1、Carsim 软件 图形化数据库 该图形库包括 图形用户界面 (SGUI)和图形数据管理系统 ，是 CarSim 的主要界面，包括整车模型数据库、控制输入 (速度、转向、制动、油门、驾驶员模型、路面信息 )数据库、仿真设置 (仿真起始时间、距离和仿真频率 )数据库。共有 150 多组数据库连在一起构成 CarSim 总的数据库，每一个数据库都是通过不同的界面显示，使得软件易于操作使用。 车辆数学模型及求解器 密歇根大学交通运输研究所 (UMTRI)的 MichaelSayers 博士为汽车及其它多体系统开发了世界上最先进的自动代码生成器。 UMTRI 用这种自动代码生成器一AutoSim 一构
2、建车辆动力学方程，能很快地创建新模型或扩展现有模型，满足实时及优化的需求：同时能通过更新 AutoSim 产生新的代码，以迅速满足新的接口及操作系统的需求。由 AutoSim 生成的零误差代码支持高精度的数学模型并具有高效的并行运算效率，可大大减少出错的几率，加强软件运算的可靠性，并提高软件的计算速度。 VehicleSim 求解器可以迅速求解 AutoSim 产生的车辆模型运动方程式、计算输出变量、进行频谱分析 (spectrumanalyzer)，同时求解器内嵌Simulink 接口，结合精确数学车辆模型可实现快速的联合仿真。 仿真动画显示器 (SurfaceAnimator) 通过动画模
3、拟可显示每一时刻车辆的运行状态、车轮受力和车辆在不同环境 (输入 )下的动态响应。新的动画软件 SurfaceAnimator 运用 OpenGL 技术，可表现出阴影路面，提供更快、更逼真的动画模拟效果，且易于输出到其它演示文档。 绘图器 (WindowsEngineeringPlotter) 可以选择输出某些特性参数随时间或另一特性参数变化的曲线，能产生超过 500组变量的仿真曲线，也可生成来自不同车辆模型数 据库的仿真对比曲线，或将数据结果输出至其它的软件，如 MATLAB、 Excel。 与许多面向结构建模的动力学软件如 MSC ADAMS、 Altair MotionView 不同，C
4、arSim 具有面向参数建模的特点。因此， 建立模型不需要定义各部件具体的结构形式 (如悬架布置形式、弹簧长度以及安装角度等 )，而 只需要定义各部件所体现性能的相关参数 (比如悬架的 K第二部分是转向器输出与车轮转角的 关系曲线。这两部分相乘即为转向系角传动比曲线。 转向运动学特性由转向系角传动比试验测得，可将 GearRadin 设为 1，而将转向系角传动比的试验结果直接输入运动学的第二部分。 转向弹性运动学特性的含义是左右车轮受转向力矩作用时，由于转向系弹性所引起的车轮转角的变化。 建模时，转向系统采用齿轮齿条式转向器，转向系统的转向原理，如图 2.13 所示。建模过程中，需要转向系统的
5、转向参数、转向特性参数和主销定位参数。 转向系统转向参数，包括转向柱转动惯量、系统转动惯量、转向柱管阻尼、转向器阻尼、转向柱管迟滞力矩 、转向柱管滞后角和低速滞后角。 转向柱转动惯量，是指转向盘转动惯量、转向柱管转动惯量、中间转向轴转动惯量和转向输入轴转动惯量之和。 系统转动惯量，是指转向器转动惯量、转向连杆转动惯量之和。 转向柱管迟滞力矩，是指在只转动转向柱管时，向左转与向右转相同角度力矩差值的一半。 转向柱管滞后角，是指当转向方向反向时，转向力矩从一极限值变到另一极限值所需要的角度。 低速滞后角，是指低速转向时，附加转向阻力距的相对滞后角度。 转向系统转向特性，包括转向运动学特性、转向弹性
6、运动学特性和附加转向阻力 矩特性。 转向运动学特性 ，是指转向盘转角与车轮地面转角之间关系 ，包括两部分： 第一部分是转向器传动关系；第二部分是转向器输出与车轮地面转角之间关系 。 对于齿轮齿条式转向器，转向器传动关系，是指齿轮角度与齿条位移之间的关系，当为常传动比关系时，用一个常数表示 ，当为变传动比关系时，用一条曲线表示。转向器输出与车轮地面转角关系，是指齿条位移与车轮地面转角的关系曲线。 转向弹性运动学特性，是指车轮地面转角与左右主销力矩之和关系曲线。 附加转向阻力矩特性，是指在低速下转动车轮时，由于轮胎与地面间摩擦对主销产生的附加阻力距。 转向系统主销定位参数，包括主销内倾角、后倾角、
7、主销横向偏移距和纵向偏移 距。 主销横向偏移距，是指主销中心与车轮中心平面之间的横向距离，当主销中心在车轮中心平面内侧时为正。 主销纵向偏移距，是指主 销中心与车轮旋转轴之间的纵向距离，当主销轴在车轮中心前面时为正。 如图 2.14 所示。 对转向系统建模还可以进行简化，使用转向特性参数和主销定位参数描述转向系统，经简化后转向系统的输入只能为转向盘转角。简化后转向系统的转向特性参数，所不同的是转向运动学特性，转向运动学特性采用转向器角传动比和转向器输出转角与车轮 地面转角关系曲线描述，此外还增加了转向盘力矩关于左右主销力矩之和的关系曲线。 2.5 制动系 braking system 建模时，
8、制动系统的制动力矩产生过程，如图 2.12 所示。建模过程中，需要制动系统的力学特性参数、液体时间延迟参数和 ABS 控制参数。 力学特性参数，包括制动力矩曲线和感载比例阀控制曲线。 制动力矩曲线，是指作用到车轮上的制动力矩关于该车轮轮缸压力的关系曲线。感载比例阀控制曲线，是指传递压力关于垂直载荷和输入比例阀压力的关系曲线。 液体时间延迟参数，包括液体动态时间常数和液体传递延 迟时间常数。 液体动态时间常数，是指有关制动气室内液体动态的时间，即液体在制动气室内推动制动器执行机构起作用的时间。 液体传递延迟时间，是指制动控制信号与轮缸压力起作用之间的时间延迟。 制动系统 ABS 控制参数，包括
9、ABS 不起作用时的轮胎纵向滑移率、 ABS 起作用时的轮胎纵向滑移率和 ABS 失效车速。 ABS 不起作用时的轮胎纵向滑移率，是指当轮胎纵向滑移率大于此值时停止对该轮制动，一般取值在 0.1 到 0.3 之间。 ABS 起作用时的轮胎纵向滑移率，是指当轮胎纵向滑移率减小到此值时恢复对该轮的 制动，一般取值也在 0.1 到 0.3 之间，但要比 ABS 不起作用时的轮胎纵向滑移率小。 ABS 失效车速，是指当汽车低于该车速时 ABS 控制失效，允许车轮抱死。 2.6 动力传动系 powertrain system 软件中传动系统模块简化成发动机、离合器、变速器、差速器四个组成部分，如图 2.
10、8 所示。 所建模型离合器使用摩擦式离合器，变速器使用手动机械变速器，差速器使用粘性耦合差速器。建模过程中，需要发动机特性参数、离合器特性参数、变速器特性参数、差速器特性参数 。 发动机特性参数， 由发动机转速特性曲线、时间延迟常数、转动惯量和怠速转速描述。 发动机转速特性曲线，是发动机输出扭矩与发动机转速和节气门开度的关系曲线，不同的曲线代表不同的节气门开度。 时间延迟常数，是指节气门开启 /关闭一阶时间延迟常数，是反映节气门迟滞特性的参数。 发动机转动惯量，是指发动机曲轴和飞轮的转动惯量。 离合器特性参数，由离合器扭矩容量曲线、时间延迟常数和转动惯量描述。 离合器扭矩容量曲线，是离合器所能
11、传递的最大扭矩关于离合器接合度的关系曲线。在离合器扭矩容量曲线中，使用离合器接合度表征离合器的接合状态。“ 0”表 示离合器完全接合，“ 1”表示离合器完全分离。 时间延迟常数，是指离合器接合 /分离时扭矩反应时间延迟常数，是反映离合器扭矩作用迟滞特性的参数。 离合器主动部分转动惯量，是指离合器压盘转动惯量；离合器从动部分转动惯量，是指从动盘、从动盘毂、变速器第一轴的转动惯量。 变速器特性参数，由总挡位数，每一挡位都由该挡位的传动比、转动惯量以及正/逆效率描述，以及变速器的换挡时间以及升 /降挡规律。各挡转动惯量，是指各挡传到差速器上的惯量载荷，包括变速器中间轴、变速器该挡齿轮、变速器第二轴和
12、传动轴的等效转动惯量。 差速器特性 参数，由主减速比、正 /逆效率、转动惯量、等效扭转刚度、等效扭转阻尼以及差速器力矩特性曲线描述。转动惯量，是指输入轴转动惯量和半轴转动惯量。 当差速器锁止时，模型就简化成扭转弹簧 -阻尼系统，该系统的扭转刚度和扭转阻尼即为等效扭转刚度和扭转阻尼。差速器力矩特性曲线，是指差速器左右轮力矩差值与左右轮转速差的关系曲线。 此外，传动系还需要两个整体参数，即固有频率和阻尼比。传动系的固有频率和 阻尼比是根据扭转刚度和阻尼计算得出的，由于变速器挡位不同，传动比不同，扭转刚度和扭转阻尼就会随之变化，所以使用保持不变的固有频 率和阻尼比作为输入参数。 2.7 悬架 sus
13、pension system 2 7 1 悬架运动学特性和弹性运动学特性建模 汽车悬架运动学 (Kinematics)描述的是 车轮在弹簧伸张变形或转向过程中的运动 ，而弹性运动学 (Compliance)则是描述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车 轮 定 位 参 数 的 变 化 ， 两 者 统 称 为 悬 架 运 动 学 与 弹 性 运 动 学 特 性(Kinematics&Compliance)，简称 “ K&C” 特性 。 模型所需要的试验数据主要包括： (1)反映车轮定位的指标一一车轮前束角。悬架运动过程中，前束角变化会 影响乘用车的横向稳定性，因此，它是评价悬架性能的重要指标； (
14、2)反映悬架纵向和侧向刚度的指标一一轴心纵向位移量和轴心侧向位移量： (3)反映车身纵倾的指标一一制动时前悬架的点头量、加速时前悬架的上仰量； (4)反映转向操纵性的指标一一主销后倾角及主销后倾拖距、主销内倾角及主销偏移距对悬架加载力和位移都会引起它们的变化。 2 7 2 减振器特性建模 目前在汽车上广泛使用的是双向筒式减振器，活塞运动使流体从孔内穿过，活塞阀对流过的流体节流产生阻尼力，阻尼力的大小随车架和车桥相对速度增减而增减，并且和油液的粘度有 关。 Adrian Simms 详细论述了的非线性液压减振器的建模，如果根据此理论对减振器进行物理建模会导致减振器模型过于复杂，影响模型的计算效率
15、。 CarSim 采用半经验模型，通过插值的形式得到乘用车不同状态下的阻尼力，试验结果证明：激励频率为 1Hz 时的减振器力一速度特性试验曲线，可以有效仿真各个激振频率下汽车的操稳性和乘适性。 以独立悬架为例： (l)独立悬架运动学 (independent suspension Kinematics) 该部分定义了独立悬架的运动学特性 (简称悬架 K 特性 )，具体参数包括 : 簧 下质量，车轮转动惯量，轮心高度，车轮外倾角初始值，车轮前束角初始值，主销后倾角随轮跳的变化关系曲线，轮心纵向位移随轮跳的变化曲线，车轮外倾角随轮跳的变化曲线，轮心侧向位移随轮跳的变化曲线，车轮前束角随轮跳的变化曲
16、线等等。 车轮在发生跳动时，车轮定位角及轮心位置会随轮跳发生变化，这对汽车的操纵稳定性会产生影响。 车轮定位参数的初始值可由四轮定位仪测得。车轮定位参数及轮心位移随轮跳变化的关系曲线可在 K&C 试验台上作平行轮跳试验 (VerticalTest:Parallel wheelMovement)测得。 (2)独立悬架弹性运动学 independent suspension compliance 该部分定义了独立悬架的弹性运动学参数 (简称悬架 C 特性 )，具体参数包括 :悬架弹性特性曲线，减振器速度特性曲线，横向稳定杆的辅助侧倾刚度曲线和悬架弹性运动学系数等。悬架的弹性运动学特性一般呈线性关系
17、，因此， Carsim 用弹性运动学特性系数来描述车轮定位参数及轮心位移随车轮受力的变化，具体包括 :前束角与纵向力系数 (Toe/Fx)、外倾角与纵向力系数 (Calnber/Fx)、轮心纵向位移与纵向力系数 (Longitudin 沮 di 叩 lacement/Fx:)、前束角与侧向力系数(steer/Fy)、车轮外倾角与侧向力系数 (Inclination/Fy)、轮心侧向位移与侧向力系数 (LateraldisPlacement/Fy)、前束角与回正力矩系数 (Steer/Mz)、外倾角与回正力矩系数 (Inelination/Mz)，共八项。 建模时，悬架分为独立悬架和非独立悬架两
18、种形式。建模过程中，需要车桥几何 与惯性参数、悬架运动学参数、悬架弹性运动学参数、弹簧特性参数、减振器特性参数以及其它特性参数。 与独立悬架相匹配的断开式车 桥几何参数，由轮距、悬架中心至纵向对称面的距 离和车轮定位角描述； 与非独立悬架相匹配的整体式车桥几何参数，由轮距、车桥质心高度、车桥质心至纵向对称面的距离和车轮定位角描述。其中，车桥质心高度是指车桥质心至地面的距离，车轮定位角包括车轮外倾角和车轮前束角。 车桥惯性参数，包括非簧载质量和左右车轮的转动惯量，整体式车桥还包括车桥 侧倾 /横摆转动惯量，独立悬架非簧载质量是指左右两侧质量之和。 悬架运动学 ，是指车轮相对车身位置发生变化所引起
19、的车轮定位参数的变化，包 括轮跳运动学和侧倾运动学。独立悬架只考虑轮跳运动 学，即车轮跳动引起的车轮定位参数的变化，车轮定位参数，包括车轮外倾角、前束角、俯仰角、轮心纵向位移、轮心侧向位移。非独立悬架包括轮跳运动学和侧倾运动学，轮跳运动学，是指车轮跳动引起的车桥俯仰角、车桥质心纵向位移、车桥质心侧向位移变化；侧倾运动学，是指车体侧倾引起的车桥转角变化和车桥侧倾引起的车桥质心侧向位移变化。 悬架弹性运动学 ，考虑了悬架部件的弹性，是指车轮接地点处作用力和力矩变化 引起的车轮定位参数的变化，包括纵向弹性运动学、侧向弹性运动学、回正弹性运动学。纵向弹性运动学，是指车轮纵向力引起的车轮前束角 、外倾角
20、、车轮中心纵向位移的变化规律。侧向弹性运动学，是指车轮侧向力引起的车轮转角、主销内倾角、车轮中心侧向位移的变化规律。回正弹性运动学，是指车轮回正力矩引起的车轮转角、主销内倾角的变化规律。悬架弹性运动学特性，一般使用一个系数即弹性运动学系数表示。 弹簧特性 ，由弹簧受力变形曲线、弹簧特征挠度、弹簧座调整高度、弹簧压缩比 描述，非独立悬架还包括左右弹簧间距。弹簧受力变形曲线，是弹簧力与弹簧变形之间的关系曲线，由于摩擦力的作用，处于加载状态的弹簧力与处于卸载状态的弹簧力不相同。弹簧特征挠度即为值，当弹簧变 形反向时，弹簧力不可能瞬时从压缩状态弹簧力变到回弹状态弹簧力，弹簧力从一个极限值变到另一个极限值需要产生一定的挠度。弹簧模型采用挠度空间时间常数表示这一特性，弹簧力达到两极限值差值的 95%的变形量为 3。弹簧座调整高度，是指弹簧上端弹簧座的调整高度，正值是指弹簧座向上调整，拉伸弹簧减小预载荷。弹簧压缩比，是指弹簧的压缩量与轮跳的比值。 减振器特性 ，由减振器阻尼力曲线和减振器压缩比描述，非独立悬架还包括左右 减振器间距。减振器阻尼力曲线，是阻尼力与变形速率之间的关系曲线，压缩变形为正变形速率，拉伸变形为 负变形速率。减振器压缩比，是指减振器的压缩量与轮跳的比值。
