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1、微型汽车操纵稳定性的人-车动力学耦合效应 罗霜 舒红宇 姚泽杰 陈齐平 机械传动国家重点实验室(重庆大学) 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室(中国汽车工程研究院股份有限公司) 华东交通大学机电工程学院 摘 要： 为研究驾驶人体与汽车之间的动力学耦合作用对微型汽车操纵稳定性的影响, 将驾驶员模型通过弹簧-阻尼单元与汽车座椅相连, 建立了基于人-车动力学耦合的 6 自由度操纵动力学模型;在参数识别获取人-椅界面的刚度-阻尼参数的基础上, 应用数值解法, 通过 Matlab/Simulink 对该动力学模型进行了仿真计算, 分析了人-车动力学耦合作用对不同整车质量微型汽车阶跃转向的瞬态和稳态影响
2、.结果表明:人-车动力学耦合明显影响了微型汽车侧倾响应, 增大了其稳态值、峰值以及超调量, 并且汽车结构尺度和整车质量越接近驾驶人体, 影响越明显;而对横摆角速度影响较小, 主要表现在增加了微型汽车的不足转向趋势, 使瞬态响应波动增大.关键词： 微型汽车; 驾驶人体; 动力学; 操纵稳定性; 参数识别; 作者简介：罗霜 (1990) , 男, 博士研究生;作者简介：舒红宇 (1963) , 男, 教授, 博士生导师, 收稿日期：2017-03-29基金：国家自然科学基金 (51565011) Effects of human-vehicle dynamics interaction on th
3、e handling stability of miniature automobileLUO Shuang SHU Hongyu YAO Zejie CHEN Qiping State Key Laboratory of Mechanical Transmission (Chongqing University) ; School of Mechatronics Engineering, East China Jiaotong University; Abstract： To investigate the influence of dynamics interaction between
4、the driver body and miniature automobile, the driver model was connected to the miniature automobile with spring-damping elements. A handling stability dynamics model was constructed for the driver-vehicle system with 6 degree of freedom (DOF) . Based on the parameter identification for stiffness an
5、d damping coefficients at human-seat interface, the numerical method was used to solve the handling stability dynamics model by Matlab/Simulink. The influences of human-vehicle dynamics interaction on the stable and transient responses of step steering were analyzed for the miniature automobile with
6、 different curb weight. Results show that the human-vehicle dynamics interaction affects the roll response obviously, and increases the steady stable values, peak values and overshoot. With the curb weight and size more and more close to the driver body, the influences will be more significant. The
7、human-vehicle dynamics interaction has a little effect on the yaw rate, increases the tendency of understeering and enlarges the fluctuation of the yaw rate curve.Keyword： miniature automobile; driver body; dynamics; handling stability; parameter identification; Received： 2017-03-29汽车微型化能够缓解因汽车产销量迅速
8、增长所带来的诸如城市拥挤、资源短缺以及停车困难等一系列问题1.知豆质量 670 kg, 雷诺 Twizy 整备质量降低到了 450 kg, 新日 V 豆仅 200 kg, 这说明体积小、质量轻的微型汽车将是未来汽车发展的趋势之一2-3.良好的操纵稳定性是汽车安全行驶的保障, 刘喜东等4建立了 3 自由度动力学模型, 研究了转向速度对汽车操纵稳定性的影响, 结果表明, 对侧向加速度、横摆角速度以及侧倾角的影响较为敏感的频率范围均在 2 Hz 以下.魏道高等5建立了 4 自由度非线性动力学模型, 认为转向系统间隙影响了汽车转向行驶的操纵稳定性品质.Hierlinger 等6指出微型汽车内部的横向生
9、存空间比传统汽车狭窄, 并对其侧向碰撞安全性进行了研究.Shu 等7研究了结构尺度以及装载质量对微型汽车稳态转向性能的影响, 认为汽车微型化后, 其稳定性更容易受到外界的影响.当微型化汽车的质量和尺寸接近于人体后, 其行驶安全性具有一定的特殊性, 汽车转向行驶过程中, 通过人-椅动力学界面, 将运动和力传递给人体, 反过来, 人体的摇摆振动容易加剧车身的运动, 这种人-车动力学耦合作用将影响微型汽车稳定性8.所以有必要在微型汽车的操纵稳定性研究中充分考虑此耦合作用.Gudarzi 等9考虑了驾驶人体的动力学行为, 但他主要关注主动悬架对乘坐舒适性的影响.董红亮等10研究摩托车行驶稳定性时涉及到
10、了驾驶员与摩托车之间相互作用, 但他忽略了人-车之间的弹性作用力.由于微型汽车质量轻, 结构尺度小等特点, 本文在传统汽车操纵稳定性模型4-5的基础上, 考虑了微型汽车与驾驶人体之间的动力学作用, 建立了包含汽车和驾驶人体的横向、横摆以及侧倾运动的人-车 6 自由度转向行驶非线性动力学数学模型, 并进行了数值计算分析, 以研究人车动力学耦合作用对微型汽车转向行驶稳定性的影响.1 微型汽车操纵动力学模型1.1 人-车系统力学模型本文研究的微型汽车轴距和轮距均比较小, 因此, 驾驶员/乘员前后分布.考虑驾驶人体与微型汽车之间的非线性动力学作用, 建立了如图 1 所示的坐标系和微型汽车操纵稳定性力学
11、模型.汽车与驾驶人体的动力学作用主要是通过人体与座椅、安全带、方向盘和车身底板之间的弹性连接实现的.在建立模型时, 将坐姿人体看作是一个刚体, 人车之间的连接简化为驾驶人体与座椅在下体质心 q1点、上体质心 q2点的弹簧-阻尼力连接.以汽车静止时重心铅垂线与侧倾轴的交点为 A, 设固定于该点的参考基 A (X, Y, Z) , 其 Z 轴竖直向上, 以汽车水平纵轴为 X 轴, 前进方向为正方向, Y 轴方向按右手法则确定, 水平向左.对人-车系统操纵稳定性力学模型作如下假设:1) 汽车和驾驶人体做横向、横摆以及侧倾运动;2) 以前轮转角为输入, 且转角足够小, 以保证轮胎工作在线性范围内;3)
12、 前后悬架侧倾中心在同一水平高度;4) 静止时, 驾驶人体相对于 XZ 平面对称.图 1 6 自由度人-车系统模型 Fig.1 Diagram of human-vehicle system with 6 DOFs 下载原图1.2 微型汽车操纵稳定性微分方程根据图 1 的力学模型, 建立考虑驾驶人体与微型汽车相对运动的人车系统操纵稳定性运动微分方程.其中, m 1为微车总质量, m s为簧上质量, u 为匀速行驶的速度, 为横摆角速度, h 为车身质心与侧倾中心的垂直距离, 为侧倾角, Ff、F r分别为前后轮侧偏力, a、b 分别为微车质心到前后轴的距离, I Z为绕 Z轴的惯性矩, I X
13、s为绕 X 轴的惯性矩, K 为悬架侧倾角刚度系数, C p为悬架侧倾角阻尼系数, g 为重力加速度.下标 1 代表微车, 下标 2 代表驾驶人体.微车沿 Y 轴的力平衡方程为式中 FY为驾驶人体对微车 Y 方向上的作用力.微车绕 Z 轴的力矩平衡方程为式中 MZ为驾驶人体对微车绕 Z 轴的作用力矩.车身绕 X 轴的力矩平衡方程为式中 MX为驾驶人体对微车绕 X 轴的作用力矩.由于车轮转角较小, 轮胎侧偏特性处于线性范围, 再考虑侧倾转向的影响, 轮胎侧偏力为式中: 为名义前轮转角, k f、k r分别为前后轮胎侧偏刚度, f、 r分别为前后轮胎侧偏角, E f、E r分别为前后轮侧倾转向系数
14、.1.3 驾驶人体运动微分方程将固结于车身的参考基记为 B (x, y, z) , 其原点 B 与参考基 A 的原点重合, 并且两参考基的正交单位向量之间具有如下关系11:则有设有惯性参考基 G (g1, g2, g3) , 驾驶人体具有侧向、横摆和侧倾 3 个自由度, 则在惯性参考基 G 中的一般空间运动, 如图 2 所示.图 2 人体一般空间运动 Fig.2 General spatial motion of human body 下载原图矢量 RBC在惯性参考系上对时间的一阶导数为二阶导数为因此, 驾驶人体质心 C 的绝对加速度为所以驾驶人体沿 y 轴的加速度为根据欧拉定理可得其中:M
15、2为驾驶人体惯性力矩, 2为角加速度矩阵, 为角速度反对称矩阵, I 2为在非惯性基 A 中的惯性张量, 且有:假设微型汽车侧倾角很小, 则认为 cos 1=1, 那么驾驶人体的侧向力平衡方程、侧倾、横摆运动力矩平衡方程如下:1.4 人-车界面弹性连接力驾驶人体与微型汽车在点 q1、q 2处沿 y 轴的相对移位 S q1y、S q2y分别为其中:h q1、h q2分别为点 q1、q 2与侧倾中心的垂直相对位置, l q1、l q2为水平相对位置, 1、 2分别为微车、人体的横摆角.人-车界面在下、上体质心沿 y 轴的弹簧-阻尼力分别为其中:k q1y、k q2y分别为驾驶人体与微车之间在点 q
16、1、q 2处, 沿 y 轴的平动刚度系数, c q1y、c q2y分别为阻尼系数.驾驶人体对微型汽车沿 Y 轴的侧向力可表示为绕 X 轴的作用力矩为其中:k q1x、k q2x分别为绕 x 轴的扭转刚度系数, c q2x、c q2x分别为绕 x 轴的扭转阻尼系数.绕 Z 轴的作用力矩为其中:k q1z、k q2z分别为绕 z 轴的扭转刚度系数, c q1z、c q2z分别为绕 z 轴的扭转阻尼系数.2 振动试验与参数识别微型汽车和驾驶人体的惯量、结构尺寸等参数容易测量, 而人-车之间相互连接的刚度阻尼单元则需要采用振动试验与建模相结合的方法进行参数识别.人体与汽车之间的相互作用虽然比较复杂, 但最主要还是通过人体与座椅组成的系统来实现, 为识别出人体与座椅之间的刚度阻尼系数, 搭建了振动试验台, 并进行了低频多向振动实验以及数据采集和处理, 如图 3 所示.图 3 实验及数据处理流程 Fig.3 Tes
