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汽车稳定性控制虚拟样机和试验研究

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机械设计与制造 第7期 206 Machinery Design&Manufacture 2011年7月 文章编号:1001—3997(201 1)07—0206—02 汽车稳定性控制虚拟样机和试验研究水 范小彬’夏群生。 (’河南理工大学机械与动力工程学院,焦作454000) ( 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084) Virtual prototyping and experimental research of vehicle stability control FAN Xiao-bin ,XIA Qun-sheng ( School of Mechanical and Power Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China) (2The State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China) 【摘要】首先,采用自制的简易三坐标测量仪对样车的各铰点(硬点)进行实测,并通过实测或辨 识方法确定减振器、转向系统等部分的特征参数;然后,在多体动力学软件中建立该样车整车虚拟样机 模型,并建立基于横摆和侧偏的车身稳定性控制系统模糊控制器,其仿真结果表明所建控制器控制效 果良好。最后,为了探析样车原装稳定性控制系统控制算法等,对样车进行了冬季试验,并得出了一些 有益的启示,这为下阶段自主开发汽车稳定控制系统提供了参考。 关键词:稳定性控制;虚拟样机;侧偏;横摆;冬季试验 【Abstract】First,the hinge point(hardpoints)ofprototype vehicle WaS measured by a self-made s m— ple tri—ordinate measuring apparatus,and the characteristic parameters of subsystems of shock absorber, steering system and the wheel were measured or identiifed;Then,the virtual prototyping modelfor prototype vehicle 珊built in multibody dynamics software.and body stability control system Was built based on the yawing and cornering,which shows that the f=zy controller is satisifed with its simultaing resuhs.Finally, in order to analyze original control algorithm of the stability control system ofprototype vehicle,winter test Was carried out.And some enlightenmentfor the next phase is obtained,which would provide beneifcila en— lightenmentfor developing autonomously stability control systems ofthe vehicle. Key words:Stability control;Virtual prototyping;Cornering;Yaw;Winter test 中图分类号:TH16,U467.1文献标识码:A 1概述 系统、转向系统、发动机、车身、轮胎模型等子模型,并定义子系统 汽车电子稳定性系统(ESP—Electronic Stability Program)是 之间的信息交换器(communicator),然后根据所建立的模板文件 以制动防抱死系统(ABS)为基础,通过外围的传感器收集方向盘 创建各个子系统(Subsystem)文件[3-51;最后,在标准(Standard)模 转动角度、侧向加速度、横摆角速度、节气门开度等信息,ECU根 式下将各Subsystem通过信息交换器建立整车模型Assembly,如 图2所示。 据这些信息,通过计算判断汽车当前行驶状态与驾驶员期望安全 行驶的差距,从而调整发动机的转速和车轮上的制动力。如果实 际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差超过一定门限,ESP系统 自动对某一车轮施加制动和驱动控制等,从而修正汽车的过度转 向或不足转向,避免打滑、过度转向、不足转向和抱死等。据统计, 安装该系统后轿车单车致命事故下降(30—50)%、而SUV该类事 故降低(50~70)% 。为了研究某样车的ESP控制算法,采用虚拟 一 图1硬点坐标实测 图2整车虚拟样机建模 样机技术和实车试验对其进行了比较研究。 2 ESP系统虚拟样机仿真 2.2 ESP控制系统建模 汽车运动一类是轨迹保持问题,它可用汽车侧偏角来描述, 2.1整车虚拟样机建模 其质心轨迹由轮胎所受的综合力决定;另一类是稳定性问题,它 首先,采用自制坐标仪对样车的各铰点(hard point一硬点)进 可用汽车的横摆角速度来描述,它与轨迹保持问题相互关联,由 行实测,如图l所示,并通过相关试验或系统辨识的方法获得各 各轮胎上的力对汽车质心力矩来决定。所以,ESP控制系统常采 部件的几何参数、物理参数和力学特性参数等,然后在专家模式 用横摆角速度和质心侧偏角联合控制的策略。根据汽车平面二自 (Ternplate Builder)T建立各个模板(template)文件,如前/后悬架 由模型,可求出稳态圆周运动时的侧偏角 和横摆角速度 : ★来稿日期:2010—09—17★基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2006AA110101),河南省自然科学研究资助项目(2011B580001) 第7期 范小彬等:汽车稳定性控制虚拟样机和试验研究 207 辚,: 2 2一6 6 ㈩ — 厂、 … , .期望 未控制 | l 、 ~ m 2(。 一6 ) 式中:n、6一汽车质心距前、后轴距离; 、C一前、后轮胎侧偏刚 1’ ’度; r一汽车总质量; .一车速;£—轴距; 一前轮转角。 另外,当汽车做圆周运动时,横摆角速度还要受到路面附着 ,~。,- 、 、 . ’‘ 、'’-----~条件的,即存在最大允许横摆角速度。其计算过程如下:首先, 设汽车质心的横向加速度为a=Vxr+V ̄,其中,Vy=Vtan ̄则 可表 时间/sec I,西 示为 ̄=V/+Cxta — ,_ 一,在轮胎附着极限下的侧向加速 、/J+tan 度须满足Ia l ・g,考虑到上式中的后两项很小,最大横摆角速度 l… I可用如下的近似公式表示目:r_lim=0.85 l兰 I。这样可得期望的 ‘ l  l横摆角速度为r6为:rd=min[ l,l 1]・sign(6) (2) 极限侧偏角采用经验公式为: =tan (0.021xg),则期望侧 偏角 为:l l-arin[1卢5 1,l 一 。 1] (3) 2。3 ESP联合控制仿真 通过对机械和控制系统使用联合仿真,机械工程师和控制 皆P, 蕈 工程师可以共同享有一个样机模型,进行设计、m 0 调试和试验,从而 珈 珈 提高了效率。为了进行ESP控制系统联合仿真,需要将在ADAMS/ Car中建立的虚拟样机模型转化为S-function到Matlab/Simulink 中,横摆和侧偏联合模糊控制仿真原理图【9】,如图3所示。首先,从 整车虚拟样机模型得出车辆横摆角速度和侧偏角等状态参数,然 后与参考模型计算出的期望横摆角速度和侧偏角进行比较,判断 车辆的稳定状态。有无ESP控制时的横摆角速度和侧偏角仿真 结果,如图4所示。由图4可以看出,采用侧偏+横摆联合控制后, 实际横摆角速度能很好的跟随理想值,侧偏角的控制效果比较理 想,控制在5。以内。 图3横摆和侧偏联合模糊控制框图 3 ESP实车冬季试验 为了研究样车ESP控制系统,在北方某试验场进行了冬季 试验,RT3000 GPS惯导测量系统和现场实验照片,如图5所示。 其中,采用的试验方法主要有冰,雪面双移线、冰面J弯等。冰面 双移线试验结果,如图6所示。试验时车辆以2档进入车道后左 转。为了便于比较,图中将车速、发动机转速、横摆角速度等参数 均乘以一定系数。其中,节气门开度在(O 1)之间(O为全关,1为 全开)【 。 (a)横摆角速度仿真 一、\\ ’、 I…一有ESP控制I 、、 l 无ESP控制I \ \ 0 1 2 3 4 时间/sec 枷 (b)倒边角仿真结果 图4有无ESP控制时的横摆角速度和侧偏角仿真结果 图5试验车辆及装置照片 l= rL  l j l:二二 是趟 .i 嚣l脏是 ¨ I.£n~..  ;礓n f j {I 图6冰面双移线试验结果 从图6可以看出,在1.4s时对后左轮进行了制动,此时方向 盘为左转,系统认为车辆出现了不足转向趋势;在3.8s时,对后右 轮进行了制动,此时方向盘右转,系统认为车辆亦出现了不足转 向趋势。从滑移率曲线看出,在4s时施加的制动压力过大以致后 机械设计与制造 208 文章编号:1001—3997(2011)07-0208-03 Machinery Design&Manufacture 第7期 2011年7月 STXS 1 35型旋塞阀本体的有限元分析 奚泉张怡典 (九江职业技术学院,九江332007) Finite element analysis of STXS1 35 type plug valve body XI Quan,ZHANG Yi-dian (Jiujiang Vocational&Technical College,Jiujiang 332007,China) ; 【摘要】钻柱内防喷系统,就是预防及处理钻柱内井喷的配套系列产品。目前,针对内防喷系统 }中重要工具之一的旋塞阀的研究还很薄弱,因此,展开对旋塞阀的全面研究具有重要的理论意义和工 i程意义。旋塞阀本体的断裂问题,一直困扰着生产商和用户。针对这一问题,运用ANSYS软件,建,2-阀 }本体的有限元模型,分别对本体在拉、扭、内压等多种载荷下的本体强度详细分析,找出阀本体应力集 i中的主要原因,提出改进建议,这些研究工作将为旋塞阀的改进研制提供具有参考价值的理论依据。 》 关键词:旋塞阀;有限元;应力集中;双线形随动强化模型 } 【Abstract】Blowout preventing system inside drill string is series ofproducts matched for preventing ;from blowout and its handling inside the drill string.A t present,the research for plug valve which is one of }importnta tool in blowout preventing system inside the drill string is too weak,in this cose comprehensive l stu@for the valve is very signiifcant both in theory and engineering.Thefracture ofthe valve bo@has been }perplexing the manufacturers and users. ec c to this problem,afinite element model of the valve bo@is l set up with ANSYS¥O ̄woFe,in which the intensity fvaolve bo@under variety ofloads such drawing, 》spraining,pressing rae analyzed in detail.Then main reason of stress coneentration fvalove bo@isfound ;out and the improving suggestion is ofered.Therefore the research will provide theoretical basis for refer一 ;ence in improving and developing the valve. 2 Key words:Plug valve;Finite element;Stress concentration;Bilinear follow-up intensiifed model 用途是在可能井喷睛况下水龙头、水龙带或立管被刺漏或折断时 可用它来关闭钻柱内的通孔l】1。旋塞阀在防止钻柱内井喷起着重 要的作用。在实际应用中有的旋塞阀承受着恶劣的工作载荷导致 中图分类号:TH16,TE927+.7文献标识码:A 1引言 方钻杆旋塞阀是钻井中内防喷系统的重要工具之一,包括 上、下旋塞阀,上旋塞阀本体被安装于水龙头下端接头与方钻杆 不仅直接影响着钻井的正常工作,而且会导致油井停 上端之间,下部旋塞阀本体安装于方钻杆与钻柱之间。它的主要 失效断裂,k来稿日期:2010—09—16 -右侧车轮滑移率达到0.6,即将近抱死,为了兼顾车辆稳定同时又 参考文献 Ferguson.The effectiveness of electronic stability control in 不抱死,系统此时还进行了发动机制动(节气门开度减小、发动机 [1]Susan A.转速降低)。 在一定问题。从仿真和试验得到的滑移率曲线也可看出,二者吻 合较好,表明所建整车虚拟样机及控制模型精度较好。 reducing real-world crashes:a literature review.Traffic Injury Prevention, 2007(8):329—338. 2000(1):1633. 在5.3s时刻车轮还是出现了抱死,表明原车ESP系统尚存 [2]A.T.van Zanten.Bosch ESP systems:5 years of experience.SAE Paper, 13j MSC.GettingStartedUsingADAMS/View,2007. [4]}LB.Pacejka:Tyre and Vehicle Dynamics.Ox ̄rd:Butterworth—Heinemann, 2006. 4小结 [5]Amuliu Bogdan Proca,Ali Keyhani.Identiifcation ofpower steering system dynamicmodels.Mechatronics,1998(8):255—270. 6]王德平,郭孔辉,宗长富.车辆动力学稳定性控制的理论研究.汽车I: 车虚拟样机模型,然后在matlab/simulink中建立基于横摆和侧偏 [以某样车为研究对象,首先在多体动力学软件中建立其整 [7]余志生.汽车理论 E京:机械工业出版社,2006. 用多体动力学软件和控制软件对ESP进行联合仿真分析,可以 [8]RajeshRajamani.Vehicledynamicsand contro1.Springer,2006. 9]B.L.Boada.Fuzzy-logic applied to yaw moment control for vehicle stability. 显著的提高仿真精度、缩短开发周期。为了探析样车ESP系统, [的ESP模糊控制器,仿真结果表明所建控制器控制效果良好。采 程,2000,22(1):7-9. 对样车进行了冬季试验,发现了一些有益的信息,为下阶段自主 [1O]张明.马自达六电子稳定性系统测试和仿真平台研究[D].北京:清华 开发ESP奠定了基础。 大学,2008. Vehicle SystemDynamics,2005,43(10):753—770. 

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