汽车操纵稳定性的仿真分析研究

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Abstract
Vehicle handing stability not only affects the control convenience of vehicles, but also is a key capacity which determines the high-speed vehicle safety. Based on the experiment technology of vehicle handing stability， this paper do some research about the vehicle handing stability experiment standard, experiment data processing, analyses methods and evaluation guidelines. The development of the computer performance and virtual prototype simulation technology has already provided basic conditions for the further research of the vehicle performance. So this paper creates a whole-vehicle virtual prototype model with 88 degrees of freedom in the advanced mechanical simulation software ADAMS, and performs a whole-vehicle dynamic simulation of vehicle handing stability. Through comparing the experiment results, the rationality and accuracy of the virtual prototype can be proved. All research work center on the virtual design and virtual analyses of vehicle products, basically realizes the simulation analyses of the four experiments about vehicle handling stability. By doing some primitive research about the complete experiment standards and evaluation methods of the whole-vehicle handling stability in the virtual environment experiment platform, they all have practical value for accumulating some data and
1.3 虚拟样机技术在汽车行业应用的现状及论文课题的提出
大约在 20 世纪 90 年代初期，国外就开始了虚拟样机的大规模研制工作 。目前， 国际上对虚拟样机的研究已日趋成熟，西方发达国家在概念研究、工程应用方面已取得 很多成果，商品化软件正逐渐在工程实践中得以推广，其中美国处于前沿的位置。较有 影响的软件有美国机械动力公司 （Mechanical Dynamics Inc.） 于 1977 年开发的机械系统 动力学仿真分析软件 ADAMS ； NASTRAN、 ANSYS 等有限元 （FEA） 软件； Engineous 公司的 iSIGHT 等用于多科学设计优化技术的软件。这些软件为虚拟样机技术的应用提 供了技术途径。 我国的虚拟样机技术的研究也正蓬勃地发展。清华大学、北京航空航天大学、国防
华中科技大学 硕士学位论文 汽车操纵稳定性的仿真分析研究 姓名：李白娜 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：杨车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度， 而且也是决定高速汽车安 全行驶的一个主要性能。本文在分析国内外现有汽车操纵稳定性试验技术的基础上，深 入研究了汽车操纵稳定性试验标准、试验数据的处理和分析方法及评价指标。 计算机性能的飞速提高和虚拟样机仿真技术的迅速发展， 为汽车性能的深入研究提 供了必要的条件。本文以多体系统动力学的理论方法为基础，在先进的机械系统仿真软 件 ADAMS 平台下建立了八十八自由度的整车虚拟样机模型， 并进行了汽车操纵稳定性 的整车系统动力学仿真，通过与实车试验结果的比较，验证了该虚拟样机的合理性及精 确性。 结合汽车操纵稳定性仿真分析的结果， 对整车虚拟样机的操纵稳性定性性能参数进 行研究分析，按照国家标准中的规定进行评价及评分，并与实车试验的结果作了对比， 证明了整车虚拟样机的操纵稳定性与实际车辆的特性有较好的相似性， 也使得在虚拟试 验平台上分析汽车的操纵稳定性成为可能。 这对于汽车开发和改进中减少物理样机的试 制和物理试验在工作量都具有重要的应用价值。 整个研究工作以汽车产品的虚拟设计、 虚拟分析为核心， 初步实现了在计算机上对 整车操纵稳定性的四大试验的仿真分析。 对在虚拟环境试验平台下汽车操纵稳定性的一 系列完整的试验标准及评价方法作出了初步的研究， 为以后在此课题上的更深入复杂的 研究提供了一定的数据及经验积累， 并对于减少汽车产品开发过程中的物理样机的制造 和物理试验的工作量，都有现实意义。 关键词： 操纵稳定性 虚拟样机 仿真 ADAMS
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1.2 汽车操纵稳定性试验简介
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汽车工业的特点是产量大、品种多、产品的使用条件复杂，对产品的性能、寿命、
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质量和成本等方面要求高。影响产品质量的因素多，所涉及的技术领域也极为广泛，因 而对一些问题的研究还不够充分。因此汽车新产品的设计或是现产品的改进，即使在设 计和制造上考虑得非常周密，也都必须经过试验来检验。通过试验来检验设计思想是否 正确，设计意图是否现实，设计产品是否适合使用要求。汽车试验能够帮助我们深入了 解汽车在实际使用中各种现象的本质及其规律， 探讨存在问题的解决方法以及验证解决 问题的效果和程度，是推动汽车技术进步的一种极为重要的方法，也是保证产品性能、 提高产品质量和市场竞争力的重要手段。 汽车试验是通过某种人为的方法，把被测系统中某些参数用专门的装置，人为地把 它激发出来，用通用的或专用的仪器进行测试和数据分析的过程。 汽车的操纵稳定性一方面决定汽车驾驶员的操纵方便性， 另一方面也决定汽车行驶 的安全性。 由于汽车的操纵稳定性不好， 导致车毁人亡的交通事故在世界各地屡有发生。 为此，各国采取了许多措施。美、日、德相继修建了专门用于汽车操纵稳定性试验的规 模庞大的试验场，并组织众多的技术人员研究汽车的操纵稳定性。数十年来，世界各国 在这方面进行了大量的研究工作，目前，在汽车操纵稳定性方面无论是数学模型的建立 或是试验方法和设备的研制，均已取得了巨大的成果。特别是有一些试验方法已由国际 标准化组织（ISO）作为正式标准颁布执行，例如 ISO4138《稳态回转试验》 、ISO7401 《横向瞬态响应试验》等。20 世纪 70 年代以来，我国在汽车操纵稳定性方面做了不少 试验和研究工作，经过多年的实践，制定了汽车操纵稳定性的六项试验方法。之后又以 历年积累的大量试验数据为基础，参考国外有关资料，对不同类型车辆制定了关于汽车 操纵稳定性的评价指标。
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1 绪论
1.1 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 。 汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度， 而且也是决定高速汽车安 全行驶的一个主要性能 。随着社会经济的发展和汽车科学技术的进步，公路交通呈现 出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。频繁的交通事故使公路的交通安 全成为社会广泛关注的问题。 这一安全问题可分为两个部分： 主动安全性和被动安全性。 主动安全性是指如何通过车辆的设计尽量减少或避免交通事故的发生，是汽车具有的， 在所有交通状况下尽可能避免交通事故的一种性能，如可靠性、环境视见性、操纵稳定 性和加速制动性等； 被动安全性是指通过车辆的设计使车辆在发生事故时尽量减小对乘 员的伤害。随着道路的改善，特别是高速公路的发展，汽车以很高车速行驶的情况是常 见的。现代轿车设计的最高车速一般常超过 200km/h ，有的运动型轿车甚至超过 300km/h。为了保证安全行驶，汽车的操纵稳定性受到汽车设计者的很大重视，成为现 代汽车的重要使用性能之一。几十年来，如何设计和试验汽车以获得良好的安全性，尤 其是如何试验和评价汽车的操纵稳定性， 始终是各国学者和设计师们的主要研究方向之 一。 汽车操纵稳定性通常包含相互联系的两个方面，即操纵性和稳定性。操纵性是指汽 车能够确切响应驾驶员的指令；稳定性是指汽车在遭到外界干扰时，能够抵抗干扰而保 持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响着汽车的操纵方便程度，而且也是保证 高速行驶安全的一个主要性能。所以人们称之为“高速车辆的生命线” 。 正因为汽车的操纵稳定性是影响其主动安全性的主要性能之一，所以如何试验、分 析和评价汽车的操纵稳定性，如何获得良好的主动安全性一直是汽车研究的重要课题。
experiments for the further research on this theme and decreasing the work on the physics prototype manufacture and experiments in development.