用于车辆动力学实时仿真的转向力输入模型(2)

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吉林大学学报(工学版)

弹性变形而产生的弹性力为

第38卷

,仅考虑方向盘转角与转向轮转角之间的运

动学关系,并且没有描述转向系统干摩擦的静摩擦特性。这种模型切断了左右转向轮之间的力学联系,不能自动调整左右转向轮的运动状态,无法精确地计算车轮的动态转向角。同时,忽视对转向干摩擦静摩擦特性的描述,会使车辆模型缺少抵抗外界微小干扰的能力,汽车反应过于灵敏。基于上述考虑,作者建立了考虑转向横拉杆弹性和转向齿条动力学的转向力输入实时仿真模型,并移植到吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室所开发的29自由度车辆模型中[4],完成了整车实时仿真环境的创建。

Fturn_left=Keq(lEF-lor)+CeqvEF

效阻尼。

同理:

Fturn_right=Keq(lHG-lor)+CeqvHG

(1)

式中:Keq为横拉杆的等效刚度;Ceq为横拉杆的等

(2)

方向盘到转向器之间的连接机构简化为等效扭转弹簧系统,当已知方向盘和转向齿条运动状态时,扭转弹簧处的弹性力(即转向输入力矩)按公式(3)计算。

Ms=-Ks( y/rs- )-Cs( y/rs- )

(3)

式中:Ks,Cs分别为转向柱扭转刚度、阻尼; y, y分别为转向齿条相对车身的位移和速度; 为方向盘转角;rs为转向小齿轮半径。

转向系中还会存在阻尼机构,例如转向减震器、转向系统中的衬套和转向助力器的反向阻尼等。模型把所有这些阻尼成分引起的阻尼力加在转向齿条上,参与动力学计算。1.2 转向齿条方程的建立

转向齿条与车体间用滑移铰链相互连接,因此转向齿条相对车体只有y方向的平移运动,在车体系下转向齿条的动力学方程为

Mgear y=Fyturn_right+Fyturn_left+

Fs+Fhydrau+Fdamper

!!

!!

!

!

!

1 模型建立

建立的转向系统结构如图1所示。方向盘1与转向立柱连接,转向小齿轮6通过花键与转向立柱上的柔性万向节连接,用一个等效扭转弹簧 阻尼系统2来代替由方向盘到转向器之间的连接机构。转向齿条5与车体之间用一个滑移铰链相互约束。转向机构中左右转向横拉杆通过拉杆球头销分别与转向齿条5及左右转向节7、8连接,模型中将左右横拉杆用具有弹性和阻尼的线性弹簧阻尼系统3、4来等效代替,代表其本身的弹性特性。整个转向系统有4个动力学自由度:左右转向轮绕主销的旋转自由度、转向齿条在车体坐标系y

方向的平移自由度和方向盘转动自由度。

(4)

式中:Mgear为转向齿条质量; y为转向齿条在车身坐标系y轴方向的绝对加速度;Fyturn_right、Fyturn_left分别为左右横拉杆弹性力在车体系y轴的分力;Fs为转向小齿轮对转向齿条的作用力,Fs=Ms/rs;Ms为转向输入力矩;Fhydrau为动力转向系统液压辅助动力;Fdamper为转向齿条与车身间的阻尼力。

1.3 转向轮绕主销旋转动力学方程的建立汽车的转向运动最终是由转向轮绕主销旋转

一定角度来实现的,因此准确地计算转向轮转角是提高模型逼真度的关键之一。模型根据转向轮轴的受力状态,建立起车轮绕主销旋转方向上的动力学方程,动态地求解前轮转向角。

在图2中,已知主销的定位角(内倾角和后倾角)、主销上的任意一点(目前针对麦弗逊悬架,给定悬架下摆臂与轮轴相铰接的B点),根据G点处的转向输入力和轮心C点处的地面给轮胎的计用于主销上的力Msteer、

图1 转向系统结构简图Fig.1 Steeringsystemstructure

1.1 转向系统弹性力的计算

弹性力包括转向横拉杆处的弹簧力和等效扭转弹簧处的转向输入力矩。

左右转向横拉杆简化为具有线性刚度的弹性杆,在对前悬架和转向齿条运动状态求解的基础上,可获得左右横拉杆的弹性力。设左拉杆当前EF,lor,[5]