江苏大学
硕士学位论文
四轮转向车辆动力学分析与试验仿真研究
姓名：李磊
申请学位级别：硕士
专业：车辆工程
指导教师：夏长高
20070606
表３．１４ＷＳ模型的主要结构参数
参数大小参数大小
前轮前束００后轮前束００前主销内倾角９０后主销内倾角００
前主销后倾角１．６。
后主销后倾角００
前轮外倾角ｏｏ后轮外倾角妒
前轮距（ｍｍ）１４４０后轮距（ｎａｎ）１４４０
轴距（姗）２９５０质心高度（ｆｍ）６００
整车质心位置（ｍｒａ）
整车整备质量（ｋｇ）２０１５１９００
（距前轴距离）
３．２前悬架的结构与建模
悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的传力连接装置。
现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构型式，但是一般都由弹性元件、减振器、导向机构三部分组成。
悬架又可以分为两大类：非独立悬架和独立悬架。
本文中Ｉｊ｛『悬架采用的为现代轿车最为常用的“麦弗逊”独立悬架。
使用这种悬架的优点是１４５ｌ：其一，避免了在车轮摆动过程中的转向轮横向位移，减轻了转向轮的磨损，改善了汽车的行驶稳定性；其二，这种悬架结构使转向轮的几个定位参数具有互补功能。
此外，它还具有结构简单、零件数量少、维修方便、车轮贴附路面性能好和乘坐舒适性好等优点。
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照一定的控制规律对其移动副进行控制，则该模犁就成为４ＷＳ车辆模型。
图３．４双横臂式后悬架及后转向系动力学分析模型
３．４转向系统结构与建模
研究车辆采用齿轮齿条式转向系统（ｒａｃｋａｎｄｐｉｎｉｏｎｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ），由方向盘Ｂ８、转向轴Ｂ６、转向传动轴Ｂ５、转向齿条Ｂ３、转向齿轮Ｂ２、齿轮轴Ｂ４、转向器壳体Ｂ１、转向柱管与车身连接件Ｂ７、转向器壳体与车身连接件ＢＯ构成。
建模中，转向盘和转向轴与转向柱管车身连接件分别以转动铰链Ｈ８和圆柱铰链Ｈ７连接，并且二者通过一个速比为１：１的耦合器固结；转向传动轴的两端分别通过万向铰链Ｈ５和Ｈ６与转向轴和齿轮轴相连：转向齿轮和齿轮轴分别用转动铰链Ｈ２和Ｈ４与转向器壳体连接，两者以速比１：ｌ的耦合器Ｈ１０连接，；转向轴与转向齿轮之问通过一弹性件连接，其特性取决于转向轴的刚度，作为ＡＤＡＭＳ部件，它是一个衬套（ｂｕｓｈｉｎｇ），位于共享数据库中的衬套文件夹ｂｕｓｈｉｎｇｓ却ｌ中，但它实际起的作用则是汽车动力转向器中的扭力杆功能；转向齿条和转向器壳体之间由平动铰链Ｈ３连接，平动铰链通过一耦合器Ｈ９与转动铰链固结，速比等于传动器传动比；转向器壳体和车身连接件之间通过弹性衬套连接，其特性取决于两者的连接刚度。
齿轮齿条式转向系统的拓扑构型如图３．５所示。
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■ｄ）ＭＶＩＳ／ＣＡＲ中Ｔｅｓｔｒｉｇ之间的装配关系，装配完成即可得到虚拟样机的整车模型。
本文建立的４ＷＳ多体系统动力学分析模型包括前、后悬架系统模型，转向系模型，车身，前后车轮，发动机等模型。
模型中各运动部件间的约束关系反映了实际装配关系。
系统的动力学的自由度的计算：车身有６个自由度；前悬架（包括前转向系统和前轮）有４０个自由度；后悬架（包括后转向系统和后轮胎）有５４个自由度；整车总共为１００个自由度。
图３．６４ｗＳ车辆多体动力学整车模型
３．９本章小结
本章讨论了基于ＡＯＡＭＳ／Ｃａｒ模块的４ＷＳ车辆多体系统动力学模型的建立。
对４ＷＳ车辆模型进行了一定的假设，将整车模型分成若干子系统，其中包括前后悬架系统模型、转向系模型、车身、前后车轮、发动机等模型。
并根据后悬架的结构形式提出了合适的后轮转向建模方法。
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４．３．１输入输出变量的定义
ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ与ＭｈＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是通过状态变量（ｓｔａｔｅｖａｒｉａｂｌｅ）进行通讯的。
因此，必须讵确定义模型的输出与输入的相应状态变量。
输出变量是指进入控制系统的变量，表示从ＡＤＡＭｓ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ输出到控制程序的变量。
输入变量是指从控制程序返回到ＡＤＡＭＳ中的变量。
通过定义输入输出变量实现ＡＤＡＭＳ和ｌｌＡＴＬＡＢ／Ｓｉ舢１ｉｎｋ的一个闭环系统。
如图４．３所示：
图４．３ＡＤＡＭＳ与ＭＡＴＬＡＢ的接口
ＡＤＡＭＳ中的输入变量相当于所求的控制量，输出变量相当于虚拟传感器的测量值。
要注意的是，所有的输入必须被设置成变量，输出可以是测量值。
在本文的４ＷＳ车辆虚拟模型中，根据控制算法，取其后轮转角为ＡＤＡＭＳ的输入，将其设为仿真变量，并且其初始值要设置为零，它从控制器的输出中读取数据，每进行一个步长的仿真分析，其值就刷新一次：车身侧偏角为ＡＤＡＭＳ输出，并将其值输入到控制系统中作为最优控制目标。
图４．４创建状态变量图４．５修改状态变量
图４．６创建输入变量图４．７创建输出变量
４．３．２ＡＤＡＭＳ／ＣｏｎｔｒｏＩ的输出
定义好ＡＤＡＭＳ的输入输出后，就要将其输入到ＭＡＴＬＡＢ中。
为将ＡＤＡＭＳ中的整车模型输入到控制软件中，需定义输出接口，以便将整车机械系统多体模型输入到ＭＡＴＡＬＡＢ软件中，供建立控制系统时使用，定义的输出接口如图４．３所示，设置好对话框后点ＯＫ，Ｐｄ）ＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ将输入和输出信息保存在．ｍ（ＭＡＴＡＬＡＢ程序１文件中。
图４．８ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ设置输出对话框
图４．９ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ转向盘角阶跃试验设置对话框
在ＡＤＡＭＳ中对样机模型执行角阶跃试验，按图４．９填写表框，点击ＯＫ后，会产生工作目录中自动产生一些文件，其中．ｄｃｆ文件为驾驶员控制文件（ｄｒｉｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌｆｉｌｅ）；．ａｄｍ文件为ＡＤＡＭＳ／Ｓｏｌｖｃ命令文件；．ａｃｆ文件则用来激活ＣＯＮＳＵＢ子程序，来读取和处理．ｄｃｆ文件，完成．ｄｃｆ文件中描述的工况。
４．３．３编写ＭＡＴＬＡＢ控制程序
根据前面建立的后轮最优控制策略，在ＭＡＴＬＡＢ中编写相应的控制程序，保存为ｍ文件，为？ｄ）？ｄＶｌＳ和Ｍ棚ＡＢ的联合仿真做准备。
４．３．４ＡＤＡＭＳ和ＭＡＴＬＡＢ的联合仿真
启动Ｍ加’“～Ｂ，设置好正确的工作路径，在命令提示符下输入ＡＤＡＭＳｓＹｓ，则Ｍ加？乙～Ｂ创建名为ＡＤＡＭＳｓｙｓ．ｍｄｌ的新模块，如图所示，其中，ＡＤＡＭＳｓｕｂ即为ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌｓ中生成的整车模型求解文件，在ＭＡＴＡＬＡＢ程序中作为一个子函数被调用。
图４．１０ａｄａｍｓ—ｓｙｓ模块
此模块以三种方式描述机械系统的ＡＤＡＭＳ模型：
１１Ｓ函数子模块，用来描述非线性ＡＤＡＭＳ模型；
萄ＡＤＡＭＳｓｕｂ模块，基于．ｍ文件创建，包含Ｓ函数模块，同时包含另外一些有用的ＭＡＴＬＡＢ变量。
如果ＡＤＡＭＳ是非线性的，则ＡＤＡＭＳｓｕｂ用Ｓ函数来描述模型，如果足线性的，ＡＤＡＭＳｓｕｂ用状态空间来描述模型。
３１状态空间子模块，用来描述线性ＡＤＡＭＳ模型。
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第五章４ＷＳ车辆操纵动力学试验仿真
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，人们称之为“高速车辆的生命线”。
随着道路的改善，特别是高速公路的发展，汽车的操纵稳定性Ｒ益受到重视，成为现代汽车的重要使用性能之一【５１１。
汽车操纵稳定性通常采用试验方法进行评价。
本文以前面所建立的４ＷＳ车辆多体动力学模型为基础，参照ＧＢ／Ｔ６３２３．２—９４汽车操纵稳定性试验方法，进行４ＷＳ车辆试验仿真，并分析车辆参数对４ＷＳ车辆的操纵稳定性的影响。
５．１悬架一转向运动学仿真与试验分析
悬架的运动学特性是指汽车车轮上下跳动时前轮定位参数及轮距的相应变化规律，直接影响到汽车的使用性能。
在汽车行驶中，由于路面不平或车轮垂直载荷的变化，悬架导向杆系的运动及变形，车轮定位参数随之发生变化，从而导致轮胎侧偏特性的改变；悬架上的车身在汽车曲线行驶时将发生侧倾，引起汽车侧倾转向和变形转向。
因此，悬架系统的运动学分析是研究整车操纵稳定性的基础。
研究悬架的运动特性通常采用车轮跳动分析方法，即通过使某一侧车轮或两侧车轮沿垂直方向跳动，计算分析由此引起的车轮定位参数、轮距、车轮转角的变化规律。
基于前面建立的麦弗逊式独立前悬架和转向子系统，在ＡＤＡＭｓ／Ｃａｒ中进行模型装配，得到该轿车的前悬架一转向运动学分析模型，如图５．１示。
图５．１前悬架与转向系统装配。