基于VC++的汽車操縱穩(wěn)定性模擬計算系統(tǒng)設計

胡 杰

（長安大學，陜西 西安 710064）

基于VC++的汽車操縱穩(wěn)定性模擬計算系統(tǒng)設計

胡 杰

（長安大學，陜西 西安 710064）

本文基于汽車操縱動力學理論，針對中型客車建立了汽車動力學模型——二自由度模型，通過動力學微分方程求解評價汽車操縱穩(wěn)定性的評價參數(shù)等。又以中型客車為對象和VC++為平臺開發(fā)了汽車操縱穩(wěn)定性模擬計算系統(tǒng)軟件，并以轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入為例進行操縱穩(wěn)定性計算，獲得其特征曲線和評價指標對其操穩(wěn)性進行評價分析。

操縱穩(wěn)定性；VC++；二自由度模型

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-22-04

引言

目前，絕大部分國產(chǎn)客車高速操穩(wěn)性不良，嚴重的甚至導致翻車危急安全，由此引起的客車交通事故也時有發(fā)生。正因為如此，國產(chǎn)客車必須具有良好的主動安全性，而汽車的操縱穩(wěn)定性是影響其主動安全性的主要性能之一。由于受到科研成本、開發(fā)周期等因素的影響，對汽車的各種性能的測試不可能都用試驗樣車來進行，因此汽車動力學仿真技術得到廣泛應用。本文利用VC++軟件對汽車的操縱穩(wěn)定性進行評價分析。

1、建立動力學模型與求解計算

1.1 線性二自由度的汽車模型假設

為了便于掌握分析汽車操縱穩(wěn)定性的基本特性，通常將其簡化為線性二自由度的汽車模型。進行一下簡化：

（1）分析中忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；

（2）忽略懸架的作用，認為汽車車廂只作平行于地面的平面運動，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側(cè)傾角均為零。

（3）假設汽車沿x軸的速度u不變；

（4）汽車只有沿y軸的側(cè)向運動與繞 軸的橫擺運動的兩個自由度；

（5）汽車側(cè)向加速度限定在0.4g以下，輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍；

（6）驅(qū)動力不大，不考慮地面切向力對輪胎側(cè)偏特性的影響；

（7）忽略空氣動力的作用；

（8）忽略左、右車輪輪胎由于載荷的變化而引起輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用。

便簡化成了一個兩輪摩托車模型，是一個由前后兩個有側(cè)向彈性的輪胎支承于地面、具有側(cè)向及橫擺運動的二自由度汽車模型[2]。如圖1。

汽車質(zhì)量分布參數(shù)如轉(zhuǎn)動慣量等，對固結于汽車的這一動坐標系而言為常數(shù)（圖2）。因此，只要將汽車的(絕對)加速度與(絕對)角加速度及外力與外力矩沿車輛坐標系的軸線分解，就可以列出沿這些坐標軸的運動微分方程。求解這些微分方程，就可以得出二自由度汽車模型的各個參數(shù)。

經(jīng)過推倒，可得二自由度模型運動微分方程為：

方程組雖簡單，卻包含最重要的汽車質(zhì)量與輪胎側(cè)偏剛度兩方面的參數(shù)。所以它能夠反映汽車曲線運動最基本的特征。

二自由度瞬態(tài)響應包括：在前輪角階躍輸入下，客車在某一車速下的橫擺角速度響應、質(zhì)心側(cè)偏角響應、車身相對側(cè)傾角響應及車身相對側(cè)傾角速度響應。

其中，用穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益來評價穩(wěn)態(tài)響應：

1.2 求解計算

本文采用改進歐拉法進行求解分析。將區(qū)間[a，b]分成n段，那么方程在第xi點有再用向前差商近似代替導數(shù)則為：，在這里，h是步長，即相鄰兩個結點間的距離。因此可以根據(jù)xi點和yi點的數(shù)值計算出yi+1來。由歐拉公式：

改進的歐拉算法：

先用歐拉法求得一個初步的近似值，稱為預報值，然后用它替代梯形法右端的yi+1 , 再直接計算fi+1，得到校正值yi+1，這樣建立的預報-校正系統(tǒng)稱為改進的歐拉算法：

它有下列平均化形式：

采用改進歐拉算法進行VC++編程，部分程序如下：

2、軟件介紹

該軟件主要用于：在前輪轉(zhuǎn)向角為階躍輸入的條件下，用戶輸入汽車的相應參數(shù)后，在對話框中輸出汽車操縱穩(wěn)定性的評價參數(shù)以及圖像，進而對汽車的操縱穩(wěn)定性進行評價。二自由度函數(shù)模塊的計算包括二自由度穩(wěn)態(tài)響應、二自由度瞬態(tài)響應。而二自由度穩(wěn)態(tài)響應又包括穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，穩(wěn)態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角增益；二自由度瞬態(tài)響應包括汽車在某一車速下的汽車階躍輸入下的橫擺角速度響應、階躍輸入下質(zhì)心側(cè)偏角、階躍輸入幅頻特性、階躍輸入相頻特性。輸出的評價參數(shù)分別有穩(wěn)定性因數(shù)、汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性、臨界車速、特征車速、固有頻率、反應時間、峰值反應時間以及阻尼比。

輸入?yún)?shù)主要包括：總質(zhì)量、軸距、前軸距、后軸距、車速、前輪轉(zhuǎn)角、前側(cè)偏剛度、后側(cè)偏剛度、對Z軸的轉(zhuǎn)動慣量。參數(shù)界面如圖3所示。

3、操穩(wěn)性軟件實例試驗

表1 主要參數(shù)表

本文我們選取宇通ZK6100H車型作為實例，在線性二自由度模型基礎上通過編制的軟件系統(tǒng)進行性能分析，主要參數(shù)如表1。

輸入?yún)?shù)運行軟件計算所得的曲線分別如圖4、5、6、7、8、9所示：

3.1 二自由度穩(wěn)態(tài)響應特性

（1）汽車穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益響應

可以看出，該車的二自由度穩(wěn)態(tài)響應曲線向下偏，K＞0,該車具有不足轉(zhuǎn)向特性。

（2）汽車穩(wěn)態(tài)質(zhì)心側(cè)偏角響應

由圖看出，K＞0為不足。

3.2 二自由度瞬態(tài)響應特性

（1）汽車某一車速下的橫擺角速度響應

這里我們選擇的車速為25.00m/s。從圖6可知，ZK6100H在轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下經(jīng)過0.6秒左右的波動達到峰值，經(jīng)過大約1.7秒達到穩(wěn)態(tài)。

（2）汽車某一車速下的質(zhì)心側(cè)偏角響應

（3）汽車某一車速下的階躍輸入的幅頻特性

幅頻特性曲線在低頻區(qū)接近與x軸平行的直線，隨著頻率的增加，至某一頻率時幅值比達到最大，頻率再增加，幅值比減小。

（4）汽車某一車速下階躍輸入的相頻特性

這里可以看出汽車橫擺角速度滯后于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的失真程度。

4、結論

本文利用VC++設計開發(fā)了汽車操縱穩(wěn)定性模擬計算系統(tǒng)軟件，功能還有待完善，二自由度適用于初學者，比較基礎簡單，但是也能表現(xiàn)出汽車的操縱穩(wěn)定性特性。數(shù)值上與真實值有點差距。ZK6100H操穩(wěn)性的驗證表明，本軟件的功能達到了設計的要求。

本軟件系統(tǒng)還存在一些不足，該軟件只對客車進行了二自由度的分析，對客車的動力分析還不是有很深的了解,有待于進一步研究。

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Design For Simulation Of Vehicle Handling And Stability Based On VC++

Hu Jie
(Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)

This paper based on vehicle handling dynamics theory for medium-sized passenger vehicle, sets up dynamics model - two free model, uses the dynamic differential equations to solve the evaluation of vehicle handling and stability evaluation parameters. Especially medium-sized passenger cars for the object and VC + + as a platform to develop the vehicle handling and stability of the simulation system software ,and take the input of steering wheel angle step as an example to make handling and stability calculations .

vehicle handling and stability；VC++；two degrees of freedom model

U461.6

A

1671-7988(2015)01-22-04

胡杰，就讀于長安大學汽車學院。