潘勁松

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)的整車動(dòng)力學(xué)模型未能完全反映汽車縱向運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)與垂向運(yùn)動(dòng)間的相互關(guān)聯(lián)影響，采用Newton-Euler方法，建立一個(gè)14-DOF整車非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型，并利用Matlab/simulink仿真平臺(tái)對(duì)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，14-DOF整車非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型能較好地反映汽車底盤在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架等子系統(tǒng)之間相互影響關(guān)系.

關(guān)鍵詞 非線性；耦合；動(dòng)力學(xué)；仿真；Newton-Euler方法

中圖分類號(hào) U462.3；O29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2537（2014）06-0047-06

Abstract To overcome the ineffectiveness of the traditional vehicle dynamical model in reflecting the interaction between the vehicle longitudinal movement， lateral movement and vertical movement， a 14-DOF vehicle nonlinear coupling dynamical model was established by using the Newton-Euler method， whose validity was verified by using Matlab/simulink simulation platform. The results show that the establishment of the 14-DOF vehicle nonlinear coupling dynamical model better reflects the interaltion between the chassis braking， steering and suspension subsystems.

Key words nonlinear； dynamics； coupling； simulation； Newton-Euler method

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車性能的要求越來(lái)越高，汽車懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)的各種動(dòng)力學(xué)模型[1-3]及子系統(tǒng)控制技術(shù)[4-6]的研究取得長(zhǎng)足的進(jìn)展.為改善汽車動(dòng)力性能，改善各個(gè)單獨(dú)子系統(tǒng)之間的相互影響，本文采用Newton-Euler方法，建立了一個(gè)14-DOF整車非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型.14-DOF整車非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型相對(duì)于其他模型具有較完備和仿真精確度較高的特點(diǎn)，還具有明顯的物理概念和良好的開(kāi)放性，層次清楚，且可以與隨后的集成控制系統(tǒng)的各種模型相結(jié)合，能較全面分析底盤的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架等子系統(tǒng)間的藕合機(jī)理、懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量的非線性耦合運(yùn)動(dòng)關(guān)系及子系統(tǒng)間的耦合影響.

1 整車模型的建立

為便于推導(dǎo)，建立的14-DOF整車系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示，包含兩部分：懸掛質(zhì)量部分和非懸掛質(zhì)量部分.定義兩個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系：①整車車坐標(biāo)系（xc，yc，zc），汽車質(zhì)心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，平面xcyc平行地面，軸zc垂直于平面xcyc，整車左右兩側(cè)對(duì)稱；②懸掛質(zhì)量坐標(biāo)系（xs，ys，zs），懸掛質(zhì)量中心為坐標(biāo)原點(diǎn).

整車行駛平順性主要受到懸架本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和汽車在行駛過(guò)程中制動(dòng)與轉(zhuǎn)向等因素影響，而懸架系統(tǒng)的主要性能參數(shù)包括車身質(zhì)心的垂直加速度、懸架動(dòng)撓度、輪胎動(dòng)載荷以及車身俯仰角和側(cè)傾角等指標(biāo).為此，根據(jù)QC/T582-1999和GB/T6323.2-94進(jìn)行了整車行駛平順性在2種工況下的仿真.

1） 汽車初始速度為70 km/h時(shí)，在最大管路壓力下進(jìn)行緊急制動(dòng)，分別得到制動(dòng)情況下輪胎的垂直載荷變化曲線（圖3）、車身俯仰角變化曲線（圖4）和汽車質(zhì)心垂向加速度變化曲線（圖5）.

圖3中，汽車制動(dòng)時(shí)輪胎的垂直載荷變化曲線表明前輪垂直載荷增加、后輪垂直載荷減小.圖4中，汽車俯仰角曲線變化表明在制動(dòng)過(guò)程中車身的俯仰角增大，說(shuō)明汽車在緊急制動(dòng)情況下，制動(dòng)加速度導(dǎo)致前、后軸的載荷轉(zhuǎn)移和車身姿態(tài)發(fā)生了較大變化.圖5中，車身質(zhì)心垂向加速度曲線變化表明，緊急制動(dòng)情況下使得汽車質(zhì)心垂向加速增加.這表明緊急制動(dòng)會(huì)極大地影響汽車的行駛平順性.

圖6中，由汽車的制動(dòng)距離變化曲線可見(jiàn)，考慮縱向與垂向運(yùn)動(dòng)耦合影響因素的比沒(méi)有考慮縱向與垂向運(yùn)動(dòng)耦合的動(dòng)力學(xué)模型，汽車在制動(dòng)距離有所減小，原因是汽車制動(dòng)時(shí)由汽車懸架減振器消減了汽車的振動(dòng)，表現(xiàn)為把汽車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了熱能.

2） 汽車初始速度為50 km/h時(shí)，設(shè)仿真時(shí)間5 s，對(duì)方向盤施加一個(gè)三角脈沖轉(zhuǎn)角進(jìn)行轉(zhuǎn)向，分別得到轉(zhuǎn)向情況下輪胎的垂直載荷變化曲線（圖7）、汽車側(cè)向加速度變化曲線（圖8）和車身側(cè)傾角變化曲線（圖9）.

圖7中，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的垂直載荷發(fā)生了側(cè)向轉(zhuǎn)移，雖然縱向力的總和基本沒(méi)變，但轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)輪胎垂直載荷減小，同時(shí)轉(zhuǎn)向外側(cè)垂直載荷增加.由于作用于輪胎的縱向力與側(cè)向力彼此耦合，作用于輪胎的側(cè)向力增加的同時(shí)導(dǎo)致其縱向力減小，轉(zhuǎn)向制動(dòng)情況比單純制動(dòng)情況的制動(dòng)距離有所增加.圖8中，轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎轉(zhuǎn)向角峰值增加時(shí)，汽車的車身側(cè)傾角也在變大，導(dǎo)致車身姿態(tài)發(fā)生變化.圖9中，轉(zhuǎn)向角增加時(shí)，汽車側(cè)向的加速度也在變大，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致輪胎發(fā)生側(cè)滑.這都表明汽車行駛平順性在不斷惡化，影響了汽車的行駛安全性.

3 結(jié)論

基于Newton-Euler方法建立的14-DOF整車非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型能較好地反映縱向、側(cè)向和垂向運(yùn)動(dòng)相互的影響，通過(guò)在Matlab/simulink平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，建立的動(dòng)力學(xué)模型能較好地反映底盤的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架等子系統(tǒng)之間的相互影響關(guān)系.

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（編輯 陳笑梅）