1、http: / /www chinacae cn第22 卷第4 期2013 年8 月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol22 No4Aug 2013文章编号 : 1006 0871( 2013) 04-0006-06整车建模和转向性能分析曹明伦， 杨财(长安汽车工程研究总院底盘中心，重庆 401120)摘要 : 为在开发初期准确预测和设计整车转向性能，基于一维系统动力学，借助AMESim软件建立详细的转向系统模型和整车模型该模型准确考虑惯性、刚度、摩擦、阻尼和助力曲线等转向系统内部特性;对于无法直接测试的输入参数，根据试验结果通过参数辨识的方法获取其准确值对
2、不同车速下汽车转向运动响应进行仿真分析，并与实车道路试验结果进行对比比较结果表明:所建立的整车模型既能准确模拟汽车横摆运动、侧向运动和侧倾运动状态，又能准确显示方向盘力矩变化规律关键词 : 转向系统; 液压助力; 车辆动力学; CAE模型; 转向性能中图分类号 : U4634 文献标志码 : BAnalysis on whole vehicle modeling and steering performanceCAO Minglun， YANG Cai( Chassis Center， Changan Auto D Global Center， Chongqing 401120， China)
3、Abstract: To predict and design the steering performance of whole vehicle exactly in the beginning periodof the development， a detailed steering system model and a whole vehicle model are built on the basis of1D system dynamics by AMESim In the model， the system interior characteristics are accurate
4、lyconsidered such as inertia， stiffness， friction， damping and assistance curve， and the parameteridentification method based on test results is used to get the precise value of input parameters which cannot be tested directly The vehicle dynamic responses is simulated and analyzed under steering ma
5、neuverand different velocities， and then the results are compared with the real road test results The resultsshow that， using the whole vehicle model， the yaw motion， lateral motion and roll motion of vehicle canbe simulated and the steering wheel torque can be accurately shown at the same timeKey w
6、ords: steering system; hydraulic powering; vehicle dynamics; CAE model; steering performance收稿日期 : 2013-01-11 修回日期 : 2013-01-28作者简介 : 曹明伦(1985)，男，重庆人，硕士，研究方向为汽车底盘性能、流体传动与控制，( E-mail)407560098 qq com0 引 言转向性能指由转向操作引起的所有性能问题 ，如操稳性 、手感 、回正 、振动和噪声等 目前 ， 很多学者针对汽车操纵稳定性进行大量研究 1-4， 并开发不同复杂程度 ( 自由度 ) 的整车模型 ，
7、 包括简化的转向系统模型 在大多数情况下 ， 这些模型能够非常好地模拟汽车的侧倾和操稳性能 ， 但几乎没有学者特别关注方向盘力矩的变化 一些研究表明 ， 在液压助力转向 ( Hydraulic Power Steering， HPS) 系统中 ， 摩擦 、间隙和液压回路对其动态性能有显著影响 4-6 所以 ， 准确描述转向系统的复杂关系和非线性特性 ， 对转向性能的研究非常重要 本文在 AMESim 中建立整车模型 ， 包含比较完http: / /www chinacae cn整的转向系统模型 ， 以及悬架 、转向系统的运动学和柔性特性 转向系统中考虑摩擦力和液压动态特性 ，提出一种计算转向阀
8、过流面积的新方法 ， 以获得真实的助力特性 选择道路试验中不同车速下的动态转向试验结果 ， 验证整车模型的准确性 1 转向系统转向性能与转向系统息息相关 ， 转向系统准确反馈汽车与地面的相互作用 因此 ， 准确建立转向系统模型是研究转向性能的关键环节 11 HPS 系统HPS 系统简化模型见图 1， 可以将其分为机械部分和液压回路等 2 个部分进行分析 图 1 HPS 系统简化模型Fig1 Simplified model of HPS system111 机械部分当方向盘上为力矩输入时 ， 需要考虑方向盘的转动惯量 Jsw 另外 ， 在转向柱与壳体间存在干摩擦力 Fswf和黏性摩擦因数 Bs
9、w， 并考虑转向轴刚度 由于连接规则 ， 考虑转向轴 、输入轴和小齿轮总的等效转动惯量 Jin， 以及输入轴 、小齿轮与壳体间的摩擦力 齿轮齿条转向器简单处理为线角运动线性转换器 ， 其关系为Fr=Tpp， p=xrp， p=xrp( 1)式中 : Fr为齿条力 ; Tp为齿轮力矩 ; p为齿轮角位移 ; xr为齿条位移 ; p为齿轮等效半径 ， 等于转向器的反向传动比 转向器中 ， 活塞 /齿条与壳体之间考虑刚度 k， 黏性摩擦因数 B 和干摩擦力 Ff 7在其他子模型 ( 底盘模型 ) 中建立齿条运动方程 ， 转向系统只向底盘模型输出齿条驱动力 转向轮与齿条的联系由运动学关系直接描述 ;
10、未单独考虑主销和横拉杆处摩擦 ， 将其等效添加到齿条摩擦中 摩擦模型会影响整个模型的精度和稳定性 库仑摩擦力和静摩擦力由 reset integrator 模型 8描述 ，Ff= Fslip+ ( Fstick Fslip) e3| v|castrib， x dxFf= kstickx + Bstickv， x dx( 2)式中 : Fslip为滑动摩擦 ( 库仑摩擦 ) 力 ; Fstick为静摩擦力 ; castrib为 Stribeck 常数 ; kstick为静刚度 ; Bstick为黏性摩擦因数 ; dx为门限位移 Fslip， Fstick， castrib， kstick，Bst
11、ick， k 和 B 等需通过试验确定各值大小 112 液压回路根据方向盘力矩的大小 ， 液压回路为转向机构提供合适的助力 方向盘力矩的大小由扭杆的相对变形角测定 ， 液压回路考虑油泵 、高压硬管和软管 、回油硬管和软管 、转向阀以及油缸模型等 油泵流量为压力和转速的函数 ， 采用试验数据 ， 但未考虑流量波动 硬管和软管模型采用包括液容 C， 液阻 和液感 I 等的集中参数 6描述 对软管管壁弹性设定有效弹性模量 ， 忽略其膨胀和收缩过程 转向阀决定助力曲线的形状 ， 需要准确模拟其控制边面积的变化规律 ， 但由于一些小的几何结构( 如倒角和间隙 ) 很难描述 ， 准确建立其面积变化的理论表
12、达式非常困难 ， 也不易通过试验测得 因此 ，提出一种新的方法 ， 通过已知的助力曲线试验数据反向计算过流面积变化 假设 : ( 1) 助力曲线测试过程处理为静态过程 ;( 2) 转向阀对称 ， 且当开口从中间位置向最大位置变化时 ， 过流面积与其线性变化 ; ( 3) 忽略管道的压力损失 ; ( 4) 限压阀的流量 -压力特性是线性的 可以得到平衡方程组 =Tw TfKtQ1 Q2= 0Q4 Q3= 0Qs= Q1+ Q4=Qp， ps pcrackkps( pQ =0 ps) ， ps pcrackQi= CdAi2槡p， i = 1， 2， 3，4( 3)式中 : 为扭杆相对变形角 ;
13、Tw为力矩输入 ; Tf为摩擦力矩 ; Kt为扭杆刚度 ; Qi为转向阀各阀口流量 ;Qs为进入转向阀流量 ; Qp为油泵流量 ; pcrack为限压阀开启压力 ; ps为转向阀入口压力 ; kps为限压阀流量 -压力特性曲线斜率 ; pQ =0为输入流量为 0 时入口压力 ; 为油密度 ; Cd为流量系数 ; Ai为各阀口过流面积 ; p 为阀口两端压差 得到式 ( 3) 后 ， 只需求解转阀开口从中间位置到最小位置时 ， 过流面积与扭杆相对变形角的关系 求解式 ( 3) ， 得到过流面积随扭杆相对变形角的变化关系 ， 见图 27第4 期 曹明伦，等:整车建模及转向性能分析http: / /
14、www chinacae cn图 2 转向阀过流面积计算值Fig2 Calculation value of rotary valve flow area12 助力曲线助力曲线分析的 AMESim 模型见图 3， 建立与试验测试条件一致的转向系统模型 试验时 ， 直接在转向器上输入角度 ， 不考虑方向盘和转向柱 ， 油泵与转向阀直接用软管连接 助力曲线的仿真与试验数据对比见图 4， 可知 ， 所建立的模型能很好地预测助力特性 ( 参考左半轴 ) 图 3 助力曲线分析的 AMESim 模型Fig3 AMESim model for assistance force curve analysis图
15、 4 助力曲线Fig4 Assistance force curves2 AMESim模型21 HPS 系统模型将计算得到的转向阀过流面积用 AMESim 建立HPS 系统模型 ( 见图 5) ， 作为整车模型的子模型 图 5 转向系统仿真 AMESim 模型Fig5 AMESim model for steering system simulation22 整车模型整车动力学模型见图 6图 6 整车动力学模型Fig6 Whole vehicle dynamics model8 计 算 机 辅 助 工 程 2013 年http: / /www chinacae cn为获得整车动力学模型 ， 必
16、须加入悬架 、轮胎和底盘模型等 在 AMESim 中预先定义的模型适用于本文研究 ， 因此 ， 只需正确选择和连接这些子模型 ，并对其改进和赋值即可 选用 15 自由度底盘模型 ， 包含簧上质量质心处3 个线性和 3 个旋转自由度 、各车轮处 4 个垂直移动和 4 个旋转自由度 ， 以及 1 个齿条相对于车身运动自由度 悬架阻尼特性以曲线形式表示 ， 忽略动态过程 ， 悬架垂向刚度 ( 包含限位块 ) 和侧倾刚度由KC 台架试验获得 ; 考虑悬架和转向系统的运动学和柔性特性 ; 轮胎采用 Magic formula 轮胎模型和 1阶滞后特性 简化处理驱动和制动系统 ， 以实现预期的车速输入 ，
17、 不考虑空气动力学特性 23 仿真结果整车模型建立后 ， 通过与实车试验数据对比 ， 验证该模型能否很好地预测汽车的运动响应 某车整体参数见表 1， 其他参数可由台架试验获得 ， 如 KC台架试验 采用在不同车速下的动态转向试验结果验证该模型 ， 仿真时路面为平路面 ， 使用实车试验时测得的方向盘转角和车速作为仿真输入参数 表 1 整车参数Tab1 Vehicle parameters名称 数值整车质量/kg 1 134轴距/mm 2 375前轴距/mm 1 410后轴距/mm 1 417质心到前轴距离/mm993名称 数值簧上质量质心高度/mm 615前悬架刚度/( N/m) 25 500后
18、悬架刚度/( N/m) 19 000轮胎垂向刚度/( N/m) 204 000轮胎自由半径/mm 287动态转向中 ， 方向盘转角输入为类正弦曲线 ， 其周期约为 05 Hz， 幅值约为 35 车速从 20 km/h 到80 km/h 时 ， 在左侧最大方向盘转角时方向盘力矩见表 2 和图 7， 可知 ， 该模型能很好地模拟方向盘力矩大小 表 2 不同车速时方向盘力矩Tab2 Steering wheel torques at different velocities车速/( km/h)方向盘力矩/( Nm)试验 仿真20 233 21530 249 23740 268 25950 287 2
19、83车速/( km/h)方向盘力矩/( Nm)试验 仿真60 301 30170 316 32180 332 336图 7 不同车速时方向盘力矩Fig7 Steering wheel torques at different velocities当车速为 20， 50 和 70 km/h 时的车辆动态响应分别见图 8， 9 和 10， 可知 ， 仿真结果与试验结果比较接近 在某些区域 ， 各个车速下方向盘力矩与方向盘转角关系曲线的仿真值和试验结果有一些差距 这是因为本文转向系统的一些运动经过简化 ， 如齿轮齿条运动关系转换特性的简化处理 9; 另外 ， 在动态响应中 ， 摩擦模型和回正力矩的变
20、化可能不是非常准确 9第4 期 曹明伦，等:整车建模及转向性能分析http: / /www chinacae cn01 计 算 机 辅 助 工 程 2013 年http: / /www chinacae cn3 结束语在汽车转向响应研究中 ， 更多地关注方向盘力矩的变化 ， 建立更为复杂的 HPS 系统模型 为获取真实的助力特性 ， 提出一种计算转向阀过流面积变化的新方法 从仿真与试验对比结果可知 ， 含有该复杂转向系统模型的整车模型 ， 能很好地预测横摆角速度 、侧向加速度 、侧倾角和方向盘力矩等的变化规律 参考文献 :1 ALLEN ，MYES T，OSEMTHAL T，et al The
21、 effect of tire characteristics on vehicle handling and stabilityC/ /Proc SAE World Congress，SAE Paper 2000-01-06982 DEMELY J，YOUCEF-TOUMI K Non-linear Analysis of Vehicle Dynamics( NAVDyn): a reduced order model for vehicle handlinganalysisC/ /Proc SAE 2000 Automotive Dynamics Stability Conf，SAE Pa
22、per 2000-01-16213 GHIKE C，SHIM T 14 degree-of-freedom vehicle model for roll dynamics studyC/ /Proc SAE 2006 World Congress Exhibition，SAE Paper2006-01-12774 WANG M，ZHANG N，MISA A Sensitivity of key parameters to dynamics of hydraulic power steeering systemC/ /Proc SAE 2005 Noise Vibration Conf Exhi
23、bition，SAE Paper 2005-01-23895 LOZIA Z，ZADECKI D Vehicle dynamics simulation with inclusion of freeplay and dry friction in steering systemC/ /Proc SAE 2002 WorldCongress Exhibition，SAE Paper 2002-01-06196 KANG W，SIM C，KIM J Modeing of a hydraulic power steering system and its application to steerin
24、g damper developmentC/ / Proc SAE 2005World Congress Exhibition，SAE Paper 2005-01-12637 DIGLIO P，FALBO G，BAI J，et al A test-based procedure for the identification of rack and pinion steering system parameters for use in CAEride-comfort simulationsC/ /Proc SAE 2009 Noise Vibration Conf Exhibition，SAE
25、 Paper 2009-01-20908 PFEFFE P，JOHNSTON D，SOKOLA M，et al Energy consumption of electro-hydraulic steering systemsC/ /Proc SAE 2005 WorldCongress Exhibition，SAE Paper 2005-01-12629 KAMBLE N，SAHA S Evaluation of torque characteristics of rack and pinion steering gear using adams modelC/ /Proc SAE 2005
26、WorldCongress Exhibition，SAE Paper 2005-01-1064 ( 编辑 陈锋杰檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿)(上接第5 页)6 李惠彬，周江伟，孙振莲 车用涡轮增压器噪声与振动机理和控制M 北京: 机械工业出版社，2012: 285-2887 ANDESEN J，LINDSTM F，WESTIN F Surge definitions for radial compressors in automotive turbochargersC/ / SAE World Congress Exhibiti
27、on，SAE 2008-01-0296，Detroit，Michigan: SAE Int，20088 庞健，谌刚，何华 汽车噪声与振动-理论与应用M 北京: 北京理工大学出版社，2006: 214-2159 STOFFELS H，SCHOEE M NVH Aspects of a downsized turbocharged gasoline powertrain with direct injectionC/ / SAE 2003 Noise Vibration Conf Exhibition，SAE 2003-01-1664Grand Traverse，Michigan: SAE Int，200310 小菅秀显，山甲直治，有贺一郎 关于涡轮增压器用管道内的脉动现象研究J 国外内燃机，1980，43(11): 2635-2642KOSUGE Hideaki，AIGA Ichiro，MISAKI Naoji esearch on pulsation of turbocharging engine pipelineJ Foreign Diesel Locomotive，1980，43(11): 2635-2642 ( 编辑 武晓英 )11第4 期 曹明伦，等:整车建模及转向性能分析
