一种基于悬架KC特性的汽车底盘操稳性能分析模型

摘要

本发明公开了一种用于计算悬架K&C特性对整车操稳性能影响的模型。通过对底盘操稳性能评价指标的合理选取，基于多体动力学理论建立相应的整车动力学模型，并对悬架K&C特性进行参数化，提取悬架K&C特性的关键控制参数，并根据底盘转向运动学机理将悬架K&C特性控制参数加入到整车模型中，从而得到可以用于悬架K&C特性对操稳性能影响分析的动力学模型。一方面该模型输入参数主要为整车级基本参数，另一方面通过与实车试验结果进行对比分析，表明该模型具有较高的仿真精度，因此该建模方法可以用于底盘操稳性能开发阶段前期预测，从而用于解决底盘性能开发过程中的性能目标控制问题。

主权项

一种基于悬架KC特性的汽车底盘操稳性能分析模型，包括建立轮胎模型，所述KC特性为运动学特性与弹性运动学特性，其特征在于：还包括建立车体模型、建立悬架模型、建立计算车轮等效转角模型；其中所述悬架包括左前lf悬架，右前rf悬架，左后lr悬架，右后rr悬架，所述建立车体模型的步骤具体为：A1获取汽车的簧载质量m、质心至前轴距离a、质心至后轴距离b、轮距c、簧载质量绕x轴转动惯量J_x、簧载质量绕y轴转动惯量J_y及簧载质量绕z轴转动惯量J_z；A2、建立车体坐标系、轮胎印迹坐标系、轮胎坐标系、惯性坐标系，其中轮胎印迹坐标系关于惯性坐标系的方向余弦矩阵为：车体坐标系关于轮胎印迹坐标系的方向余弦矩阵为：$A^{\mathrm{sg}}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \phi & \sin \phi \\ 0& -\sin \phi & \cos \phi \end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & 0& -\sin \\ 0& 1& 0\\ \sin \theta & 0& \cos \theta \end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & 0& -\sin \theta \\ \sin \theta \sin \phi & \cos \phi & \cos \theta \sin \phi \\ \sin \theta \cos \phi & -\mathrm{siun\phi }& \cos \theta \cos \phi \end{array}\right]$轮胎印迹坐标系关于车体坐标系的方向余弦矩阵为：$A^{\mathrm{gs}}={\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & 0& -\sin \theta \\ 0& 1& 0\\ \sin \theta & 0& \cos \theta \end{array}\right]}^{-1}{\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \phi & \sin \phi \\ 0& -\sin \phi & \cos \phi \end{array}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & \sin \theta \sin \phi & \sin \theta \cos \phi \\ 0& \cos \phi & -\sin \phi \\ -\sin \theta & \cos \theta \sin \phi & \cos \theta \cos \phi \end{array}\right]$轮胎坐标系关于轮胎印迹坐标系的方向余弦矩阵为：$A^{\mathrm{tg}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \delta & \sin \delta & 0\\ \sin \delta & \cos \delta & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$表示车体的横摆角、φ表示车体的侧倾角、θ表示车体的纵倾角；A3、根据车体受力模型，由牛顿定律得到车体平动动力学方程(1)及车体转动动力学方程(2)：所述车体平动动力学方程(1)为：$\begin{array}{c}m(\stackrel{·}{u}+w_{y}w-w_{z}v)=\Sigma \left(F_{\mathrm{xsij}}\right)+\mathrm{mg}\sin \theta \\ m(\stackrel{·}{v}+w_{z}u-w_{x}w)=\Sigma \left(F_{\mathrm{ysij}}\right)-\mathrm{mg}\sin \mathrm{\phi \theta }\cos \\ m(\stackrel{·}{w}+w_{x}v-w_{y}u)=\Sigma (F_{\mathrm{zsij}}+F_{\mathrm{dzij}})-\mathrm{mg}\cos \phi \cos \theta \end{array}---\left(1\right),$$\begin{array}{c}{J}_x{\stackrel{·}{w}}_x=\Sigma \left(M_{\mathrm{xij}}\right)+(F_{\mathrm{zslf}}+F_{\mathrm{zslr}}-F_{\mathrm{zslr}}-F_{\mathrm{zsrr}})c/2\\ J_y{\stackrel{·}{w}}_y=\Sigma \left(M_{\mathrm{yij}}\right)+(F_{\mathrm{zslr}}+F_{\mathrm{zsrr}})b-(F_{\mathrm{zslf}}+F_{\mathrm{zsrf}})a\\ J_z{\stackrel{·}{w}}_z=\Sigma \left(M_{\mathrm{zij}}\right)+(F_{\mathrm{yslf}}+F_{\mathrm{yslf}})a-(F_{\mathrm{yslr}}+F_{\mathrm{ysrr}})b+(-F_{\mathrm{xslf}}+F_{\mathrm{xsrf}}-F_{\mathrm{xslr}}+F_{\mathrm{xsrr}})c/2\end{array}---\left(2\right)$其中u、v、w分别表示车体质心处的纵向、侧向、垂向速度，F_xsij、F_ysij分别表示悬架杆系传递至车体的x、y方向力，F_zsij表示悬架减振器支柱与弹簧传递至车体z方向力，F_dzij表示由悬架杆系产生并传递至车体的举升力，M_xij、M_yij、M_zij分别为悬架传递至车体的力矩在x、y、z三个方向上的分力矩，ij表示左前lf，右前rf，左后lr，右后rr，车体俯仰角θ，侧倾角φ，横摆角是相对于惯性坐标系，而车体运动角速度w_x，w_y，w_z是相对于车体坐标系；所述建立悬架模型的步骤具体为：B1、获取汽车单侧非簧载质量m_ui、悬架刚度k_sji、悬架阻尼系数b_sji、质心高度h、质心与侧倾中心高度差h_rci、轮胎半径r_ri、轮胎垂向刚度k_ti；B2、参照建立车体模型中的步骤A2建立的车体坐标系、轮胎印迹坐标系、轮胎坐标系、惯性坐标系，并假定前后悬架侧倾中心高度固定不变，而且侧倾中心是悬架将载荷传递到车体的作用点，建立车体右前悬置点的载荷方程：$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{xsrf}}=F_{\mathrm{xgsrf}}+m_{\mathrm{uf}}g\sin \theta -m_{\mathrm{uf}}{\stackrel{·}{u}}_{\mathrm{urf}}+m_{\mathrm{uf}}{w}_z{v}_{\mathrm{urf}}-m_{\mathrm{uf}}{w}_y{w}_{\mathrm{urf}}\\ F_{\mathrm{ysrf}}=F_{\mathrm{ygsrf}}-m_{\mathrm{uf}}g\sin \phi \cos \theta -m_{\mathrm{uf}}{\stackrel{·}{v}}_{\mathrm{urf}}+m_{\mathrm{uf}}{w}_x{w}_{\mathrm{urf}}-m_{\mathrm{uf}}{w}_z{u}_{\mathrm{urf}}\\ F_{\mathrm{zsrf}}=x_{\mathrm{srf}}{k}_{\mathrm{srf}}+{\stackrel{·}{x}}_{\mathrm{srf}}{b}_{\mathrm{srf}}\\ M_{\mathrm{xrf}}=F_{\mathrm{ysrf}}{h}_{\mathrm{rcf}}\\ M_{\mathrm{yrf}}=-(F_{\mathrm{xsgrf}}{r}_{\mathrm{rf}}+F_{\mathrm{xsrf}}{l}_{\mathrm{srf}})\\ M_{\mathrm{zrf}}=0\end{array}\right.,$其中u_urf、v_urf、w_urf分别表示右前非簧载质量在车体坐标系下的速度，而u_urf的导数表示加速度，k_srf右前悬架刚度l_srf表示右前悬轮心至车体悬置点长度，m_uf表示单侧前悬非簧载质量，h_rcf表示质心至前悬侧倾中心距离，F_xgsrf，F_ygsrf，F_zgsrf是基于车体坐标系的轮胎接地点载荷，由基于轮胎印迹坐标系的轮胎力F_xgrf，F_ygrf，F_zgrf通过坐标变换计算得到；B3、然后计算非簧载质量速度，其中非簧载质量纵向速度u_urf与侧向速度v_urf由下式计算得到：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{urf}}=u_{\mathrm{srf}}-l_{\mathrm{srf}}{w}_y\\ v_{\mathrm{urf}}=v_{\mathrm{srf}}-l_{\mathrm{srf}}{w}_x\end{array}\right.,$其中u_srf、v_srf为右前悬置点速度，而非簧载质量的垂向速度由下式求得：$\begin{array}{c}{m}_u{\stackrel{·}{w}}_{\mathrm{urf}}=\cos \phi (\cos \theta (F_{\mathrm{zgrf}}-m_{u}g)+\sin \theta F_{\mathrm{xgrf}})-\sin \phi F_{\mathrm{xgrf}}\\ -F_{\mathrm{dzrf}}-x_{\mathrm{srf}}{k}_{\mathrm{sf}}-{\stackrel{·}{x}}_{\mathrm{srf}}{b}_{\mathrm{sf}}-m_u(v_{\mathrm{urf}}{w}_x-u_{\mathrm{urf}}{w}_y)\end{array}$而右前悬置点速度由车体质心速度根据坐标变换求得：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{srf}}\\ v_{\mathrm{srf}}\\ w_{\mathrm{srf}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& c/2\\ 0& 0& a\\ -c/2& -a& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{w}_x\\ w_y\\ w_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right],$其中c表示轮距，a表示车体质心至前轴距离；B4、然后得到右前轮胎载荷：$\left[\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{xgrf}}\\ F_{\mathrm{ygrf}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \delta }_f& {\sin \delta }_f\\ {\sin \delta }_f& {\cos \delta }_f\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{xtrf}}\\ F_{\mathrm{ytrf}}\end{array}\right],$F_xtrf、F_ytrf表示基于轮胎自身坐标系的轮胎纵向力、轮胎侧向力，而相对于轮胎自身坐标系的轮胎垂向载荷可由轮胎垂向变形计算得到F_zgrf＝F_ztrf＝x_trfk_tf，k_tf表示前轮胎垂向刚度，x_trf表示右前轮胎垂向变形量；而右前轮胎的垂向变形由下式计算得到：${\stackrel{·}{x}}_{\mathrm{trf}}-\cos \theta (w_{\mathrm{urf}}\cos \phi +v_{\mathrm{urf}}\sin \phi )+u_{\mathrm{urf}}\sin \theta ,$同理得到左前、左后、右后点的速度和载荷方程；建立计算车轮等效转角模型的具体步骤为：C1、获取前后轮胎侧偏刚度c_ai、轮胎外倾刚度c_ri，以及前后悬架相关K&C特性，包括悬架侧倾转向梯度E_i、侧倾外倾梯度_γi、侧向力变形转向梯度A_i、侧向力变形外倾梯度γ_yi、回正力矩变形转向梯度E_mi；C2、根据得到的轮胎特性及悬架K&C特性参数，计算前轮胎侧偏特性导致的转角后轮胎侧偏特性导致的转角前悬侧倾转向E_fR_φa_y、后悬侧倾转向E_rR_φa_y、前悬侧倾外倾转向后悬侧倾外倾转向前悬侧向力变形转向A_fF_yf、后悬侧向力变形转向A_rF_yr、前悬侧向力外倾转向后悬侧向力外倾转向前悬回正力矩变形转向E_mfm_fp_tf、后悬回正力矩变形转向E_mrm_rp_tr及由转向系运动学导致的前轮转角δ_ref，将求出的各项车轮转角分量叠加及可得到前后轮的综合转角，其中m_f、m_r为前后轴荷，c_af、c_ar为前后轮胎侧偏刚度，E_f、E_r为前后悬侧倾转向梯度，R_φ为车体侧倾梯度，r_f、r_r为前后悬侧倾外倾梯度，c_rf、c_rr为前后轮胎外倾刚度，A_f、A_r为前后悬侧向力变形转向梯度，r_yf、r_yr为前后悬侧向力外倾梯度，E_mf、E_mr为前后悬回正力矩变形转向梯度，p_tf、p_tr为前后悬侧向力臂，而a_y为车体侧向加速度，由车体运动状态变量计算得到：为前后轮侧向力，分别为轮胎基于轮胎自身坐标下的力F_ytij，ij表示左前lf，右前rf，左后lr，右后rr,完成建立计算车轮等效转角模型,根据所建立的等效转角计算模型，结合车体模块输入的车体运动状态变量计算出前后轮胎的侧偏角，进而将前后轮侧偏角带入轮胎模型计算出轮胎力。