四轮转向汽车操纵动力学虚拟仿真分析.docx

四轮转向汽车操纵动力学虚拟仿真分析姓名XX江苏大学京江学院车辆工程2班学号XX［摘要］从机械动力学仿真的角度，研究4WS汽车的瞬态和稳态操纵动力学特性。运用虚拟样机技术，给出4ws车辆在适当前轮转角及不同的大小、比值、方向以及转向时间差等后轮转角的条件下，车辆的瞬态和稳态动力学性能的表现。关键词：4轮转向，操纵稳定性，机构动力学，虚拟仿真1前言汽车四轮转向（4WS）技术是改善汽车操纵稳定性的主要手段之一，也是汽车主动底盘技术的重要组成部分。运用4WS技术，可以有效地减小低速行驶时汽车的转弯半径，使汽车在低速行驶时更加灵活。同时，该技术还可以大大地改善汽车在高速行驶时横摆角速度和侧向加速度等瞬态响应指标，提高高速行驶时的操纵稳定性。在4WS汽车的研究方面，大量的是关于后轮参与转向而带来的车辆响应变化以及采用各种转向控制策略而产生的车辆响应的差异。早期的后轮转向控制方法主要有以下几种：后轮与前轮逆向的转角比例控制方式；后轮与前轮同向的转角比例控制方式；后轮延时控制和前轮相位提前控制方式；后轮位相反转控制方式；前轮转角比例（后轮位相反转控制）P横摆角速度比例控制方式［1］。近期的研究主要集中于利用现代控制理论进行4WS控制，如模型参考控制，或QR／Q!多目标优化控制等［2-4］。在上述研究中，人们主要是从控制器设计的角度研究4WS车辆的。所利用是刚体多自由度系统模型，基本不考虑车辆转向系统的机构动力学特征。建立车辆多自由度简化数学模型是从理论上研究4WS车辆动力学特性的最基本也是极为有效的方法。从控制算法改进出发的4WS的研究大部分使用包含横摆角速度和侧向加速度的经典的2自由度所谓“自行车”模型；进一步的考虑有包括车辆侧倾的3自由度模型；更仔细地有7自由度、16自由度甚至更多自由度的线性或非线性车辆动力学模。理论和试验都已经说明［4,5］，在低加速度和小的转向角的情况下，这些模型能以较好的精度表征车辆转向的实际物理过程，基于它们设计的控制器能够正常工作。特别要指出的是：目前实用控制器设计所用的车辆动力学模型仍是前面最简单的2、3自由度模型；相对更复杂的多自由度车辆动力学模型，虽然理论上更加完善，但由于模型过于繁琐，需解决的问题未必能在实际的车辆系统中实现，并可能提高使用成本，在实际控制器设计时反而较少使用。由上可见，对于汽车这样结构复杂的机械系统，运动时各个结构部件之间做大位移的约束运动，仅用少数基于集中质点的动力学模型不能完整地描述整个系统的运动学和动力学关系，因此需要运用多刚体系统机构动力学的知识对包含各构件的车辆整体进行建模。同时，采用多刚体系统方法进行空间机构的运动分析，进而可能进行车辆底盘机构的优化设计，并为车辆控制的执行机构设计提供一些基本数据。因此，利用车辆虚拟样机技术的车辆机构多刚体／多柔体动力学虚拟仿真是目前的研究热点，已有许多商品化的软件可以利用，如ADAMS，DAS，VISUALNASTRAIN等。然而，国内外目前车辆虚拟样机技术的研究大量的集中于普通前轮转向车辆的［7］。上述商品化软件的一些专业模块也主要针对前轮转向车辆。作者针对4WS车辆系统进行虚拟建模和动态仿真分析的探索研究。从机构分析和车辆转向运动的角度看4WS实际是一种新的转向机构，其转向机制与普通前轮转向车辆的机制有了很大差异。为此，利用ADAMS软件，建立4WS轿车系统的底盘悬架和转向系统的机构动力学虚拟样机模型，可以可视化地定量研究不同的4WS底盘系统的定位参数下，有适当前轮转角及不同的大小、比值、方向以及转向时间差等后轮转角时的车辆的瞬态和稳态动力学性能。2多刚体系统动力学虚拟仿真多刚体系统动力学的研究方法有：Newton-Eu-Ler方程法、,Langrage方程法、图论（R-W）方法、Kane-Houston方法、变分方法。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMe-chanicalSystem)在车辆虚拟样机技术中应用比较广泛，特别是利用ADAMS/CAR模块在对前轮转向车辆的可视化仿真应用方面是比较方便的。其建模仿真的精度和可靠性在各动力学分析软件中也名列前茅。应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算。ADAMS软件采用拉格朗日乘子法建立了多刚体系统动力学方程方程组（1）包括了机构联接所要求的运动学约束。对方程（1）数值积分，并每步校核是否满足约束就是解机构动力学数值仿真问题。各软件都提供不同的解法并将适当时间步长的广义坐标和拉氏乘子（拉氏乘子物理上常常相应于约束反力，许多情况下也是希望获取的）的解可视化地显示出来以形成虚拟仿真。由于方程（1）的强烈非线性，方程（1）常导致条件数很大的刚性方