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汽车操纵稳定性客观评价方法研究 博士论文.pdf

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汽车 操纵 稳定性 客观 评价 方法 研究 博士论文
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分类号 U461.6 密级 公开 U D C 编号 781 1 1 吉林大学 博 士 后 研 究 工 作 报 告 汽车操纵稳定性客观评价方法研究 裴 春 艳 工作完成日期: 2009 年 09 月 至 2011 年 09 月 报告提交日期: 2011 年 09 月 吉林大学 二〇一一 年 九 月 汽车操纵稳定性客观评价方法研究 Study on Objective Evaluation Method for Vehicle Handling and stability 博 士 后 姓 名 裴春艳 流动站(一级学科)名称 机械工程 专 业(二级学科)名称 车辆工程 研究工作起始时间 2009 年 9 月 1 日 研究工作期满时间 2011 年 9 月 1 日 吉林大学 2011年 09月 摘 要 2 摘 要 汽车操纵稳定性是评价汽车产品性能的重要指标之一,操纵稳定性性能的设计 与保障是汽车安全行驶的前提,也是研究汽车主动安全性、汽车智能交通系统、汽 车自动驾驶技术和车辆巡航技术的基础。如果汽车的操纵稳定性不好,可能会引起 汽车转向反应慢、左右摇摆、制动跑偏等情况,严重时导致侧翻。因此,研究汽车 的操纵稳定性问题具有重要意义。 汽车操纵稳定性的评价方法有主观评价和客观评价两种方法。主观评价法所得 到的结果受驾驶员生理和心理因素的影响,不同的驾驶员对同一台车辆的某个指标 评价结果可能相差很大,而客观评价方法一般是通过仪器测得结果,其数据不受主 观因素的影响,因此评价结果是客观的,获得的评价比主观评价方法更具有一致性。 本文所讨论的问题是汽车操纵稳定性的客观评价方法, 主要目的是建立一套汽车 操纵稳定性的客观评价体系。 通过建立操纵稳定性客观评价指标体系; 匹配试验工况; 对试验数据有效性进行自适应判断,计算评价指标的特征值;对新车的操纵稳定性能 进行定标,给出各评价指标的定标推荐区间,最终建立一套能够指导新车设计的实用 的且完全覆盖车辆操稳主要性能的客观评价体系,为新车底盘系统的开发,例如:确 定车辆总布置参数,设置悬架、轮胎及转向系统硬点等,提供理论依据和方法。该操 纵稳定性的客观评价体系的建立对缩短汽车新产品的开发周期、降低成本、提升我国 自主品牌汽车行业的研发水平具有重要的意义。 具体方法如下: 从车辆侧向动力学性能体系及与之对应的试验工况中, 提取出能够准确并全面描 述操纵稳定性的性能指标,确定了乘用车操纵稳定性客观评价指标体系。并对操纵稳 定性客观评价指标体系的 “操纵性”、 “稳定性”、 “侧倾特性”和“方向盘力特性”等四个 方面的评价指标匹配了试验工况。 并就操纵稳定性客观评价体系具体所包含的各个特 征参量及相应的评价工况逐一进行了详尽的论述。 针对于本文所建立的操纵稳定性客观评价指标体系,对实车场地的操纵稳定性 试验数据进行处理,计算出了操纵稳定性客观评价指标体系中的特征值,并研究了操 纵稳定性客观评价指标数据处理方法。 将评价车参照本报告所确定的评价指标体系进 行操纵稳定性试验,计算出其操纵性、稳定性、侧倾特性和方向盘力特性四个方面的 评价指标,分析所得到的结果,由此对乘用车进行定标,给出了符合操纵稳定性客观 标准的定标推荐区间。 关键词:汽车,操纵稳定性,客观评价体系,定标。 Abstract 3 Abstract Vehicle handling and stability is one of the most important indexes for evaluating automobile products handling and stability, its performance design and guarantee are the premise of safe running of automobiles, it is also the foundation for study of vehicle active safety, automobile intelligent transportation system, vehicle automatic driving and vehicle cruise system. If the quality of vehicle handling stability is not good, it may cause automobile slow steering response, swaying, braking deviation and so on, severely, it may lead to rollover. Therefore, it is very important for us to research on the problem of handling and stability of vehicle. There are two methods to evaluate vehicle handling and stability, one is subjective evaluation and the other is objective evaluation. The results of the subjective evaluation are affected by the driver's physiological and psychological factors, and the results of an index from different drivers’ evaluation of the same vehicle may be different greatly. But the objective evaluation method generally obtains results through the instrument measured, the datum are not affected by subjective factors, so the evaluation result is objective, and its evaluation results is more accordant than subjective evaluation method. The question discussed in this paper is the evaluation method of vehicle handling and stability, the main purpose is to establish a set of objective evaluation system of vehicle handling and stability. Through the establishment of handling objective evaluation index system; matching test conditions; adaptive judgment of the test data validity, calculating evaluation index of characteristic value, then new vehicle performance the handling and stability is calibrated, and the recommended interval of each evaluation index is given. Finally, we establish a set of objective evaluation system, which can guide the new car design and is suitable for operating and completely covering the main performance of handling and stability of vehicle. This system can provide a theoretical basis and method for developing chassis system of new car, for example, it can be use to determine parameters of the vehicle configuration and set hard point for the suspension, tires and steering system. The establishment of the objective evaluation system of handling and stability is important to shorten the new product development cycle, reduce cost, and improve development level of our independent brand of automobile industry Specific methods are as follows: From the vehicle lateral dynamic performance system and the corresponding test Abstract 4 conditions, the performance indexes are abstract, which can describe the handling stability performance truly and entirely, and the car handling objective calibration system is determined. Tests condition are matched for this system from four aspects, namely, the characteristics of “handling”, “stability”, “roll” and “steering wheel force”. The various characteristic parameters and the corresponding calibration work conditions are discussed in detail for the handling objective calibration system. The vehicle test datum of the handling and stability from field tests are processed according to the handling objective calibration system in the paper, then the characteristic value in this system are calculated. The datum manipulation methods of objective evaluation index system are investigated. Handling and stability tests are done for the evaluation cars according to the evaluation system established in this report. The evaluation indexes results of four aspects, that is, handling, stability, roll and steering wheel force are calculated. From the analysis results, the picketage of the target car could be decided, the picketage recommendatory interval accord with the objective criterion of the handling and stability could be given. Key Words: Vehicle, Handling and stability, Objective evaluation system, Picketage 目 录 2 目 录 第 1 章 绪论 ......................................................................................................................... 1 1.1 选题背景与意义 .............................................................................................. 1 1.2 操纵稳定性的研究方法进展与现状............................................................... 1 1.3 操纵稳定性客观评价方法发展现状............................................................... 3 1.4 本文的研究思路 .............................................................................................. 4 1.5 本文的主要内容 .............................................................................................. 4 第 2 章 乘用车操纵稳定性客观评价体系的建立 ............................................................... 6 2.1 引言 .................................................................................................................. 6 2.2 建立操纵稳定性客观评价指标体系............................................................... 6 2.3 为评价指标匹配试验工况............................................................................. 12 2.4 本章小结 ........................................................................................................ 19 第 3 章 乘用车操纵稳定性客观评价指标处理方法 ......................................................... 20 3.1 稳态转向性能试验......................................................................................... 21 3.2 转向瞬态响应试验(角阶跃)..................................................................... 27 3.3 转向瞬态响应试验(角脉冲)..................................................................... 44 3.4 转向回正性能试验......................................................................................... 47 3.5 蛇行试验 ........................................................................................................ 54 3.6 连续正弦试验—转向盘中间位置试验......................................................... 58 3.7 直线行驶稳定性试验..................................................................................... 62 3.8 原地转向试验 ................................................................................................ 63 3.9 本章小结 ........................................................................................................ 64 第 4 章 乘用车操纵稳定性客观评价试验结果分析 ......................................................... 66 4.1 乘用车操纵稳定性客观评价试验对象和试验目的...................................... 66 4.2 乘用车评价指标的数据处理结果................................................................. 66 4.3 乘用车操纵稳定性性能定标......................................................................... 71 4.4 本章小结 ........................................................................................................ 77 第 5 章 结语与展望 ............................................................................................................. 78 5.1 结语 ................................................................................................................ 78 5.3 展望 ................................................................................................................ 78 参考文献 ............................................................................................................................... 80 致 谢................................................................................................................................... 85 博士后期间发表的学术论文 ............................................................................................... 86 个人简历 ............................................................................................................................... 87 永久通信地址 ....................................................................................................................... 88 第 1章 绪论 1 第 1章 绪论 1.1 选题背景与意义 近年来,随着我国经济的快速发展,人民生活水平不断提高,汽车已逐渐走进千 家万户。据 2011年 1月 10日中国汽车工业协会发布的统计数据显示,2010年中国 汽车产销分别为 1826.47万辆和 1806.19万辆,不仅蝉联世界第一,且创全球历史新 高。超过美国车市的最高纪录 1700万辆,我国已成为世界第一汽车产销大国。然而, 我国的自主品牌汽车工业较发达国家起步晚,企业研发基础相对薄弱,那么如何在汽 车行业发展迅猛的形势下,提高国产汽车的品质,从而增强其在国内和国际汽车市场 的竞争力,是我国科研人员致力研究的重要课题。 汽车操纵稳定性是评价汽车产品性能的重要指标之一, 操纵稳定性性能的设计与 保障是汽车安全行驶的前提,也是研究汽车主动安全性、汽车智能交通系统、汽车自 动驾驶技术和车辆巡航技术的基础。如果汽车的操纵稳定性不好,可能会引起汽车转 向反应慢、左右摇摆、制动跑偏等情况,严重时导致侧翻。所谓汽车操纵稳定性,即 “驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下,汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮 给定的方向行驶,且当遭遇外界干扰时,汽车能抵抗而保持稳定行驶的能力” [1] 。由 于受研究目的、驾驶任务、人为感觉及环境条件等诸多因素的影响,使得对汽车操纵 稳定性的研究和评价变得错综复杂。虽然关于汽车操纵稳定性方面的文献很多,并提 出了不同复杂程度的数学模型、评价指标、实验方法及实验手段,但迄今为止还没有 找出公认的客观定量评价操纵稳定性的最佳方法。 为此,汽车企业普遍需要一套能够直接指导新车产品概念设计,为确定待开发车 型的总布置参数、设置悬架、轮胎及转向系统硬点提供理论依据的操纵稳定性客观评 价体系。另一方面,如何从繁多的开环试验指标中提取出能够准确且不为重复地描述 车辆操纵稳定性关键性能的指标与工况, 对于缩短实车评价试验周期, 降低试验成本, 并从根本上提升我国汽车企业的自主研发水平与国际市场竞争力更具有重要的现实 意义。 1.2 操纵稳定性的研究方法进展与现状 由于操纵稳定性是评价汽车产品性能的重要性能指标之一, 操纵稳定性的好坏直 接关系到汽车的安全性和舒适性,因此越来越受到人们的重视。 自从1886年1月29日卡尔·本茨在德国为“使用汽油发动机的车辆”申请专利,标志 着第一辆现代汽车的诞生,直到1925年,法国工程师Georges Broulhiet发现了轮胎侧第 1章 绪论 2 偏现象,才揭开了人们对于汽车操纵稳定性认识和研究的序幕。1931年,Bucker等在 研究汽车转向振动问题时,给出了轮胎侧偏刚度的概念。 1935年, Evan讨论了轮胎侧 偏刚度随侧偏角变化的规律 [2] 。1960年以前,开环方法是汽车操纵稳定性研究的主要 方法。开环方法是“按照对控制系统的操纵性、稳定性和瞬态响应特性的一般性要求, 评价汽车运动特性的方法”,具体来说,这种方法是“以汽车作为一个开环控制系统, 求出汽车曲线行驶的时域响应和频率响应特性,对系统进行稳态和瞬态分析,用横摆 角速度频率响应特性、方向盘角阶跃输入下的稳态响应、方向盘角阶跃输入下的瞬态 响应、不足转向特性和过度转向特性等来表征汽车的特性”。基于经典控制理论的开 环方法需要建立汽车动力学模型,1956年,美国Cornell航空实验室 Whitcomb、 Milliken 和 Segel 提出了汽车“线性二自由度”和“线性三自由度”模型。 1965年, Segel 又提出了“线性四自由度”模型。 然而这些数学模型都是在基于理想化的假设基础上建 立的,考虑了主要因素,忽略了一些次要因素,因此与实际情况存在着差异。后来, 为了更加精准的描述汽车动力学问题,人们提出了越来越多自由度的汽车动力学模 型,目前以发展至“十八自由度”模型 [3] 甚至更多自由度模型,并且将线性模型发展为 “非线性”模型 [4-6] 。 二十世纪六十年代后期,人们认识到驾驶者的重要性,对于飞机操纵稳定性的研 究开始应用闭环系统 [7] ,后来将其推广到汽车操纵稳定性的研究中。所谓闭环方法, 即以“驾驶者-车-环境”作为一个闭环系统,按照整个系统的特性进行评价。文献[8] 总结了考虑驾驶者的闭环控制系统模型,如 PID 补偿模型、交叉模型是用经典控制理 论建立起来的早期的模型,后来又出现了线形预测模型、二阶预测校正模型、最优预 瞄控制模型及预瞄最优曲率模型。 近年来,由于科学技术的快速发展,尤其是计算机技术的日新月异,不仅使汽车 的生产技术得到了快速提高,同时汽车的操纵稳定性研发工作也得到长足的进步。例 如:借助计算机技术,汽车的设计已由传统设计,过渡到计算机辅助设计,再发展到 现今的概念设计,大大缩短了产品开发周期。同时,多体动力学软件ADAMS的应用 [9-12] ,现代的理论和方法如:虚拟样机技术 [13-14] 、人工神经网络 [15-16] 、遗传算法 [17] 、 模糊控制 [18-20] 、 鲁棒控制 [21-23] 等的提出, 使汽车操纵稳定性技术也得到了较大的进步。 基于虚拟样机技术(Virtual Prototype Technique)建立的多体动力学模型,与基 于经典力学建立的集中质量汽车模型有所不同, 它可对整车的动力学问题如平顺性和 操纵稳定性进行研究,也可应用于汽车虚拟设计、虚拟试验技术、行驶模拟和虚拟维 修技术等的研究工作中。对于汽车操纵稳定性问题,应用虚拟样机技术的可视化操作 平台,可对不同工况下整车操纵性能进行分析。 神经网络(Neural Network)是基于生物学的人脑神经网络基本原理而建立的,第 1章 绪论 3 用数学方法从人工智能角度对所研究问题进行抽象,并建立某种简化模型,来处理问 题的一种智能算法。神经网络为非线性问题提供了新的思路,对于汽车操纵稳定性模 型中涉及的一些非线性问题, 可应用神经网络技术与实验数据相结合的方法来分析操 纵稳定性能。 遗传算法(Genetic Algorithm)是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成 的一种自适应全局优化概率搜索算法。 遗传算法与神经网络算法都是模拟生物学规律 的智能优化方法 [24] ,经过数学抽象建立模型,通过计算机进行求解。汽车操纵稳定性 问题,运用这两种方法设计悬架,可计算出不同工况下悬架系统控制力的最优值。 采用模糊控制(Fuzzy Control)设计的汽车制动防抱死(ABS)系统,可改善汽车 的制动效能及其在制动时方向的稳定性。将鲁棒控制(Robust Control)应用于悬架 的设计,可得到保证汽车操纵稳定性的不确定参数的区间值。 我国对于汽车操纵稳定性的研究始于上世纪七十年代。 汽车专业的科研院所以及 汽车厂在不同的方面进行了操纵稳定性的理论研究和试验工作。 郭孔辉院士作为我国 汽车操纵稳定性和平顺性科技领域的主要开拓者, 对于操纵稳定性技术做了大量研究 工作 [25-29] ,提出了具有代表性的闭环控制系统的“预瞄最优曲率模型和预测模型”,给 出了基于汽车非线性特性的定量评价人—车闭环系统的综合评价指标, 提出了基于总 方差方法的汽车操纵稳定性客观评价体系。 1.3 操纵稳定性客观评价方法发展现状 汽车操纵稳定性评价方法有主观评价和客观评价两种方法 [30-33] 。主观评价法就 是让“评价者根据试验时自己的感觉来进行评价”。客观评价法是“通过测试仪器测出 表征性能的物理量如横摆角速度、侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价操纵稳定 性的方法”。主观评价法所得到的结果受驾驶员生理和心理因素的影响,不同的驾驶 员对同一台车辆的某个指标评价结果可能相差很大,而客观评价方法一般是通过仪 器测得结果,其数据不受主观因素的影响,因此评价结果是客观的,获得的评价比 主观评价方法更具有一致性。 按照是否考虑驾驶员的影响,将汽车操纵稳定性的客观评价方法分为两种:开环 方法和闭环方法 [34-36] 。 由 1.2节中给出的这两种方法的定义可知, 两者的主要区别是: 开环方法是以汽车自身作为一个控制系统来评价汽车动态特性,而闭环方法是指人- 车-环境作为闭环系统,对整个系统的特性进行评价的方法。 在对汽车操纵稳定性的进行客观评价 [37-42] 时,采用的方法主要有: (1)ESV 汽车操纵稳定性评价方法; ESV 汽车操纵稳定性评价方法在文献[43]中做了全面的综述:“ESV 汽车操纵稳第 1章 绪论 4 定性评价方法在文献最初是在 1969 年发表的美国试验安全车的操纵稳定性研究中 提出来的,后来发展成为研究安全车 RSV。ESV 是以安全性为研究目标,除了提出 被动安全性要求外,同时对汽车的主动安全性也提出了很高的要求。ESV 第一次用 准确的极限规定了行驶特性的项目,包括驾驶安全型的要求。根据大量的试验和理论 分析,确定以响应参数作为评价汽车固有特性的指标,并提出了稳态响应特性、瞬态 响应特性、回正性能、侧风稳定性及路面不平敏感性的安全允许的范围或限值。” (2)ISO汽车操纵稳定性试验评价方法; ISO(国际标准化组织)方法是与 ESV平行的方法,制订了统一的汽车操纵稳定 性检测方法。至今已经有许多 ISO标准及技术报告 [44-57] ,例如:双移线试验、蛇形试 验、转向脉冲试验和稳态回转试验等。ISO方法对稳态和瞬态的转向特性、回正特性 以及侧倾特性等方面提出了要求。 (3)国标汽车操纵稳定性试验评价方法; 我国制订了一系列汽车试验方法的国家标准 [58-68] ,关于操纵稳定性的试验标准 有:蛇行试验 [58] ,转向瞬态响应试验(转向盘角阶跃输入) [59] ,转向瞬态响应试验 (转向盘角脉冲输入) [60] ,转向回正性能试验 [61] ,转向轻便性试验 [62] 和稳态回转试 验 [63] 等。 1.4 本文的研究思路 本文的主要目的是建立一套实用的且完全覆盖车辆操纵稳定性主要性能的客观 评价体系。 研究思路和方法为: 1、建立操纵稳定性客观评价指标体系; 2、为评价指标匹配试验工况; 3、处理试验数据; 4、计算评价指标特征值; 5、研究并确定新车产品操稳性能定标方法。 1.5 本文的主要内容 本文的研究内容是建立一套指标精炼、 结构简约且能全面覆盖车辆操纵稳定性主 要性能的指标体系。 进而对于当前由国标和 ISO所构成的繁芜的试验评价体系加以简 化。力求从理论及实践两方面,保证评价的科学性与准确性。 第 1章 绪论 5 具体内容为: 第一章简要介绍本文的课题背景和选题意义,汽车操纵稳定性的发展现状,包括 其发展史、研究方法、分类等,并介绍了操纵稳定性的客观评价的主要方法。 第二章从车辆侧向动力学性能体系及与之对应的试验工况中, 提取出能够准确并 全面描述操纵稳定性的性能指标,确定了乘用车操纵稳定性客观评价指标体系。并对 操纵稳定性客观评价指标体系的 “操纵性”、 “稳定性”、 “侧倾特性”和“方向盘力特性” 等四个方面的评价指标匹配了试验工况,其中,将“操纵性”详细划分为三部分:线性 区操纵性、非线性区操纵性以及中心区操纵性;将“稳定性”细化为以下两部分:回正 稳定性与直线行驶稳定性。 并就操纵稳定性客观评价体系具体所包含的各个特征参量 及相应的评价工况逐一进行了详尽的论述。 第三章针对于第二章所建立的操纵稳定性客观评价指标体系, 对实车场地的操纵 稳定性试验数据进行处理,计算出了操纵稳定性客观评价指标体系中的特征值。以某 款乘用车为试验对象,对其进行操纵稳定性试验,共包括稳态转向、角阶跃、角脉冲、 转向回正、连续正弦、蛇行、直线行驶稳定性以及原地转向八种试验方法。并给出了 操纵稳定性客观评价指标数据处理方法和计算结果。 第四章依照第 2章所提出的操纵稳定性客观评价体系, 将四款国内外知名品牌乘 用车参照国标规定进行操纵稳定性试验,计算出操纵性、稳定性、侧倾特性和方向盘 力特性四个方面的评价指标结果,将被测车辆的操纵稳定性评价指标进行排序,分析 所得到的评价结果,由分析结果对乘用车进行定标,给出了其符合操纵稳定性客观标 准的定标推荐区间和推荐理由。 第五章对本文在汽车操纵稳定性客观评价体系的工作进行总结,讨论本领域内仍 需解决的问题,并对下一步的工作进行展望。 第 2章 乘用车操纵稳定性客观评价体系的建立 6 第 2章 乘用车操纵稳定性客观评价体系的建立 2.1 引言 汽车的底盘性能作为整车动力学性能的基础,在新车开发的初期,就必须予以保 证。而在汽车的底盘性能之中,与车辆的行驶安全性关系最为密切的操纵稳定性更是 工程设计人员关注的焦点。 因此, 汽车厂商普遍需要一套能够直接指导新车概念设计, 为车辆总布置参数的确定、悬架/转向/车轮硬点的设置提供依据的操纵稳定性客观评 价评价体系。另一方面,就车辆操纵稳定性的客观评价试验方法而言,其所涉及的动 力学性能相当广泛、评价指标亦较为繁多。为此,如何从如此繁多的开环试验中提取 出能够准确反应车辆操纵稳定性主要性能的工况与指标, 以实现缩短实车评价试验周 期,降低试验成本的目的,对当今的汽车企业更具有相当的现实意义。 汽车的底盘性能可划分为“性能指标”与“动态品质”两方面内容。 所谓“性能指标”,也就是汽车底盘性能的基本设计目标,是由整车总布置参数、 悬架/转向/车轮的设计硬点以及设计师对总成特性的基本定位和要求所确定的。 因此, “性能指标”属汽车的固有特性范畴,完全可由开环试验加以评定。性能指标主要有动 力性指标、平顺性指标、制动性指标和操纵稳定性指标。 所谓“动态品质”,是指在保证并提升车辆“性能指标”的同时,所带来的各种对于 汽车的底盘性能产生不良影响的因素。 这些因素往往需要通过主观评价方可加以分析 讨论,由主观评价试验结果对设计参数做适当的调整,使车辆
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