汽车动力学论文

西华大学交通与汽车工程学院

车辆操纵动力学的研究及其状况

摘要：车辆操纵动力学的研究，首先要研究的问题是具有怎样运动规律和行驶性能的汽车容易为不同的人所驾驶；其次要研究优化设计方法来提高汽车的操纵动力学特性

[8]

。传统的研究方法主要采用实车试验法，耗费巨大成本，而且有些试验难以进行；以

计算机仿真技术为手段来研究汽车的操纵稳定性成为必要和可能[2]；在研究方法上采用虚拟试验技术，汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。 1、车辆操纵动力学的研究

1.1 车辆操纵动力学的基本概念

汽车的操纵稳定性指的是驾驶者在不感到过分紧张、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,汽车能抵抗而保持稳定行驶的能力。

汽车操纵稳定性的影响因素主要有重心位置、车轮侧偏刚度、转向系刚度、转向系传动比、后轴侧倾转向系数及整车绕垂直轴的转动惯量等。

汽车操纵稳定性是汽车本身的固有特性,完全取决于汽车的机构和参数。假定对汽车输入一个操纵动作,汽车对应的输出一个响应,这样的开环系统直接体现出汽车的操纵稳定性。但在评价汽车操纵稳定性时,是通过人的操纵来实现的,因此应该把人- 汽车系统作为整体研究对象,形成一个闭环系统。 汽车操纵稳定性是通过试验来定性测定和评价的,在人- 汽车系统中,有人的操纵和感觉,也有汽车操纵稳定性的体现。因此,汽车操纵稳定性的评价方法有客观评价和主观评价[7]。

客观评价是通过试验测量与操纵稳定性相关的物理量,然后与相应的标准进行比较而进行的评价,主要包括ESV(实验安全车) 和ISO(国际标准化) 2种评价方法。

在进行汽车操纵稳定性试验时,汽车是由人来控制的,所以对汽车的可操纵性能来说,人是有比较直接的主观感觉的。这种可操纵性是人为感觉,这种感觉与操纵项目、环境条件及操控者的生理、心理和行业特性等因素有关。 1.2 车辆操纵稳定性的研究

1.2.1 基于“汽车—驾驶员—环境(道路) 闭环系统”的汽车操纵稳定性研究 20 世纪60 年代以前, 汽车操纵稳定性的研究主要以开环研究为主, 所谓开环研究就是把汽车作为一个开环控制系统, 求出汽车行驶时的时域响应和频率响应特性, 对

西华大学交通与汽车工程学院

系统进行稳态和瞬态分析,用横摆角速度频率响应特性、方向盘角阶跃输入下的稳态响应、方向盘角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过度转向特性等等来表征汽车的特性[3]。

1.2.2基于模糊神经理论的汽车操纵稳定性的研究

模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础之上的,模糊控制与传统的控制有着本质的区别,它不象经典控制那样需要精确数字所描述的传递函数,也不象现代控制理论那样需要用矩阵来表示的状态方程。模糊控制的核心是在于它用具有模糊性的语言条件语句,作为控制规则去执行控制,而控制规则往往是由对被控制过程十分熟悉的专门人员给出的, 所以模糊控制本质上是一种专家控制,这种控制充分反映了人类的智能活动。神经网络和模糊理论结合起来, 产生了新的学科即模糊神经网络学科或称为模糊神经技术。用神经网络解决问题时, 在知识的推理上还存在着相当大的困难,而在知识的获取方面,模糊技术也显得软弱。把神经网络和模糊技术结合起来,就能互相弥补它们的不足, 使得知识的获取和加工成为一种较为容易实现的事情。 1.2.4基于虚拟试验技术的汽车操纵稳定性研究

虚拟试验技术是一种先进的以高性能计算机系统为支撑平台的计算机仿真技术, 是随着计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、并行技术、传感器技术等一系列技术的迅速发展而在上一世纪90年代发展起来的新技术。进行虚拟试验需要解决两个问题: 一是根据研究对象的总体或某一部件的设计信息建立其能符合相应物理实验要求的“虚拟原型”或者数学模型; 二是要根据物理实验条件建立起相应的“虚拟试验环境”。对汽车操纵稳定性虚拟试验,需要建立汽车——驾驶员——环境的数学模型和建立虚拟试验场的虚拟试验场景[5]。 1.3 车辆操纵稳定性的研究意义

汽车操作稳定性的研究是汽车智能交通系统、汽车主动安全技术、汽车自动驾驶和

车辆巡航技术的基础工作。汽车的操纵稳定性不仅影响汽车的操纵性能,而且关系到汽车行驶( 特别是高速行驶)的安全性问题,因此,汽车的操纵稳定性的研究工作日益受到重视，对提高和改善车辆的性能有着及其重要的意义。

2、车辆操纵转向动力学的研究状况

2.1汽车操纵转向动力学的研究现状

最近几十年，国内外对汽车操纵动力学做了大量研究。国内主要集中在长春汽车研究所、清华大学、吉林大学等单位。国外主要集中在美国、日本和欧洲等汽车工业发达

共5页 第 2页

西华大学交通与汽车工程学院

的国家和地区。

计算机技术和信息技术为代表的高新技术的发展不断改变着人们的行为和思维模式。虚拟现实技术、人工神经网络、模糊控制等新思想新技术的提出, 为研究者站在一个新的高度研究汽车操纵稳定性提供了可能, 汽车操纵稳定性的研究从单一的汽车本身的特性研究到汽车—驾驶员—环境闭环系统的研究,人工神经网络、模糊控制理论和模糊神经等新思想、新理论也应用到汽车操纵稳定性的研究中, 在研究方法上采用虚拟试验技术。

2.2 目前研究状况的不足之处

尽管国内外研究者做了大量理论与应用研究，目前汽车操纵逆动力学的应用仍存在许多问题。频域法虽可以用于稳态响应情况，但应用于瞬态响应情况有较大局限性。时域法尚不完善，因其对汽车运动的边界条件和初值条件比较敏感，求解精度不甚理想，而且稳定性、鲁棒性均有待提高。在求解精度方而，模态参数的确定和高阶模态截断会带来模型或计算误差。如果幂级数的收敛性、稳定性差，则级数展开法具有明显的缺点。源于控制理论的逆系统的正问题解法，则由于逆系统存在的条件较苛刻，应用受到极大的限制。因为逆问题求解过程呈现着强烈的非线性，本身十分复杂，再加入汽车非线性将使难度大幅度增加。目前的汽车操纵逆动力学的研究对象仍停留在以线性系统为主的水平上，这与工程实际中的需要相差较远。另外，汽车操纵逆动力学问题的实验验证也是急需解决的问题[1]。

动力转向系统不仅较好地解决了转向轻便和转向灵敏的矛盾，还能提高行驶安全性和舒适性，呈现出汽车的一大发展趋势，比较成熟的是液压动力转向系统，但该系统无论是否转向都需要消耗一定的能量，电动液压助力转向系统已经在部分车上采用，但液压装置的固有缺陷仍不能根除[4]。 3.2 未来的研究趋势

汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展，它己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。

汽车操纵逆动力学的研究，将会解决虚拟样车设计阶段中汽车行驶安全性、汽车最佳行驶性能的动态仿真与控制等关键问题[6]，为汽车操纵动力学优化设计和汽车/赛车运动员训练提供理论指导。今后一个时期，可以从方向盘力输入下汽车操纵逆动力学的研

共5页 第 3页

西华大学交通与汽车工程学院

究和计算智能在汽车操纵逆动力学上的应用研究进行尝试，以期解决“最速问题”中汽车的可操纵性问题中驾驶员的负担与速度的综合评价问题、用汽车操纵逆动力学的结果来识别闭环方法中驾驶员模型参数问题、驾驶员的生理极限实验验证问题等。

4、总结

随着社会的不断发展进步和人们生活水平的不断提高，自20世纪80年代以来，国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对操纵稳定性、转向灵敏性的要求越来越高。然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载衙的作用复杂多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。基于传统的解决方法，需经过反复的样车试制、道路模拟试验和整车性能试验，如此，不仅需花费大量的人力、物力、财力和漫长的时间，而且有些试验由于存在危险性而难以进行。现有的研究方法可以归结为开环方法和闭环方法。汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。继电子技术在发动机、变速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，EPS在轿车和轻型汽车领域正逐步取代传统液压助力转向系统并向更大型轿车和商用客车方向发展，它己成为世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，具有广泛的应用前景。

共5页 第 4页

西华大学交通与汽车工程学院

参考文献

[1]赵又群,尹浩等.汽车操纵逆动力学的现状与发展[J].中国机械工程,2005,6(1):77-82．

[2]彭鹏峰.汽车操纵稳定性虚拟仿真研究[D],长安大学硕士学位论文,2008.05. [3]杨昌明,高举成,张兆合.汽车稳态转向动力学分析及稳态响应特性判别[J].动力学与控制学报,2010,8(2):188-192．

[4]逯海燕.汽车电动助力转向系统动力学分析[D],重庆交通大学硕士学位论文,2010.04.

[5]龙建云.虚拟仿真技术在汽车操纵动力学设计中的应用[D],江苏大学硕士学位论文,2009.06.

[6] 张代胜,陈朝阳,张树强. 汽车操纵稳定性的仿真[J].农业机械报,2005,36（11）:12-16．

[7] 郭宽友. 汽车操纵稳定性的影响因素及评价方法研究[J], 重庆工学院学报(自然科学版),2007，21（7）:53—56.

[8]董志然.汽车操纵稳定性优化控制技术的研究[D],河北工业大学硕士学位论文,2008.05.

共5页 第 5页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/motg.html