。在学习和论文

完成期间，导师渊博的理论知识和敏捷的思维，严谨求实、刻意创新的治学精神，工作踏实、对事业无私奉献的作风，使我受益匪浅。在此向于老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！

感谢本科班主任李健老师，本科五年李老师对我们汽修0613班倾注了巨大的精力和心血，感谢他一直以来对我的帮助和教诲！

感谢我的同窗谢博、腾飞、夏冬强、谭培峰、姜东等对我的帮助和支持，和你们在一起的美好时光必将成为我一生中的珍贵回忆。

感谢本文参考文献的所有作者，他们的研究成果和心得为论文研究的顺利进行提供了很好的资料参考。

感谢我的家人，他们一直都是我的坚强后盾，正是他们在精神上的鼓励和物质上的支持，才使我顺利走过小学、中学、大学阶段的学习。亲情的鼓励和激励是促使我不断前进的动力和源泉。

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