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基于MATLAB的车辆两自由度操纵稳定性模型及分析
汽车操纵稳定性是汽车高速安全行驶的生命线,是汽车主动安全性的重要因素之一;汽车操纵稳定性一直汽车整车性能研究领域的重要课题。本文采用MATLAB仿真建立了汽车二自由度动力学模型,通过仿真分析了不同车速、不同质量和不同侧偏刚度对汽车操纵稳定性的影响。研究表明,降低汽车行驶速度,增加前后轮侧偏刚度和减小汽车质量可以减小质心侧偏角,使固有圆频率增加降低行驶车速还可以使阻尼比增加,超调量及稳定时间减少。
车辆操纵稳定性评价主要有客观评价和主观评价俩种方法。客观评价是通过标准实验得到汽车状态量,再计算汽车操纵稳定性的评价指标,这可通过实车实验和模拟仿真完成,在车辆开发初期可通过车辆动力仿真进行车辆操纵稳定性研究。
二自由度汽车模
为了便于掌握操纵稳定性的基本特性,对汽车简化为线性二自由度的汽车模型,忽略转向系统的影响,直接一前轮转角作为输入;忽略悬架的作用,认为汽车车厢只作用于地面的平面运动。
2 运动学分析
确定汽车质心的(绝对)加速度在车辆坐标系的分量ax和ay。Ox与Oy为车辆坐标系的纵轴与横轴。质心速度v1与t时刻在Ox轴上的分量为u,在oy
2.1 沿Ox轴速度分量的变化为:
考虑到?θ很小并忽略二阶微量,上式变成:除以?t并取极限,便是汽车质心绝对加速度在车辆坐标系。
沿Ox轴速度分量的变化为:
同理,汽车质心绝对加速度沿横轴oy上的分量为:
2.2 二自由度动力学方程
二自由度汽车受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩和为:
式中,FY1,FY
考虑到δ很小,上式可以写上:
根据坐标系的规定,前后侧偏角为:
由此,可以列出外力,外力矩与汽车参数的关系式为:
所以,二自由度汽车的运动微分方程为:
上式可以变形为:
2.3 转化成标准的状态空间方程
写成状态方程为:
其中:
X= Y=
C=10
3 仿真模型的建立
仿真时间设置为10s,前轮转角弧度为1/pi,汽车总质量m=2045kg,绕Z轴转动惯量Iz=5428kg?m2,轴距L=3.2m,质心到前轴距离a=1.488m,质心到后轴距离b=1.712m,前轮总侧偏刚度k1=-77850N/rad,后轮总侧偏刚度k
仿真模型为:
3.1 比较30km/h,90km/h不同速度下的横摆角速度和质心侧偏角响应曲线
在30km/h和90km/h时state-space参数分别设置为:
不同速度时仿真横摆角速度和质心侧偏角曲线为:
3.2 速度在90km/h时修改质量,比较不同质量的响应(原始2045,加上1304)
在2045kg和3349kg时state-space参数分别设置为:
不同质量时仿真横摆角速度和质心侧偏角曲线为:
3.3 分别修改前轮和后轮的侧偏刚度,比较不同侧偏刚度的影响(原始77.85 KN/rad,76.51 KN/rad, 加上30 KN/rad )
在前轮轮侧偏刚度为77.85 KN/rad,后轮侧偏刚度为76.51 KN/rad时;前轮刚度分别加上30 KN/rad时,state-space参数设置为:
不同侧偏刚度时仿真横摆角速度和质心侧偏角曲线为:
3.4 根据以上的仿真曲线结合瞬态响应中的几个参数来进行分析
瞬态响应参数:
1)横摆角速度ωr波动时的固有(圆)频率
2)阻尼比
3)应时间
4 结论
分析表明,降低汽车行驶速度,增加前后轮侧偏刚度和减小汽车质量可以减小质心侧偏角,使固有圆频率增加降低行驶车速还可以使阻尼比增加,超调量及稳定时间减少;而增加行驶速度,汽车质量和前后轮侧偏刚度可以使反应时间缩短。固有(圆)频率ω0是评价汽车瞬态响应的一个重要参数,值应高些为好;反应时间是指角阶跃转向输入后,横摆角速度第一次达到稳定值所需的时间,值应小些为好;正常的汽车都具有小阻尼的瞬态响应。
汽车在行驶过程中,由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用,车轮中心沿Y轴方向将作用有侧向力,相应地在地面上产生地面侧向反作用力,称为侧偏力。当侧偏力达到附着极限时,整个车胎侧滑。轮胎的最大侧偏力决定于附着条件,即垂直载荷,轮胎胎面花纹、材料、结构、充气压力,路面的材料、结构、潮湿程度以及车轮的外倾角,最大侧偏力越大,汽车的极限性能越好。
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