毕业设计(论文)-基于虚拟样机技术的汽车四轮转向仿真研究(27页).docx
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1、-毕业设计(论文)-基于虚拟样机技术的汽车四轮转向仿真研究-第 22 页毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目:基于虚拟样机技术的汽车四轮转向仿真研究 作者所在系部: 机电工程学院 作者所在专业: 车辆工程 作者所在班级: 42 作 者 姓 名 : 作 者 学 号 : 指导教师姓名: 完 成 时 间 : 北华航天工业学院教务处制摘要本文研究了四轮转向汽车的操纵稳定性特性,在ADAMS中建立四轮转向车辆模型并进行了动力学仿真,和二轮转向车辆操纵稳定性进行了对比。具体内容如下: 介绍了使用的动力学仿真软件ADAMS并,说明ADAMS工作的基础工作原理。 建立了四轮转向汽车的二自由度车辆数学模型,分
2、析二自由度车辆模型动力学方程以及公式中各项参数的物理意义。 在ADAMS/car中建立整车动力学模型,利用ADAMS自带仿真控制器进行仿真。对四轮车辆虚拟样机模型进行仿真,研究车辆操纵稳定性特性。仿真结果表明4轮转向汽车相对于2轮转向汽车操纵稳定性得到了很大提高。关键词: 四轮转向 ADAMS 操纵稳定性 仿真AbstractThis paper studies the four-wheel steering vehicle steering stability characteristics of four-wheel steering vehicle model is establishe
3、d in ADAMS and the dynamic simulation, and compares the two wheel steering vehicle steering stability. The details are as follows:This paper introduces the dynamic simulation software ADAMS and explains the basic working principle of ADAMS.The establishment of a four-wheel steering vehicle two degre
4、es of freedom vehicle model, analysis of dynamics equation of two degrees of freedom vehicle model and the physical significance of the various parameters in formula.The vehicle dynamics model is established in ADAMS/car, and the simulation controller is simulated by ADAMS.The simulation model of th
5、e four-wheel vehicle virtual prototype is simulated, and the stability characteristics of the vehicle are studied. The simulation results show that the steering stability of the four-wheel steering car is greatly improved.Keywords: Four-wheel steeringADAMSHandling stabilitysimulation目 录摘要IAbstractII
6、目 录III第一章 绪论11.1四轮转向汽车的特点11.2 四轮转向技术的发展11.3 本论文的研究意义及内容2第二章 四轮转向车辆的仿真环境32.1 虚拟样机技术(Virtual Prototyping,VP)的概念32.2 ADAMS软件介绍32.3 ADAMS工作的理论基础42.3.1 动力学方程的建立42.3.2 动力学方程求解52.3.3静力学分析与运动学分析7第三章 四轮转向车辆建模93.1 四轮转向车辆的数学模型93.2轮胎的非线性模型113.2.1 Fiala轮胎模型113.2.2 Pacejka的“魔术公式”轮胎模型123.2.3 郭孔辉的轮胎稳态指数统一模型133.3基于A
7、DAMS的四轮转向虚拟样机模型133.3.1 创建前悬架模型143.3.2 后悬架模型163.3.3 转向系模型173.3.4轮胎与路面的创建173.3.5 四轮转向整车模型20第四章 四轮转向仿真结果224.1汽车操纵稳定性224.2四轮转向的仿真分析22总 结26致 谢27参考文献28第一章 绪论现代社会由于人们生活质量的提高和交通运输的发展,人们对汽车的驾驶舒适性和安全性越重视。汽车四轮转向技术(Four-Wheel Steering,4WS)在这样情形下出现了,汽车4轮转向技术能有效提高汽车操纵稳定性和主动安全性1.1四轮转向汽车的特点现在,汽车转式有前轮转向(Front-Wheel
8、Steering,FWS)和四轮转向。前一种转向方式只利用前两个车轮的转动来控制车辆的前进方向,这种转向方式存在低速时响应慢,转向僵硬不灵活,高速时方向稳定性差等缺点1。人们因为这些缺点的存在,开始让后轮也在车辆转向过程中发生偏转,于是四轮转向概念被逐渐提了出来1。后一种转向方式,在车辆以较慢速度行驶中,让后轮朝与前轮相反的方向转动,旋转中心比使用第一种转向方式的汽车更接近车身,可以减小车辆的转弯半径,增加车辆的灵活性,后一种转向方式的汽车内轮差也减小了很多。汽车在较高的速度行驶时,因为需要让车体方向与车辆前进方向一致,四轮转向汽车通过让前后轮同向转动减小了质心侧偏角。使转向半径增大减小汽车发
9、生侧翻的可能性。后轮主动转向也减少了车辆到达稳态的时间,较好地加快了汽车转向的瞬态响应。 1.2 四轮转向技术的发展20世纪初, 汽车行驶速度不是很快,为了减少汽车的转弯半径,人们就让汽车在改变方向时后两个车轮与前两个车轮反向转动 ,这就是四轮转向技术的萌芽。1907年,在日本产生的一个和四轮转向系统有关的专利。通过一种结构使汽车获得较小的转弯半径,这种结构是利用一根轴将前后轮的转向机构链接起来。这种结构最开始是运用在军用车辆和工程车辆上,使它们在恶劣工况下运行也能有比较高的机动性。车辆科学的不断发展,日本在4WS系统上的研究取得了较高的成就。1980年,在Nissan公司产生了一辆实验用的四
10、轮转向车辆,后轮转动可达到30度,还能朝与前轮相同方向或相反方向偏转。1985年,日本Nissan公司在没有先例的情况下首次把4WS系统使用在客车上。1989,该公司为了对主动控制后轮反向转向角度设计出了SUPER HICAS系统。由于电子技术和控制方法的发展和改进,四轮转向技术也取得了重大突破。2001年,德尔福公司开发的四轮转向系统首次在通用2002 Sierra Denadi大型皮卡车上使用2。我国的汽车工业的自主研发能力不是很高,是因为我国汽车工业有起步晚发展较慢的特点。我国现在对于4WS系统的研究相对集中在几所高校里,国内对4WS开始研发的汽车制造商还基本没有。高校研究4WS的研究条
11、件也不是很好,研究还处于初始阶段,该研究还处于初始阶段,主要研究动态响应和控制4WS车辆的方法。其中,北京理工大学安装BJ130型4WS系统并进行了实验研究1.3 本论文的研究意义及内容虚拟样机技能够在计算机中的建模软件中建立结构复杂的异同模型,还可以能够帮助我们解决存在于系统中的非线性问题,我们能够学习掌握使用这种技术在虚拟样机软件中建立四轮转向车辆模型。在对四轮转向系统的研究中,一般是研究车辆的操纵稳定性。本论文主要研究了下列内容 1.对4WS汽车的原理和特性进行了分析,并对模型的动力学方程进行了研究。2.在ADAMS/car模块下建立了非线性四轮转向车辆动力学虚拟样机模型。3.实现后轮在
12、仿真过程进行转动。在ADAMS环境中对后轮转向进行仿真。4.按照国标中汽车试验条件,对虚拟样机模型进行仿真。第二章 四轮转向车辆的仿真环境2.1 虚拟样机技术(Virtual Prototyping,VP)的概念简单来讲,虚拟样机技术就是使用者首先在计算机上建立数字化的机械系统模型,然后进行仿真并对仿真结果进行分析,从而改进和优化设计技术。他的数字设计方法基于产品的计算机仿真模型3。虚拟样机技术的应用,可以使产品的设计者在产品开发早期就可以比较直观的利用该技术比较直观的观察产品的特性,在虚拟环境下直接进行设计优化、性能测试、仿真模拟,创新给设计师带来设计灵感,有助于提高产品质量,减少在设计过程
13、中由于各种各样的实际条件的限制导致的错误,对加快产品开发周期有重要意义3。现在,许多公司都开发了许多功能强大的虚拟样机技术的软件,大都是国外机械动力学公司所开发,使用比较广泛的有的美国一些公司开发的ADAMS,CADSI的DADS。2.2 ADAMS软件介绍ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),即机械系统动力学自动分析软件,是由美国机械动力公司(MechanicaIDynamics Inc.)开发的。ADAMS有含有5类基本模块,用户不仅可以建立机械系统的数字化模型,并可以使用这些模块当中的各种各样的功能解决应用工业问题
14、,通过建模与仿真分析可以快速和有效的观察到产品功能的优劣和设计的可行性,基本的ADAMS配置方案包括交互式图形环境,ADAMS/View使用分层方式来完成建模工作,通过连接一组组件一起由机械运动对4。ADAMS/Slover自动建立机械系统模型的动力学方程,并提供静力学,运动学和动力学计算结果。仿真结果直观和直观地描述了系统的动态性能,并可视化分析结果。ADAMS的设计流程包括创建模型、测试和验证模型、细化模型和迭代、优化设计、定制界面。建立仿真模型确定几何形状、力、接触、链接、运动变参数设计确定参数,定义设计变量设计变参数设计用户化界面、菜单动作可靠性分析确定模型,输入实验数据实、实验图形实
15、验设计方案仿真、动画、绘图修改模型增加摩擦力、力函数、弹性体、控制系优化模型2.3 ADAMS工作的理论基础ADAMS/Solver是一个能力非常具巨大的求解器,可以对所建模型进行运动学、静力学、动力学分析,以下为ADAMS建立动力学返程以及求解方法。ADAMS利用6个广义坐标来表示每个刚体,广义坐标是刚体的质心笛卡尔坐标和反应刚体方位的欧拉角,即qf=x,y,z,fT,使用稀疏矩阵的方法来求解系统动力学方程式10。2.3.1 动力学方程的建立 (21)完整约束方程: (22)非完整约束方程: (23) 式中: (24) 式中: 2.3.2 动力学方程求解ADANS使用两种算法:一是运用GST
16、IFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器,来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程;二是利用ABAM(Adams-Bashorth and Adams-Moulton)解积分程序,求解独立坐标微分方程8。(1)微分代数方程求解算法可以有效求解以上方程的Gear预估校正算法: (25)式中时间步长。 (24)后差分积分程序)来校正。 (26) 式中,在时的近似值;Gear积分程序的系数值。将公式(26)转化为以下形式: (27)将公式(24)在时刻展开,得: (28),其 (29)其中表示第次迭代, (210)由(27)式可知: (211)由(28)式可知: (212) 将式(211),(212
17、)代入公式(29得): (213)式中:通过分解系统矩阵公式(213)左边部分)求解,计算出重复上述迭代校正步长,一直到计算结果满足收敛条件。控制积分误差的工作步骤,认为满足预估值和校正值的差值小于规定的积分误差限的解为正确解,然后继续下面一个时刻的求解;拒绝不满足该条件的解值,并缩短积分步长,重新进行预估校正计算过程。2.3.3静力学分析与运动学分析在进行静力学分析时,将式(213)中的速度,: (214)解系统的约束方程: (215) (216) (217) (218) (219)第三章 四轮转向车辆建模3.1 四轮转向车辆的数学模型汽车数学模型就是用数学符号、公式表达实际汽车的各种的性质
18、、规律和结构。想要模型越精确,需要考虑的因素就越多,模型也就越复杂。数学模型对四轮转向技术的研究有很大的用处。车辆运动过程中,如果看成是刚体,他就六个自由度,如果看成是柔性体,就会有许多自由度,计算就会很困难,车辆数学模型的简单还是复杂与研究程度有关,研究程度高模型就越复杂,相对研究程度低模型也就越简单11。只含车身侧向、横摆运动的二自由度四轮转向车辆数学模型应用也很多。在建立四轮专向车辆数学模型前,我们做出如下假设:1.假设转向系统不产生影响,直接以前轮转角作为输入。2.假设悬架没有功用,简单认为车辆只是沿地面平行运动,3.侧向加速度不大于0.4g,前后轮侧偏角不大于5,轮胎侧偏特性不超出线
19、性范围。4.取较小的驱动力,不受空气动力影响。5.假设地面切向力不会对轮胎侧偏特性的产生影响。6.假设载荷变化不会引起轮胎特性的变化并且假设轮胎回转正力矩不对轮胎产生作用。7.汽车是对称的,前轴和后轴上的每对车轮由一个单轮代表,两个转弯刚度。8.假设车辆后轮转向角度不大,无论前轮还是后轮侧偏力均朝向y轴方向。 (31) (32)根据动力学原理,结合公式(31)(32)可得车辆的动力微分方程:(3-3)此外,重心处的侧向加速度为:取为状态变量,为输入变量,则公式(33)可变形为方程: (3-4) 式中:以上是四轮转向车辆的二自由度动力学模型,不考虑许多的因素带来的影响并且车辆是处于理想环境中运行
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