汽车转向系统典型模型的对比研究

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为了进一步改善实验室ASCL转向系统模型,建立适用于产品预开发阶段的完善的动力学模型,提高模型动态仿真精度,从而推进驾驶模拟器的工业应用,本文研究了国内外一些比较典型的转向系统模型,其中包括美国国家驾驶模拟器NADS转向系统模型(简称NADS转向系统模型),通用汽车公司SCFs函数描述的转向系统模型(简称SCFs转向系统模型),以及华沙工业大学建立的转向系统模型(简称华沙转向系统模型)。通过对这些典型转向系统模型的建模方法、模型参数获取和工况仿真等方面的对比,总结各模型建模方法的优劣,在实验室2008版ASCL转向系统模型的基础上,建立了新版ASCL转向系统模型。本文的主要工作和相关结论如下:1.通过对转向系统模型建模机理的对比,总结了各典型模型建模方法的不同。对于阿克曼转向机构的描述,NADS和SCFs模型缺少对左右转向车轮的力学联系的描述,2008版ASCL和华沙模型通过齿条(小齿轮)动力学和车轮绕左右主销的动力学,实现了左右车轮的相互贯通;对于转向弹性的描述,NADS和SCFs模型描述了转向柱的弹性特性,2008版ASCL和华沙模型则同时描述了转向柱和左右转向横拉杆的弹性特性;为描述转向干摩擦,SCFs模型建立了基于库伦模型的干摩擦模型,2008版ASCL模型建立了基于Karnopp的静动摩擦分离模型,华沙模型建立了Stribeck动态摩擦模型;此外,NADS和华沙模型还对转向间隙进行了描述。因此,新版ASCL转向系统模型的建立应包括对阿克曼转向机构力学特性、转向系统弹性环节、转向干摩擦以及转向间隙的非线性特性的完整描述。2.通过对NADS、SCFs以及华沙转向系统模型进行模型复现,并讨论模型参数的获取,总结了各模型的建模特点和模型的复杂程度。NADS和SCFs模型忽略了转向系统的高频特性,模型建立的复杂程度较低,模型参数较少且容易获取。2008版ASCL和华沙模型考虑了转向系统的高频动态特性。2008版ASCL模型是基于阿克曼转向机构的详尽结构建立的,对阿克曼转向机构具体结构参数的依赖,限制了模型在汽车产品预开发阶段的应用;华沙转向系统模型将转向系统的机械结构简化为只有平面旋转元件的等效物理模型,从而模型的建立不必依赖于阿克曼转向机构的具体结构。因此,利用只有平面旋转元件的等效物理模型来代替转向系统的机械结构以建立新版ASCL转向系统模型,可以降低模型的复杂程度,保证汽车产品预开发阶段模型参数的成功获取。3.为对比不同转向系统模型在工况仿真中的差异,建立了基于Carsim的整车动力学模型,并通过接口设置将上述典型转向系统模型嵌入整车动力学模型。选取了角阶跃输入、小角度扰动输入、正弦输入以及“road-like”和“parking-like”工况中的方向盘输入,作为模型输入进行工况仿真。通过仿真对比发现,NADS和SCFs模型稳态仿真较准确,但瞬态仿真能力较差,且模型不能抵抗外界干扰输入;2008版ASCL和华沙模型稳态和瞬态仿真能力都较好,同时模型具有抵抗外界干扰输入的能力。4.通过对典型转向系统模型的综合对比研究,借鉴各典型模型的建模方法,建立了新版ASCL转向系统模型。新版ASCL转向系统模型建立了小齿轮旋转动力学自由度以及车轮绕左右主销的动力学自由度,并描述了转向柱和左右转向横拉杆的弹性特性,模型建立了静动摩擦分离模型,同时描述了转向间隙的非线性特性。通过和实车试验的对比验证,新版ASCL转向系统模型具备仿真车辆抵抗方向盘上微小干扰输入和道路不平扰动的能力以及中心区转向等特性,能较为精确地计算方向盘回正力矩。通过本文的研究,建立了适用于汽车产品预开发阶段的转向系统模型,模型建立的为完备转向系统模型,且模型复杂程度较低,模型参数容易获取。同时,通过模型复现来对比各典型转向系统模型,丰富了实验室模型数据库,方便今后不同的研究目的选择合适的转向系统模型。
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