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1、 机械工程学院毕业设计题 目：基于CARSIM的汽车操纵性研究专 业：车辆工程班 级：12卓越姓 名：学 号：指导教师：日 期：2016.05.20目 录摘 要1引言11意义及现状分析11.1意义11.2 CARSIM软件的现状分析22 CARSIM软件介绍22.1图形化数据库22.2数学模型求解器22.3仿真结果后处理33汽车操纵稳定性的评价33.1车辆操纵性性评价的基本概念33.2主观评价和客观评价43.2.1主观评价汽车操纵性43.2.2客观评价汽车操稳性44 CARSIM整车模型的建立及车辆模型系统介绍54.1车体（Sprung Mass from Whole Vehicle)64.2
2、轮胎（Tires)74.3转向系统(Steering System)84.3.1转向系统介绍：94.3.2 CARSIM转向系模型94.4悬架系统（Suspension)104.4.1独立悬架运动学特性（Independent Suspension kinematics)104.4.2独立悬架弹性运动学特性（Independent Suspension Compliance)114.5传动系（Power train)124.6制动系（Brakes)135 CARSIM操纵性仿真分析155.1 CARSIM速度仿真研究155.2 CARSIM簧载质量仿真研究185.3 CARSIM悬架刚度仿真研
3、究205.4 CARSIM不同驱动方式仿真研究225.5 CARSIM不同轮胎结构仿真研究246总结25致谢27参考文献28Abstract29基于CARSIM的汽车操纵性研究摘 要：此论文讲述了汽车在不同速度、簧载质量、悬架刚度、阻尼系数等各种条件下汽车的操纵性状况，并以此分析影响汽车操纵性的各种因素，综合对比得出最佳操纵性参数，根据汽车在不同参数条件下的行驶特点，运用CARSIM仿真软件的汽车动力学模型，并进行建模分析，最后对汽车的操纵性进行曲线和动画仿真研究，比较各种参数下的曲线和动画优缺点，最终得出合理结论。关键词：操纵性 影响因素 CARSIM 汽车动力学 仿真研究 引言 车辆的操纵
4、性是车辆可以很精确地按照驾驶员的思想和操作指令。简单地说，汽车司机要在非直线道路或不平的路面完成操纵或转向而且转向是合理的，而不是转向过度或转向不足的现象，就属于汽车操纵性，这对汽车操纵稳的评价，提供了合理的依据。汽车的操纵性往往与稳定性密切相关，可以称之为操纵稳定性。车辆操纵稳定性针对的是驾驶员在正常的精神状态或不过分的紧张情绪，驾驶汽车仍能根据自己的想法去行驶；如果遇到转弯、大风、路面不平等非正常情况，操纵车还能抵抗这些非正常条件的干扰，并能正常行驶，这就是汽车操纵稳定性1。车辆操纵稳定性一方面会涉及车辆驾驶的操纵难易情况，另一方面它也决定车辆在中高速行驶时的安全性能，与此同时还或多或少的
5、干涉到车辆其他性能，其主动安全性占据主导，重点体现着汽车技术含量，也是国内众多汽车企业竞争的焦点。此篇论文主要围绕汽车操纵性做研究分析，并且对稳定性做简要的介绍。1意义及现状分析如今,我国的车辆产业发展迅猛，并且已经开始走进一个新的阶段，汽车已经普及千家万户，可是汽车普及必然带来一定的负面影响，汽车的安全性能有待改善，而汽车的操纵性绝大部分取决于汽车车速、车轮、悬架等因素，汽车在不同条件下的操纵性如何，必然关系着人身及财产的安危，所以需要对汽车的操纵性进行研究分析，并且选择最佳操纵方案。1.1意义本文结合汽车的操纵性研究，采用不同的汽车参数进行比较，运用CARSIM软件模型对汽车进行整车建模和
6、仿真分析，最终得出最佳结论。此论文的研究意义如下：(1)对选定车辆进行系统性能实验（参照他人实验结论），运用CARSIM仿真软件对汽车进行整车建模分析。(2)对选定的车辆操纵性进行分析实验，选车基于CARSIM仿真分析结果属于第一阶段的评价，从而可以灵活方便的设置测试过程和测试环境，精确定义每个车辆系统的属性文件和特征参数，这是企业汽车研发的最重要的一步。 (3)运用CARSIM软件对车辆采用开环和闭环结合的汽车操纵稳定性仿真方法，可以增进我们对此软件仿真的认识，对于车辆悬架、底盘、轮胎开发具有重要意义13。1.2 CARSIM中汽车操纵性的现状分析CARSIM仿真软件是美国机械仿真公司MSC
7、（Mechanical Simulation Corporation）在1996年开发的一种车辆动力学仿真软件，此软件的动态仿真来源于美国密西根大学运输研究中心（the University of Michigan Transportation Research Institute)理论与实践的多年积累。CARSIM软件拥有准确、迅速、容易操作的优点。而且CARSIM可以模拟出汽车在各种路况中车辆的加速、制动和汽车方向盘调节，运用动画效果和曲线图清晰直观的研究并分析车辆对驾驶员，空气动力学和路面输入的各种响应，预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性，同时被广泛地应用于现
8、代汽车控制系统的开发6。 现在汽车动力性能不断提高，如发动机缸数增加，涡轮增压系统能显著增加汽车动力性能，使汽车速度更快，但车在高速化的过程中如果急速转向，如遇上冰雪雨造成地面潮湿导致车辆横向滑动或转向失控，对驾驶员造成生命安危，这是风雨天气，交通事故频发的原因。当车辆在行驶过程中的快速转向，具有离心力的汽车其车轮一侧的力量大于或等于地面上的附着力，车辆发生横向滑移问题，导致车辆过多转向现象。另一种情况是在制动弯曲道路上由于汽车制动力不均匀时，也将导致汽车甩尾、侧滑，使车辆失去操纵稳定性。 汽车操纵控制，通常采用横摆角速度和质心的侧方向速度用作评价汽车失去操纵稳定性的基准。车辆横向速度值可以反
9、映车辆侧滑角的变化，车辆操纵性和驾驶人的安全性是紧密相连的，车辆行驶过程主要是通过转向和制动来实现，如果车辆的稳定性好，当被外界干扰时，车辆行驶的偏差比较少，驾驶员可以有充分的时间使用制动系统来纠正偏差2。2 CARSIM软件介绍此小节针对CARSIM进行简要介绍，包括CARSIM软件的组成和CARSIM汽车模型介绍两个方面。CARSIM软件特点：使用方便，操作快速，准确的模拟，良好的可扩展性，行业标准的软件。CARSIM使用的是参数特性的建模思想形式，简单清晰的操作界面，用户可以了解车辆模型，模拟分析的结果，适合于汽车的动态仿真。用户可以准确、快速地利用软件进行仿真研究，并为机械工程设计提供
10、参考6。如下为CARSIM软件的三个组成部分。 2.1图形化数据库包括控制数据库的方向及速度，数据库的外部环境（道路、外部风）和车辆模型数据库三部分，这三个数据库涉及人-车-路三部分。 2.2数学模型求解器在数学模型的求解，仿真时间可以设置，并仿真步长一系列的信息，这是最重要的操作分析。CARSIM可以用C语言、MATLABSIMULINK连接，方便、快速、准确,此文单独对CARSIM软件仿真进行分析6。2.3仿真结果后处理CARSIM软件的后处理能力非常强大，其中包括曲线图形和动画仿真两个方面。操作者可以根据某一个输出特性参数随着时间的变化或另外一种特性参数值变化的曲线，还可以根据动画仿真直
11、观了解车辆的响应，并做定量分析。3汽车操纵性的评价 汽车操纵性关系到车辆的诸多方面，对操纵性进行评价需要运用非常多的物理参量，最基本的两种评价方法是主观评价和客观评价。3.1车辆操纵性评价的基本概念 想要更好的研究车辆操纵性的评价，首先要分析评价的几个基本概念。(1)扰动反应评价和指令反应评价车辆行驶时，车辆是在两个方面输入，一是由路面带来的不平坦或降雪天气扰动输入即扰动响应评价。二是根据驱动程序自己的指令输入命令响应评估。 (2)角输入反应评价和力输入反应评价 采用角输入来控制车辆的转向角输入响应评价，汽车司机通过输入力来控制车辆的转向的一种评价。(3)不同工作点的评价 在日常生活中，车辆行
12、驶速度、地面附着条件等不同，使车辆行驶工况多变。因此，在综合考虑车辆速度，有什么样的道路条件和横向加速度的情况下，进行了全面的评价。（4）线性区评价和非线性区评价 作为一个复杂的非线性系统，车辆需要分为两个区域：线性区域和非线性区域。而车辆通常在线性区域，所以线性评价是车辆保持良好的操纵性和稳定性的基本评价。非线性区域的车辆将导致车辆操纵稳定性严重恶化，并在非线性区域发生严重的交通事故，因此对车辆的非线性评价是保持良好的处理和稳定的重要性。（5）稳态评价和动态评价 稳态指的是车辆的速度是恒定的，没有外界干扰，方向盘指示不改变，车辆的输出达到稳定状态的平衡。当车辆达到稳定平衡状态时，则是稳态评价
13、。然而，实际车辆运动是很少在稳态中实现的。所有车辆的运行问题都来自于动态响应，因为在稳态状态下基本没有稳定问题。稳态特性是汽车的行驶必须具备的基本条件，能使稳态实验良好的动态特性可以达到线性区域，或限制侧滑，但动态测试不是那么容易。稳态评价操作简便，可通过稳态评价对汽车动力特性进行进一步研究。（6）开环评价和闭环评价开环评价 开环评价是实验评价的主要方法，它是不考虑驾驶员的特性，只考虑对车辆本身性能的评价，对闭环评价是综合考虑驾驶员和车辆本身的综合考虑，比较全面。然而，司机因人而异，不能完全符合统一标准5。 图3.1实验评价示意图3.2主观评价和客观评价3.2.1主观评价汽车操纵性主观评价是一
14、个比较合理的评价，使评估人员根据自身感觉来评估测试。根据项目和评价标准的规定，也属于闭环评价。主观评价的优点：(1)主观评价主要考虑到人自身的条件，更加切合实际状况，驾驶员自己来操纵汽车，所以操纵性的最终评价方法依旧是主观评价法；(2）驾驶员自身在进行主观评价试验时，还能发现实验仪器检验不到的问题。主观评价的缺点：(1)主观评价受很多因素的影响,不同的司机评价的结果会有很大差异；(2)一般来说,它不和“性能”和“汽车结构”这两者之间有什么联系信息。(3)它是设计阶段产生的原型,因此增加成本评估和设计周期。3.2.2客观评价汽车操纵性客观评价方法是基于操纵性试验仪器表征的物理量,如横摆角速度、横
15、向加速度、倾斜角度和转向力评估的稳定性控制方法。其优点是：（1）实验方法和指标计算结果比较明确，没有人为的不确定因素的干扰；（2）随着虚拟仿真技术的成熟，汽车模型的精确构建，为以计算机仿真分析为手段研究汽车动力学特性及预测动态特性提供极大方便；（3）如果有一套成熟统一的客观评价体系用于设计阶段，在还没有原型车的情况下或者在对标阶段就可预测汽车操纵稳定性，从而优化设计节约时间节约成本；（4）可以通过客观评价试验中的评价指标，理论分析确定它们与汽车结构参数的函数关系，因此客观评价试验可以指出改变汽车结构及结构参数以提高性能的具体途径。其缺点是：（1）没有充分考虑到人的因素，与汽车的实际使用情况有一
16、定的差别，评价指标难以真正准确反映汽车的操纵稳定性；（2）还没有成熟统一的客观评价体系，即便是ISO的实验标准也只给出了实验方法和指标计算方法，并没有明确说明各指标如何去反应汽车主观品质特性。4 CARSIM整车模型的建立及车辆模型系统介绍 CARSIM软件结合现代多体动力学与传统的车辆动力学方法建模思想，并对其简化,如下是汽车的缸体数以及自由度数目。表4.1 缸体数及自由度数刚体数量自由度数量簧载质量1簧载质量的移动自由度（X、Y、Z)3非簧载质量4非簧载质量自由度4车轮4车轮旋转自由度4发动机1传动系旋转自由度1总数10轮胎瞬态特性自由度8制动压力自由度4总数27CARSIM软件模型包括七
17、个子系统，包括车身、轮胎、转向系统、悬架、制动系统、动力传动系统、空气动力学。结合起来，我们可以建立一个多自由度的车辆模型，包括簧载质量的自由度，非簧载质量的自由度，车轮的转动自由度等。 图4.1 CARSIM车辆模型的简化图4.2 CARSIM软件整车模型所包括的子系统以下分别对车辆模型系统具体的参数和曲线以及如何获取进行进一步分析研究，其中曲线的获取在仿真中分析。4.1车体（Sprung Mass from Whole Vehicle)车体部分也作为建模部分，主要介绍了汽车的质量、外形尺寸参数、汽车质心位置、转动惯量、尺寸参数没有严格的实验采集，通过查阅相关资料和数据理性的选择，并参考CA
18、RSIM软件进行分析，因为水平约束，参数的选择并不是最准确的，但相对合理的。车体界面及车体具体参数如下：图4.1.1 车体（Sprung Mass from Whole Vehicle)界面表4.4车体参数序号具体参数数值单位1车宽1880mm2车高1480mm3轴距3050mm4轮距1600mm5质心高度h530mm6质心距前轴距离x1400mm7簧载质量M1650kg8前轮高度h320mm9后轮高度h300mm10转动惯量928.1Kg-11转动惯量2788.5Kg-12转动惯量3234.0Kg-在CARSIM坐标系统建立一个相对完整的车体的界面，如图所示：在CARSIM软件，可以使用车辆
19、前轮轴中心的高度确定车辆坐标系的坐标原点，通常输入一定载荷下车轮半径，汽车左、右对称平面内定义X轴线，车头前面是正面的；Z轴的方向垂直于地面的方向，上方为正；利用右手定则确定Y轴，向右为正方向。图4.1.2 CARSIM汽车坐标系4.2 轮胎（Tires)CARSIM轮胎界面截图如下：图4.2.1 CARSIM中轮胎（Tires)界面表4.2 轮胎具体参数参数数值单位Effective rolling radius（有效转动半径）365mmUnloaded radius (非承载半径）390mmSpring rate(弹簧刚度） 420N/mmMaximum allowed force(最大承
20、载压力）100000N轮胎参数175/65 R18 在CARSIM软件中建立轮胎坐标系是为了研究轮胎的力学特性，如图所示：在垂直汽车轮胎旋转轴线的车轮中分平面设为车轮平面，车轮旋转轴线在地平面上的投影线与地平面和车轮平面的交线的交点定义为坐标系的原点。地平面和车轮平面的交线记为X轴，取向前为正。Z轴与地平面垂直，取上方为正。Y轴位于地平面，取面向车轮前进方向为正。图中还标记了地面切向反作用力、地面侧向反作用力、地面法向反作用力、回正力矩（地面反作用力绕Z轴的力矩）、侧偏角（轮胎接地印记中心位移方向与X轴的夹角）、外倾角（垂直平面与车轮平面的夹角）。图4.2.2 CARSIM轮胎模型截图4.3
21、转向系统(Steering System)图4.3.1转向系统（Steering System）界面4.3.1转向系统介绍：转向系统对研究汽车的操纵性至关重要，转向系统的好坏很大一部分决定了操纵性如何，因此在论文中重点研究转向系统，也是建模的另一部分。对转向系统的要求就是工作要可靠、操纵要轻便、汽车在转向时车轮尽可能的做纯滚动尽可能的减少滑动，否则会导致汽车漂移甩尾现象，如果转向轮收到的冲击较大或者方向盘的感觉太明显（打手），对驾驶员是不利的，所以要确保驾驶员有很好的路面感觉。表4.3.1转向系内参数布置具体参数数值Column inertia(转向柱惯量）0.02System inertia
22、(系统惯量）0.0001Column damping(转向柱阻尼）0.01Nm-s/degColumn hysteresis(转向柱干摩擦）0.1NmHysteresis ref angle(参考角度）0.5deg如下为主销几何学参数： 图4.3.2 主销几何参数在后面的CARSIM软件仿真中将着重介绍转向系统中主销力矩、车轮转向角、转向力矩、方向盘转角、车辆纵向加速度、不足转向梯度等随汽车参数的变化而变化的情况。4.3.2 CARSIM转向系模型在CARSIM汽车模型中，转向受到两个特性的影响：悬架K&C特性和转向系特性。两个特性效应叠加达到总体的转向效果，下面介绍转向系的影响。CARSIM
23、转向系包括弹性运动学特性（Compliance)和转向系运动学特性（Kinematics),下面简称K特性和C特性。图4.3.3 CARSIM转向系模型车轮转向盘与转向器之间关系如图所示，转向盘转角与转向器输出之比由Gear Ratio（传动比）表示。由于转向系统的转向轮角度的变化，在转向力矩变动的时候，左、右车轮会被干扰。4.4 悬架系统（Suspension)在CARSIM软件悬架选项里有扭转梁悬架、独立悬架、非独立悬架三种悬架形式。运动学（Kinematics)特性和弹性运动学(Compliance)特性都存在于三种悬架中，而此篇论文只针对独立悬架做研究分析。4.4.1独立悬架运动学特性
24、（Independent Suspension kinematics)此界面讲述了独立悬架的运动学特性（K特性）。 图4.4.1独立悬架运动学特性界面表4.4.1 K特性参数序号具体参数 数值单位1非簧载质量（Unsprung mass）90kg2部分转向（Fraction steered）0.803车轮转动惯量（spin inertia）0.94前轮轮心高度320mm5后轮轮心高度300mm6车轮外倾角值（camber）Left:0、right:0deg7车轮前束角值（toe)Left:0.1、right:0.1deg 除此之外，在独立悬架运动学特性中还定义了一系列参数随轮跳的变化曲线，主销
25、后倾角、车轮外倾角线、轮心纵向位移、轮心侧向位移和车轮前束角。由于汽车在行驶过程中，车轮的质量中心和车轮的中心位置发生改变，从而会影响车辆的控制。4.4.2 独立悬架弹性运动学特性（Independent Suspension Compliance)在此界面中主要包含了C特性参数，前悬架的刚度为34N/mm,后悬架刚度为46N/mm.详细参数曲线有减振器速度特性曲线、横向稳定杆辅助侧倾刚度曲线和悬架弹性特性曲线，不做具体描述。悬架的C特性曲线通常是线性关系，所以C特性系数在CARSIM软件中可以用来论述车轮中心位置以及轮胎参数定位随汽车车轮受到外力变化的情况10，详细情况如下：图4.4.2独立
26、悬架弹性运动学界面（C特性）界面表4.4.2 C特性曲线序号变化参数LeftRight1前束角与纵向力系数（Toe/)-1.9e-6-1.9e-62外倾角与纵向力系数（Camber/)003轮心纵向位移与纵向力系数（Longitudinal displacement/)2.0e-42.0e-44前束角与侧向力系数（Steer/)-3.3e-5-3.3e-55车轮外倾角与侧向力系数（Inclination/)5e-55e-56轮心侧向位移与侧向力系数（Lateral displacement/)2.2e-52.2e-57前束角与回正力矩系数（Steer/)1.4e-41.4e-48外倾角与回正力
27、矩系数（Inclination/)-5.3e-5-5.3e-5 在悬架K&C特性中，前束角的变化是由悬架引起的转向效应，车轮的最终转向角是转向系统的转向性能和悬架引起的转向组合，本文并不对此做过多赘述。4.5 传动系（Power train)本文传动系采用的是前轮驱动，符合大多数汽车车型。图4.5.1传动系界面汽车传动系由传动系由离合器、变速器、万向传动装置和驱动桥组成，在CARSIM详细参数如下：表4.5.1传动系参数序号变化参数曲线或数值1发动机万有特效曲线略2离合器特性曲线略3离合器扭转刚度略4变速器各档齿轮传动比及转动惯量参见下图5变速器各档位传动效率参见下图6加减档时刻表略7减速器力
28、矩特性曲线略8发动机功率125kw9内部传动6-speed transmission10阻尼系数（damp ratio ）0.9图4.5.2变速器各档齿轮传动比及转动惯量 在传动系中只对传动比和转动惯量做简单的介绍，不作深究。4.6制动系（Brakes) 在CARSIM汽车制动系中可以描绘出制动力矩曲线以及制动压力分配曲线等，不做详细叙述。具体性能参数如下：图4.6制动系界面表4.6制动系参数序号性能参数LeftRight1流体运动学时间常数0.06sec0.06sec2流体传递滞后003ABS开启和关闭的滑移率门限值OFF0.2、 ON0.5OFF0.2、 ON0.54ABS工作最低车速15
29、km/h15km/h5制动力矩250N-m/MPa150N-m/MPa4.7空气动力学（Aerodynamics) 在CARSIM汽车空气动力学中的CARSIM界面及一系列具体参数如下：图4.7 CARSIM空气动力学界面表4.7 CARSIM空气动力学参数序号性能参数1空气动力学参考点坐标2车辆正投影面积3空气动力学力矩参考长度4空气动力学六分力系数与侧风角度的关系曲线 空气动力学部分也不作为论文研究重点。5 CARSIM操纵性仿真分析操纵性对于汽车的行驶、安全至关重要，并且在大学汽车专业课的学习中曾做过汽车操纵性的实验，包括转向轻便型实验、稳态回正实验、高速回正实验、低速回正实验、转向角脉
30、冲实验、转向角阶跃实验等等，由于本文选定的车轮模型实验受到限制，故省略了对选定汽车的操纵性试验，直接利用理论实验结果并根据理论知识及向指导老师学习之后，利用CARSIM仿真软件进行深入分析。在CARSIM仿真中运用到以下基本可变数据：车速、簧载质量、非簧载质量、悬架刚度、减振器阻尼系数、车轮尺寸参数，以下是可变数据的默认值。表5.1 仿真默认值序号参数数值 单位1速度120Km/h2簧载质量1650kg3悬架刚度前悬架34、后悬架46N/mm4轮胎尺寸225/60 R18无5悬架阻尼系数0.90 仿真数据选择六个与汽车操纵性相关的曲线图，分别是: （1）主销力矩（Kingpin Torque)
31、随时间的变化曲线图 （2）车轮转向角（Road Wheel Steer Angle)随时间的变化曲线图 （3）转向力矩（Steer Torque)随时间的变化曲线图 (4）阻尼力（Damping Force)随时间的变化曲线图 (5)方向盘转角（Steer Wheel Angle)随时间的变化曲线图 (6）不足转向梯度（Understeer Gradient)对比侧向加速度（Lat Accel)的变化曲线5.1 CARSIM速度仿真研究 如果汽车的操纵性较差并且发生跑偏时，驾驶员需要转动方向盘进行方向矫正，所以驾驶感觉较差，给驾驶带来很大的负担，如果长途驾驶导致的疲劳程度会更大，因为驾驶员要时
32、刻保持汽车能沿着直线行驶，如果在笔直的道路汽车行驶的轨迹弯弯曲曲，一方面导致燃油消耗严重，另一方面也会加快轮胎或者汽车零部件的磨损。当汽车磨损达到一定程度汽车的操纵性就会变得更差，形成恶性循环，久而久之交通事故就很难避免。在CARSIM速度试验中采用三种速度进行仿真，分别为80km/h、120km/h、160km/h，三种速度对比分析梯度较大，目的是为了得到更有效的结果对比，以下是CARSIM仿真分析结果。图5.1默认参数仿真结果仿真曲线选用转向系统（Steering system）中的一些参数，包括主销转矩、车轮转向角、转向力矩、方向盘转角、阻尼力、不足转向与车轮纵向加速度等，以下是速度仿真
33、曲线。 图1 不同车速下的主销转矩对比 图2不同车速下的车轮转向力矩对比 图3 不同车速下的方向盘转角对比 图4不同车速下的车轮转角对比 图5不同车速下的轮胎侧向力对比 图6不同车速下的不足转向梯度对比 由以上仿真曲线对比可得到结论： （1）行驶速度较低的汽车操纵性相对好些，而且各项参数变化较为平稳，基本不会出现转向失稳、滑移等现象，所以低速行驶如果操纵性能不好导致汽车跑偏，高速情况下一定会发生跑偏，而在高速行驶发生跑偏，低速则不一定。 （2）如果汽车在超速（140km/h)行驶时主销转矩、车轮转向角会发生非常频繁的波动，不足转向梯度在高速转向过程中会出现峰值，说明汽车发生转向不足现象，这也应
34、该是国家在设定高速公路120km/h的依据之一，防止因转向操纵失稳而发生交通事故。 (3)随着汽车速度升高转向力矩逐渐变大，具体参见纵坐标数值，当车速超过一定值时，当轮胎可提供的侧向力达到饱和状态，转向力矩并发生一定的缓慢波动，基本不再增加随后开始减小，总的回正力矩不再增加。 (4)当车辆速度增加，前轴垂直载荷小，垂直轴载荷和轮胎侧偏刚度还与负载的变化而变化，当增加车速，后轴侧滑角变小，前侧偏角变大，汽车增加转向不足的趋势。5.2 CARSIM簧载质量仿真研究 在CARSIM软件中簧载质量的默认值为1950kg,非簧载质量默认值180kg（不变动),通过改动簧载质量的数值来对比分析仿真结果，分
35、别采用簧载质量为1500kg、1650kg、1900kg进行对比研究。以下是仿真曲线： 图1 不同簧载质量下的主销转矩对比 图2不同簧载质量下的车轮转向力矩对比 图3 不同簧载质量下的方向盘转角对比 图4不同簧载质量下的车轮转角对比 图5不同簧载质量下的阻尼力对比 图6不同簧载质量下的不足转向梯度对比 簧载质量是悬架以上并且由弹性元件支撑的汽车零部件的质量，所以在悬架以下不受支撑的部件属于非簧载质量，包括车桥和车轮，本文讨论的是簧载质量的变化引起的汽车操纵性变化，暂不讨论非簧载质量。通过曲线仿真分析得出以下结论：汽车的簧载质量（1500kg)较小而非簧载质量(180kg)较大，那么汽车在行驶的
36、过程中，弹簧和减振器就需要很长时间来吸收振动的能量，车身会上下跳动，虽然提高了平顺性但对操纵性影响较差。5.3 CARSIM悬架刚度仿真研究本文车辆的悬架采用的是独立悬架，悬架刚度对汽车的操纵性会产生一定的影响，如果悬架刚度较小或者悬架比较软，可以提高汽车的舒适性，但是操纵性将会相对降低，汽车舒适性与汽车操纵性往往成反比，以下采用不同的悬架刚度来研究汽车操纵性，包括前悬架28N/mm、后悬架40N/mm,前悬架34N、后悬架46N,前悬架40N/mm、后悬架50N/mm三种不同的参数。以下是汽车不同悬架刚度对比分析，仿真曲线如下： 图1 不同悬架刚度下主销转矩对比 图2不同悬架刚度下的车轮转向
37、力矩对比 图3 不同悬架刚度下方向盘转角对比图 4不同悬架刚度下的车轮转角对比 图5不同悬架刚度下的阻尼力对比 图6不同悬架刚度下的不足转向对比 悬架是车架车桥等传动装置之间的连接装置。其功能是将车轮与车架之间的力和力矩传递给车架或车身以缓冲冲击力，减少振动，从而保证车辆平稳行驶。典型的悬架结构由弹性元件、导向机构和减振器等组成。 本文采用独立悬架进行研究，其优点是：质量轻，减少了车身的冲击，并提高了车轮的地面附着力；软弹簧刚度小，提高了汽车的行驶平顺性；可以减少发动机的位置，降低了车辆的重心，从而提高汽车的行驶稳定性；独立悬架左右车轮的跳动无关，能减小车身的倾斜和振动。悬架刚度是衡量悬架抵抗
38、变形能力的一个指标，等于悬架的载荷和悬架所引起的变形的比例。综合分析以上仿真曲线得出如下结论：（1）汽车悬架是一个运动部件，其运动部件较轻，则悬架的响应速度和反弹速度会更快，所以悬架的阻尼能力较强；而降低质量的起升也意味着弹簧的质量损失，舒适性更好，这将导致操纵变差。（2）当车辆受到侧向力时，汽车前后轴垂直荷载的变化量的大小是影响其操纵性的主要原因之一。如果汽车前轴左、右车轮垂直载荷变动量较大，会发生转向不足；如果垂直载荷后轴左右车轮变动比较大，车辆减少转向不足的倾向。 （3)过高的前悬架硬度以及过低的后悬架刚度都会导致转向不足。5.4 CARSIM不同驱动方式仿真研究 在进行CARSIM仿真
39、时选取不同的驱动方式进行探讨，分别是前轮驱动、后轮驱动和四轮驱动。在汽车转向还会出现转向不足、中性转向及过度转向现象。转向不足，就是前轮出现了向外侧的滑动。具体表现为：车辆在转弯的实际转向角度比前轮的转动角度小。转向过度就是后轮出现了向外侧的滑动，又称为甩尾，具体表现为：车辆在转弯中的实际转向角度比前轮的转动角度大。仿真曲线如下： 图1 不同驱动方式下的主销转矩对比 图2不同驱动方式下的车轮转向力矩对比 图3 不同驱动方式下的方向盘转角对比 图4不同驱动方式下的车轮转角对比 图5不同驱动方式下的阻尼力对比 图6不同驱动方式下的不足转向梯度对比 通过以上仿真得出如下结论 ： (1)使用不同的转向
40、系统的车辆操纵性将改变，前轮驱动车结构紧凑，前轮驱动汽车可以减少传动轴。前轮转向汽车的重心靠前，使前悬架系统的轴承质量和非轴承质量比应大于后轮轴承的质量和非轴承的质量比，得到更好的舒适性，转向性能提高。(2)前驱车一定转向不足、后驱车一定转向过度,因为前驱车的驱动力施加在前轮，增加驱动力会引发转向不足，后轮驱动也是如此。5.5 CARSIM不同轮胎结构仿真研究 对汽车操纵性控制，轮胎的影响是非常重要的，因为前后轮胎侧偏刚度是影响汽车操纵稳定性的重要因素，前轮和后轮侧偏刚度匹配，直接决定操纵性，是不是转向不足，过度转向或者中性转向。 汽车轮胎参数默认值为225/80 R16,代表胎面宽度225m
41、m，扁平比为65，R代表子午线轮胎，轮毂直径16英寸，在本文中轮胎参数除了此类还选择另外两种不同的参数进行对比分析，其中包括205/55 R16和255/75 R16两种偏差较大的轮胎尺寸。性能仿真曲线如下： 图1 不同轮胎尺寸的主销转矩对比 图2不同轮胎尺寸的车轮转向力矩对比 图3 不同轮胎尺寸的方向盘转角对比 图4不同轮胎尺寸的车轮转角对比 图5不同轮胎结构下的轮胎侧向力对比 图6不同轮胎结构下的不足转向梯度对比经过以上对比分析得出以下结论：（1）轮胎的结构形式对侧偏刚度有显著影响，子午线轮胎接地面比较宽，一般侧偏刚度高。轮胎的结构形式对回正力矩和侧偏角特性也有影响。在同样侧偏角下，尺寸大
42、的轮胎一般回正力矩较大。（2）扁平率对轮胎侧偏刚度影响很大。因为扁平率小，接地面积变宽，侧偏刚度成反比例提高。故采用扁平率小的宽轮胎是提高侧偏刚度的主要措施。（3）垂直载荷的变化对轮胎侧偏特性有显著影响，侧向力随竖向荷载的增加而增大。然而，垂直载荷过大，轮胎具有较大的径向变形，侧向力还会减小。回正力矩随垂直载荷的增加而增大9。6总结通过CARSIM建模仿真可以知道有很多因素可以影响车辆操纵性，包括车速、簧载质量、悬架刚度、汽车驱动形式，减振器阻尼系数。转向轮在受到外力作用时，会发生偏转，如果外力消失，转向轮需要自动回到原来的位置。CARSIM可以仿真车辆在多种情况下的模型,包括空气动力学、驾驶
43、员传感器、制动系统、地面的仿真、平顺性仿真、传动系仿真、车辆轨迹仿真，以及汽车各项参数设置，包括车速、悬架刚度、簧载质量等等。随后我开始不断地进行测试，并最终寻找到适合汽车操纵性仿真的部分，总结不足并开始进行设计。在反复对比的过程中，确定了对比参数为车辆速度、簧载质量、悬架刚度、阻尼系数。 在汽车中良好的操纵性、稳定性、平顺性需要合理的参数配置，如选用合理的阻尼系数（0.5-0.8），合理的悬架刚度(30N/mm-50N/mm)以及合适的轮胎尺寸（225/18 R15)，就如同人不同身材穿不同的尺寸衣服，讲求合理适度原则。除此之外下面介绍以下提高汽车操纵性的方法。车辆的操纵性，决定了高速车辆的安全性能，因此人们称之为高速车辆的生命线。所以在前面的速度仿真时设定高车速进行研究发现：所以车辆（大于120km/h)的操纵性显著降低，并且无法正常转弯行驶。正因为如此，人们一直在寻找方法来提高车辆的操纵稳定性。防抱死制动系统、驱动力控制系统、四轮转向