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1、第一章 绪论1.1 课题研究的意义根据路面的交通情况，汽车有时直线行驶，有时沿曲线行驶。在出现意外情况时，驾驶员还要做出紧急的转向操作，以求避免事故。此外，汽车在行驶中还不断受到地面不平和大风等外界因素的干扰。为此，汽车应具备良好的操纵稳定性。在实际中，从驾驶员感性的角度描述，操纵稳定性不好的汽车通常有以下几类表现： “飘” 。有时驾驶员并未发出指令，而汽车白己不断改变方向；“晃” 。驾驶员给出稳定的转向指令，但汽车却左右摇摆，行驶方问难于稳定。汽车在受到路面不平或忽然阵风的扰动时，也会出现这种感觉；3)“反应迟饨” ，驾驶员己经发出指令相当长的时间，但汽车还没有反应或转向过程完成太慢； 4)
2、“丧失路感” 。正常汽车的转弯程度会通过方向盘在驾驶员的于上产生相应的感觉。有些操纵性能不好的汽车，特别是在高速或转向剧烈的时候会丧失这种感觉。这会增加驾驶员的操纵困难或影响驾驶员做出正确的判断；5)“失去控制” 。某些汽车在车速超过一个临界值后或向心加速度超过定值之后，驾驶员已经完全不能控制其方向。 随着道路的改善，特别是高速公路的发展，不仅轿车，连货车以 100 km/h车速行驶的情况也是常见的，而许多汽车设计时速更超过 200 km/h。随着汽车速度的不断提高。汽车操纵稳定性的问题就显得更加突出。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，被称
3、之为“高速汽车的生命线” 。所以，汽车操纵稳定性的研究日益受到重视，成为现代汽车研究中最重要的课题之一。汽车控制是靠驾驶员对转向系统的操纵而进行的，在一般的操纵条件下能够达到要求，但汽车处于恶劣工作状态或紧急状况时，汽车的控制往往比较困难，而绝大多数交通事故就发生在这种非理想的驾驶状况下，所以在这些工况下增加辅助控制以提高汽车操纵性、稳定性是十分必要的。 1.2操纵稳定性研究的概况操纵稳定性研究的早期，一般采用经典力学分析方法，进行一些简单、局部的校核计算，不能对车辆的整体性能进行评价和分析，不能对汽车设计提供直接的指导。后来发展了一些基于简化模型和经验模型的计算与仿真，将汽车作为一个完整的控
4、制系统进行分析研究，得到了一些对操纵稳定性规律的重要认识。但是， 由于模型过于简单，不能直接针对设计参数进行分析和优化。随着仿真技术的不断发展以及仿真软件的不断成熟，操纵稳定性也更多地采用比较成熟的计算机仿真理论和高性能的仿真软件进行分析研究，同时与计算机辅助设计软件相结合直接指导和参与汽车设计参数的设计和优化。这种设计方法已经在国外汽车设计领域得到了比较广泛的应用，国内也开始了这方面的研究，并逐步推向实用化。在采用计算机仿真之前，首先要建立汽车的整车动力学模型。组成汽车动力学系统的元件有轮胎、悬架、转向系统等，它们都明显具有非线性特性。因此，所建立的模型也应该包括这些元件的非线性特性，整车模
5、型应该是一多体动力学模型。同时，驾驶员特性对操稳性也有较大的影响，必需建立一定的驾驶员模型，将人一车一路作为一闭环系统进行研究。驾驶员模型现在一般采用最优预瞄模型。国内己在整车简化模型的基础之上进行了一些驾驶员模型在整车跟随特性中的影响的研究；国外是将描述整车系统的动力学仿真软件加上驾驶员特性的控制计算机仿真软件结合起来，从而得到人一车一路闭环系统的仿真模型。近年来，随着多体动力学的诞生和发展，汽车建模方法出现了新的改变。由于对汽车模型的精确度要求越来越高，大型的多体系统动力学方程推导十分困难，因而通用的多体仿真软件(如ADAMS等)逐渐被应用。应用多体仿真软件建模将使汽车每一部件看作是刚性体
6、或弹性体，他们的连接是通过各种约束来描述，多体动力学软件自动生成运动和动力学方程，并利用软件内部的数学求解器准确的求解。然而，多体模型包含的部件较多，有些参数难以测量，因而不能从整体上保证系统的准确性；另外，复杂的模型在计算机上求解时运行较慢，使得仿真运算有一定困难。仿真技术领域里不断出现诸如人工神经网络、最优控制、模糊控制、虚拟现实等新技术，这些新技术逐步应用到操纵稳定性研究中必将给操稳性研究带来质的飞跃。在汽车操纵稳定性建模中，存在许多非线性环节，利用人工神经网络技术，结合实验数据进行建模，则可更好地模拟实际汽车，更好地掌握操纵稳定性规律。采用人工神经网络建立的轮胎力学模型，可以比较精确地
7、反映轮胎侧偏特性，大大提高建模精度;利用人工神经网络建立驾驶员模型，可采用不同时刻、不同距离的汽车运动轨迹与预期轨迹的误差值作为输入，输出前轮转角，这可使操纵稳定性仿真结果更接近于实际行驶试验。采用最优控制领域涌现的新寻优方法如遗传算法及人工神经网络设计的主动悬架，可以获得不同工况下悬架系统控制力的最优值;利用最优控制、模糊控制或模糊神经网络设计的汽车制动防抱死(ABS)系统，可使汽车制动时的制动效能及方向稳定性能获得极大的改善。利用虚拟现实技术可实现汽车操纵稳定性分析结果的可视化，可进行不同道路工况下整车操纵性能及驾驶员反应的研究，以及驾驶员训练等等。综上，随着仿真技术自身的不断发展，随着仿
8、真技术不断渗透到操纵稳定性研究之中，必将使得建立的整车模型更逼近实车、且仿真结果、性能分析、指标评价具有更好的实用性。1.3课题的研究内容 本文针对汽车不等长双横臂独立前悬架及转向机构在设计过程中的运动学和动力学问题，运用ADMAS软件建立了不等长双横臂独立前悬架和整体式转向梯形模型。在模型的建立过程中，将传统的解析方法与数值计算方法相结合，根据系统各部分的特点灵活处理，简化了分析，提高了模型精度。模型建立后，通过实例验证，保证了模型的正确性，并对模型进行动力性分析，给出结论。论文的工作具有以下几方面的意义：（1）基于 ADAMS 的汽车转向系统参数化建模可以对转向系统的结构参数进行优化，同时
9、掌握系统的运动学特性和对操作稳定性至关重要的前轮定位参数变化特性。（2）分析悬架转向各个参数对车轮定位和悬架转向系统特性的影响程度。（3）论文将建立动力学模型，对双横臂独立悬架转向系统进行动力学分析时提供可靠的结论，从而简化分析过程。第二章第二章 汽车汽车操纵稳定性2.2 操纵稳定性概述通常认为汽车的操纵稳定包含两个互相联系的部分，在不能过分地降低汽车的行驶车速或造成驾驶员过分紧张和疲劳的条件下满足：1)根据路面、地形和交通情况的限制，汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的行驶方向，这主要指操纵性。2)汽车在行驶过程中具有抵伉可能改变其行驶万向的各种干扰、并保持稳定行驶的能力，这主要指稳
10、定性两者很难断然分开，稳定性的好坏直接影响操纵性的好坏，通常两者统称为操纵稳定性，并定义为：驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能够遵循驾驶员通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定涉及的问题较为广泛，需要用较多的物理参量从几个方面来评价。表 1.1 给出了汽车操纵稳定性的基本内容及其评价用的物理参量表 1.1 汽车操纵稳定性的基本内容和评价所用物理参量基本内容稳态横摆角速度转向灵敏度、反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆频率1.方向盘角阶跃下进入的稳态响应转向特性，方向盘阶跃输入下的瞬态响应共振峰频率、共振时振幅比、相位滞后
11、、稳态增益2.横摆角速度频率响应特性共振峰频率、共振时振幅比、相位滞后、稳态增益3.回正性回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角、达到剩余横摆角速度的时间4.转向半径最小转向半径5.转向轻便性原地转向轻便性低速行驶转向轻便性转向力、转向功高速行驶转向轻便性6.直线行驶性侧向风稳定性路面不平度稳定性侧向偏移侧向偏移7.典型行驶性能蛇行性能移线性能方向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、侧偏角、车速8.极限行驶能力圆周行驶极限侧向加速度9.抗侧翻能力发生侧滑的控制性能极限侧向加速度极限速度回至原来路径所需时间表 1.1 中，方向盘角阶跃下进入的稳态响应、横摆角速度频率响应特性、转向半径等的主要评价参
12、量是论文设计控制系统、仿真实验中评价系统的重要依据，多数仿真实验的条件正是依据典型行驶工况而设计的。论文中涉及的有关概念，下文会做进一步解释。目前操纵稳定性的评价上要靠试验评价，常见的有:角阶跃试验、角脉冲试验、正弦角输入试验、回正性试验、定方向盘转角试验等。2.22.2 转向系统与的作用、分类、组成、特点转向系统与的作用、分类、组成、特点2.1.12.1.1 汽车转向系的作用汽车转向系的作用汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为转向系。汽车在行驶过程中经常需要改变行驶方向(即转向)时，驾驶员通过汽车转向系使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。另外，当
13、汽车直线行驶时，转向轮往往会受到路面侧向干扰力的作用而自动偏转，改变了汽车原来的行驶方向。此时，驾驶员可以通过汽车的转向系统使转向轮向相反的方向偏转，恢复汽车原来的行驶方向。因此对转向系提出的要求有：1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。2)汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下不变方向，并稳定行驶。3)汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振。4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，转向盘没有摆动。5)保证汽车较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。6)操纵轻便。7)转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘
14、的反冲力要尽可能小。2.1.22.1.2 汽车转向系的分类汽车转向系的分类汽车转向系按转向动力源的不同，分为机械转向系和动力转向系两大类。机械转向系是以驾驶员的体力(手力)作为转向动力的转向系，其中所有传力部件是机械的，图 2-1 所示的就是轿车的机械转向系1。需要转向时，驾驶员对转向盘 1 施加一个转向力矩，该力矩带动转向轴 2 输入转向器 8，从转向盘到转向轴这一系列部件和零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有12 级减速传动副(图中所示转向器为单级减速传动副)，经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆 6，再传给固定于转向节 3 上的转向节臂 5，使转向节和它所支承
15、的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。目前，许多国内、外生产的新车型在转向操纵机构中采用了万向传动装置(转向万向节和转向传动轴)，这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。只要适当改变转向万向传动装置的几何参数，便可满足各种变型车的总布置要求，即使在转向盘与转向器同轴线的情况下，其间也可采用万向传动装置，以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体(驾驶室、车架)的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。图 2-1 机械转向系示意图 图 2-2 液压式动力转向系示意图 动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向动力的转向系。它是在机械转向系的基
16、础上加设一套转向动力装置而形成的，现在常用的是液压式和电动式。在正常情况下，汽车转向所需能量只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向加力装置提供的，但在转向加力装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。图 2-2 所示为一种液压式动力转向系的组成和液压转向加力装置的管路布置示意图1。其中属于转向加力装置的部件是：转向油泵 5、转向油管 4、转向油罐 6 以及位于整体式转向器 10 内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘时，转向摇臂 9 摆动，通过转向直拉杆 11、横拉杆 8、转向节臂 7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩比采用机械转向系时所需的转向力矩小的多。另外，采用动力转向系还可提高汽车行驶的安全性：包括我国在内的大多数国家都规定车辆右侧通行，相应地转向盘安置在驾驶室的左侧，这样驾驶员的左方视 野较广阔，
