基于CarSim的整车动力性建模

基于CarSim的整车动力性建模张绅山东省潍坊市潍坊学院 山东省潍坊市 261061摘 要： C arSim软件是一款越来越受到汽车研发人员喜爱的一款汽车仿真软件，利用软件对汽车进行整车建模以及仿真测试，可以通过三维动画或者数据图表分析仿真结果，从而便于汽车研发人员提升汽车的各项性能。

本文是针对汽车动力性进行建模仿真，文章首先对CarSim软件进行了简单介绍以及简单的使用教学，介绍了汽车动力性研究意义、影响因素及评价指标等相关内容，最后介绍了CarSim中车辆的各个部分参数设置问题。

关键词：CarSim；动力性；整车建模；仿真1　CarSim软件介绍1.1　CarSim软件的简介CarSim是一款专门针对中小型汽车的仿真软件，软件在本质上就是先建立一个车辆模型，再根据自己的仿真内容进行参数设置，处理器运算以后通过3D动画或表格数据展示仿真结果。

利用CarSim在计算机上进行模拟仿真速度比实际测试实验速度快许多倍，软件可以用来仿真车辆对驾驶员、地面情况等输入的响应，主要用来帮助提升汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性。

现如今CarSim凭借自身的优势已经逐渐被更多研发人员所应用。

CarSim软件系统可以与许多软件共同进行模拟仿真，例如CarSim和Simulink的协同仿真，从Simulink的各种变量中选择需要的导入到CarSim中进行模拟仿真，变量包括车辆控制输入、轮胎力和力矩、弹簧和阻尼力、转向系统驱动角度、传动系扭矩、制动扭矩和制动压力、空气动力学相关变量等超过160个变量。

CarSim建模和仿真后的数据也可以导出到其他模拟软件作为数据源进行模拟仿真和数据分析。

1.2　CarSim软件的组成CarSim的主界面非常简单，整体可分为三个部分：预处理、处理和后处理。

左侧是设置模型参数和测试条件的预处理，包括车辆参数设置（车身，空气动力学，传动系统，制动系统，转向系统，前后悬架系统和车轮等），仿真环境，测试条件除此之外下拉菜单还有其他更具体的参数可以设置。

中间部分为数据处理求解器即CarSim的数据仿真运算过程，需要根据分析类型合理选择求解器以及设置求解参数，设置求解步长、频率及输出结果求解控制等参数。

常用的求解器有两种：一是CarSim系统自带的求解器，设置完第一模块的参数后只需要点击“Run Math Model”按钮即可进行求解；二是和其他软件进行联合仿真，例如与Simulink联合仿真，需要设置导入与导出参数，在Simulink模型文件中建立模型，然后图1-1　CarSim主界面及各部分组成时代汽车 求解。

右侧为后处理部分即求解器得到的仿真结果，用户可以选择以动画的形式来展示结果，也可以选择绘制相应曲线展示仿真结果，进行定量分析。

1.3　CarSim 软件的功能软件适用于对轿车、小型货车、轻型多用途运输车及SUV 等车型的建模仿真；可以用以分析车辆的动力性、制动性、燃油经济性、操纵稳定性、平顺性及通过性；可以用以在MATLAB、Excel 等软件中对数据进行深入的分析和处理；软件拥有友好的图形用户界面，可以快速实现建模仿真；软件拥有先进的事件处理系统，可以实现复杂工况的模拟仿真；软件自身携带多种车型的建模数据库，可以帮助用户节省车辆建模时间；软件可以与多种软件进行联合仿真，可实现与Simulink 的相互调用；软件可进行多种仿真工况的批量运行功能。

2　汽车动力性2.1　汽车动力性研究意义随着人们经济水平的提高，出行方式的变化越来越大，从最初的只有步行到自行车盛行，再到现在汽车的普及，汽车产业变的越来越兴盛并成为我国的支柱产业之一，我国汽车企业越来越强大，汽车的产出量以及购买量都在逐年上升，高等级公路里程也迅速增长。

道路建设水平越来越高，道路的各种性能越来越好，汽车动力性也比以前有了巨大的进步，这就使得汽车的行驶车速越来越高，而这也对汽车的各项性能有了更高的要求。

汽车动力学包括汽车的众多特性，而汽车的动力性则是汽车众多使用性能中最基础的性能。

汽车动力性提高以后，货车可以运载更多的货物，提高运输效率；轿车可以减少行驶时长节约时间，保证道路畅通，保障人车安全。

因此有必要对汽车动力性进行深入研究，提高汽车的动力性，保证汽车安全高效行驶。

2.2　汽车动力性影响因素汽车动力性影响因素可以分为结构因素与使用因素两方面。

结构因素包括发动机参数与传动系参数。

发动机即汽车的动力来源，因此发动机的设计参数对汽车动力性影响不言而喻，在设计发动机时要保证汽车的最大行驶速度。

动力从发动机产生经传动系传递，所以传动系的设计参数对发动机的动力性也有重要影响。

传动系对汽车动力性的影响取决于主减速器传动比、变速器挡位数、传动比、汽车整备质量及整车尺寸等参数。

使用因素对发动机的影响包括发动机状况、驾驶员驾驶技术、行驶条件等。

2.3　汽车动力性评价指标汽车动力性主要由三个方面指标来评定：汽车的最高车速、汽车的加速能力、汽车的爬坡能力。

（1）汽车的最高车速：最高车速即汽车在干燥的、清洁的、平坦的混凝土或沥青路面上，能够达到最大的稳定行驶车速。

此时变速器处于最高挡，发动机节气门处于全开状态或高压油泵处于最大供油位置。

汽车发动机排量越大，汽车最高车速越高；参数相同发动机的前提下，手动挡汽车比自动挡汽车最高车速更高；发动机排量相同的前提下，车辆的质量越小，最高车速越高。

（2）汽车的加速能力：一般用汽车的加速时间来表示汽车的加速能力即汽车从某一低速全力加速至某一高速所需要的时间，现在较为普遍的是汽车的百公里加速时间。

如奔驰的AMG GLE63百图1-2　模型参数、测试条件及其他参数图1-3　模型参数设置图1-5　求解器求解过程图1-6　动画演示图1-7　曲线展示图1-4　测试条件设置公里加速仅需要4.2秒，这个成绩在SUV 车型中算是非常强劲的。

（3）汽车的爬坡能力：一般用汽车的最大爬坡度来表示汽车的爬坡能力，最大爬坡度是指汽车满载时在良好路面上用第一挡所能通过的最大坡度。

爬坡度用坡度的角度值或坡度正切值的百分数来表示。

轿车的最高车速高，发动机的功率大，一般在较好的路面上行驶，故不特殊强调它的最大爬坡度；货车货车运送货物会在各种各样的路面行驶，这就要求货车要具有足够的爬坡度，而对于经常在各种坏路或无路条件下行驶的越野车对爬坡度要求更高。

需要注意的是：以上的三个方面应该都是在无风，或者微风的条件下测定的。

3　整车动力性建模CarSim 软件对汽车的整车结构进行抽象化处理，将完整的汽车分解简化为了十个部分，分别是车体部分、簧下质量部分（总数为四个）、旋转车轮部分（总数为4个）和发动机曲轴部分。

这十个部分均为刚体，共有27个自由度，分别为簧载质量的移动自由度（X，Y，Z）3个、簧载质量的转动自由度（X，Y，Z） 3个、非簧载质量自由度4个、车轮旋转自由度4个、传动系旋转自由度1个、轮胎瞬态特性自由度8个、制动压力自由度4个，如图3-1所示。

整车模型经过CarSim 软件抽象简化以后，根据车辆特性及软件初始条件的设置，可将CarSim 整车模型分为车体、空气动力学、传动系统、制动系统、转向系统、前后悬架、轮胎等七个部分，如图3-2所示。

下面将对七个组成部分的界面及各方面初始条件的设置进行介绍。

3.1　车体在此界面将设置汽车的外形尺寸、质量、转动惯量等参数。

具体参数包括车辆的长宽高、质量、质心距前轴的距离、质心高度、轴距、质心横向偏移量、质心对各坐标轴的极惯性矩及惯性矩等。

在新建汽车模型时，这些数据都由实验测得或厂商直接提供。

需要注意的是：CarSim 坐标系的坐标原点位置可通过输入前轮轮心高度值来确定，一般输入某载荷下的轮胎半径。

3.2　空气动力学在此界面将设置汽车的空气动力学参数，具体参数包括：空气动力学参考点（X/Y/Z）、迎风面积、空气动力学参考长度、空气动力学系数与行车速度方向与空气流动方向夹角的关系，除此之外还要设置空气密度。

在界面右侧显示的就是空气动力学参数的计图3-3　车体参数设置界面图3-1　CarSim 整车模型的抽象简化及自由度后非簧载质量自由度非簧载质量自由度簧上质量的六个自由度车轮旋转前侧偏角图3-2　CarSim 整车模型的组成部分轮胎悬架转向系统制动系统传动系统空气动力学整车整车尺寸和外形系统前、后悬架车体发动机液力变矩器变速器差速器运动学弹性运动学时代汽车 在选择发动机时，软件提供了两种选择：内置发动机模型、外置发动机模型。

使用外置发动机模型则需要从外部模型导入变量到CarSim 中。

使用CarSim 内置发动机模型时需要再对节气门打开/关闭时间迟滞、燃油消耗率、曲轴转动惯量、发动机怠速转速等参数进行设置。

在右侧表格输入或通过Excel 表格导入实验测得的数据，即可得到发动机MAP 图，也可以通过3D 图像观察发动机MAP 图。

软件提供了内置/外置液力变矩器、内置离合器3种模式的离合器可供选择，液力变矩器需要再设置液力变矩器的参数1/K 与速度比的关系、扭矩比与速度比的关系、输入/输出轴的转动惯量；离合器则需要再设置输出的最大转矩与离合器结合程度的关系、离合器结合/分离时间迟滞、输入/输出轴的转动惯量。

变速器需要设置挡位数、各个挡位的传动比、转动惯量、正/逆向机械效率、换挡时间、离合器锁止传递最大转矩、离合器分离锁止时间、各挡位中低速齿轮的输出转速与节气门开口位置的关系、各挡位锁止离合器锁止与变速器的输出转速与节气门口开口位置的关系等参数。

差速器可以选择内置/外置差速器模型、内置双离合器差速器模型，需要设置差速器力矩特性曲线、传动比、刚度、阻尼、正/逆向效率、后轴力矩分配比例、前后轴扭矩差与车轮速度差的关系等参数。

3.4　制动系统CarSim为用户提供了两种制动系统：简图3-4　空气动力学参数设置界面图3-6　发动机参数设置界面图3-7　发动机MAP图图3-5　传动系统的参数设置界面图3-8　液力变矩器参数设置界面图3-9　离合器参数设置界面图3-10　变速器参数设置界面图3-11　差速器参数设置界面图3-12　简单制动系统的参数设置界面算公式。

3.3　传动系统在此界面将设置汽车传动系统的各项参数，包括发动机的选择、离合器的选择、变速器的选择以及差速器的选择。

图3-13　考虑助力与热衰退的制动系统的参数设置界面单制动系统和考虑助力与热衰退的制动系统，在简单制动系统需要设置制动力矩与轮缸压力的关系、比例阀之后的管路压力与其输入压力的关系、流体动力学时间常数、流体迟滞、前后车轮ABS 工作的滑移率区间等参数。

在考虑助力与热衰退的制动系统还要再设置制动盘的初始温度、空气温度、踏板的杠杆比、主缸直径、启动/关闭助力的时间迟滞以及子菜单中的制动盘质量、在0°时制动盘的比热、单位温度升高比热的变化量、制动钳压力与制动钳体积的关系、冷却系数与车辆速度的关系等参数。