Carsim整車動(dòng)力學(xué)模型分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u21221Carsim整車動(dòng)力學(xué)模型分析綜述 117671.1Carsim軟件簡(jiǎn)介 1314081.2車身系統(tǒng)模型 175761.3動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)模型 2289401.4制動(dòng)系統(tǒng)建模 2238961.5懸架模型 3212271.6轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型 4142091.7輪胎模型 571041.8Simulink電機(jī)建模 5212971.3模型驗(yàn)證 7為了研究分布式驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)汽車的矢量控制算法，需要建立一個(gè)可靠的整車仿真平臺(tái)，通過上面對(duì)整車的動(dòng)力學(xué)分析，在本小節(jié)介紹輪轂電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力學(xué)建模。本文的模型是在Matlab/Simulink和Carsim軟件中共同完成的，在Matlab/Simulink中搭建輪轂電機(jī)模型，在Carsim中搭建整車中除了動(dòng)力系統(tǒng)以外的其它模型以及路面模型。兩個(gè)軟件之間通過接口連接，組成整車的動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)。1.1Carsim軟件簡(jiǎn)介Carsim是一款專門的針對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)研究的仿真軟件，已成為汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，被很多車企采用。作為專業(yè)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它著重于整車動(dòng)力學(xué)模型的建立，建模時(shí)以模塊的形式呈現(xiàn)給客戶，使用者需要選擇對(duì)應(yīng)的模塊，然后對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置就可完成建模工作。Carsim在建模時(shí)將車輛分解為不同的子系統(tǒng)分別進(jìn)行求解，根據(jù)車輛的不同特性主要分為七個(gè)子系統(tǒng)，分別為：車身、制動(dòng)系、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)向系、懸架和輪胎。1.2車身系統(tǒng)模型Carsim軟件提供了各種級(jí)別的車型供大家選擇，根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際車型，本文選用的是一款D級(jí)車的SUV為基本車型。車體模型部分主要包含了車體主要尺寸參數(shù)、質(zhì)量與重心參數(shù)、橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息，具體的參數(shù)如圖1.4所示：圖1.4車身參數(shù)1.3動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)模型使用Carsim建模時(shí)動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)置是非常關(guān)鍵的一部分，軟件提供了前驅(qū)、后驅(qū)和四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)三種供大家選擇，但這都是針對(duì)于傳統(tǒng)汽車的。由于研究對(duì)象為分布式驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車，無法直接用軟件所帶的傳統(tǒng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此只有把CarSim中的動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)切斷，然后采用外部的動(dòng)力輸入（AllExternalPowertrainComponents），如圖1.5所示。這樣在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，需要在Simulink中計(jì)算每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)矩，并將它們分別輸入至Carsim模型中的外部車輪動(dòng)力處。圖1.5動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)模型1.4制動(dòng)系統(tǒng)建模Carsim中的制動(dòng)系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單的制動(dòng)系和考慮熱衰退的制動(dòng)系統(tǒng)，由于本文所研究的內(nèi)容主要是每個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求較低，所以本文選用的是簡(jiǎn)單的制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)具體的參數(shù)設(shè)置如圖1.6所示：圖1.6制動(dòng)系統(tǒng)模型1.5懸架模型Carsim中的懸架模型有獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架之分，本文設(shè)計(jì)的仿真車輛保持了原車的前軸用獨(dú)立懸架，后軸用非獨(dú)立懸架的設(shè)置。Carsim中整車的懸架系統(tǒng)對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性的影響較大，需要更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮?shù)設(shè)置。CARSIM參考車型的前后軸的非簧載質(zhì)量均為80kg，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.8kg?m2，由于本文所研究的分布式驅(qū)動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)集成在車輪里，所以車輪質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比CARSIM中傳統(tǒng)汽車明顯較大，在參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)輪轂電機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)車型的參數(shù)后，本文設(shè)定前后軸的非簧載質(zhì)量均比參考車型高30kg，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.5kg?m2。圖1.7、圖1.8分別為前懸架與后懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。圖1.7前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性圖1.8后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性1.6轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型Carsim中整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的前輪轉(zhuǎn)向方式分為四種，分別為：非助力循環(huán)球式、非助力齒條齒輪式、助力循環(huán)球式、助力齒條齒輪式。本論文所研究車型前輪轉(zhuǎn)向方式為助力循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，具體的參數(shù)如圖1.9所示：圖1.9轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型1.7輪胎模型研究汽車的操縱穩(wěn)定性時(shí)，輪胎參數(shù)十分重要，尤其是在研究驅(qū)動(dòng)力分配時(shí)，需要一輪胎的動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)。輪胎是車輛與地面接觸的部件，無論是縱向力還是側(cè)向力的研究，都離不開輪胎剛度與側(cè)偏角的影響。Carsim給使用者提供了三種輪胎模型：內(nèi)部輪胎模型、外接輪胎模型以及魔術(shù)公式輪胎模型。為了減少建模誤差的影響，本文采用了內(nèi)部輪胎模型。輪胎模型的主要參數(shù)包括：輪胎滾動(dòng)半徑、輪胎垂直剛度、輪胎縱向力特性、輪胎橫向力特性等，具體參數(shù)的設(shè)置如圖1.10所示：圖1.10輪胎模型1.8Simulink電機(jī)建模一般根據(jù)模型的用途可以采用三種方法進(jìn)行電機(jī)建模：針對(duì)磁場(chǎng)的分析建模、針對(duì)電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)的建模和針對(duì)性能的建模。在輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性的研究中，我們不需要了解電機(jī)的工作原理，因此根據(jù)電機(jī)外特性的面向性能的建模方法更加合適本研究。本文根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了電機(jī)的外特性曲線，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行電機(jī)的建模。電機(jī)的主要參數(shù)如表1.1所示：表1.1輪轂電機(jī)參數(shù)表參數(shù)名稱單位參考值峰值功率Kw15峰值轉(zhuǎn)矩Nm114額定轉(zhuǎn)速Rpm3000本文主要針對(duì)電機(jī)的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，表現(xiàn)形式就是輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。由于本文將Carsim中原本的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)切斷，采用的是動(dòng)力源外接的形式，因此原本的駕駛員模型就不在適用，于是在電機(jī)模型中加入了速度的跟蹤控制，如圖1.11所示，它根據(jù)當(dāng)前車速與理想車速的差值經(jīng)過PID控制器來模擬電機(jī)的加速踏板行程，從而達(dá)到速度的跟蹤控制。圖1.11轉(zhuǎn)速控制模型為了使電機(jī)輸出的力矩接近實(shí)際電機(jī)的工作特性，在建立的電機(jī)模型中引入電機(jī)的外特性圖，根據(jù)查表法確定當(dāng)前轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩輸出最大值。轉(zhuǎn)矩控制的模型如圖1.12所示：圖1.12轉(zhuǎn)矩控制模型1.3模型驗(yàn)證為了測(cè)試所建立的純電動(dòng)車模型的基本性能，在Carsim中建立勻加速工況測(cè)試模型車輛的加速性能，然后建立階躍轉(zhuǎn)角信號(hào)工況，測(cè)試所建模型車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫擺角速度，質(zhì)心側(cè)偏角的值是否符合要求。勻加速工況的實(shí)驗(yàn)條件為在路面附著系數(shù)為0.85的路面上，給定駕駛員期望車速，使車輛從5km/h的速度開始加速，在20s內(nèi)做勻加速運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果如圖1.13所示：(a)車速(b)橫擺角速度(c)側(cè)向位移(d)質(zhì)心側(cè)偏角圖1.13電動(dòng)車模型直線行駛驗(yàn)證從圖中可以看出：圖(a)為車速的變化圖，車輛模型在20s時(shí)間內(nèi)加速到80km/h，且與期望的速度曲線差值很小，說明所建車輛模型對(duì)駕駛員期望車速的跟隨效果良好，動(dòng)力性能滿足項(xiàng)目需求。圖(b)、(c)為車輛橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角的變化圖，車輛的行駛過程中二者的值都在10-15附近波動(dòng)，沒有產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，且在圖中可以看出新建的電動(dòng)車模型的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角幅值遠(yuǎn)小于Carsim中自帶的傳統(tǒng)車輛的幅值，說明車輛模型保持直線行駛的能力較好。圖(d)為車輛行駛過程中側(cè)向位移的變化圖，經(jīng)過對(duì)所得圖形的放大可以觀察到其最大值僅為10-14m，車輛的側(cè)向位非常小，小于Carsim原車的側(cè)向位移，直線行駛能力較好。從上面的分析中可以看出，本文基于Carsim和Simulink建立的電動(dòng)汽車車輛模型，在直線行駛的工況下能很好的模擬輪轂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性。為了對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)向能力的測(cè)試，采用的方向盤固定轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)置為在附著系數(shù)為0.85的路面上，汽車保持65km/h的速度穩(wěn)定行駛，在時(shí)間到達(dá)5s的時(shí)候突然給方向盤一個(gè)120deg的轉(zhuǎn)角，仿真時(shí)間是20s，仿真結(jié)果如圖1.14所示:(a)車速(b)質(zhì)心側(cè)偏角(c)橫擺角速度(d)行駛軌跡圖1.14電動(dòng)車模型階躍轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證從圖中可以看出：圖(a)為車速的變化圖，在未進(jìn)行轉(zhuǎn)向的時(shí)候，車速穩(wěn)定在65km/h，在5s時(shí)給定轉(zhuǎn)向角后，車速在0.2km/h的范圍內(nèi)短暫的波動(dòng)，并且很快就恢復(fù)到目標(biāo)車速，符合輪轂電機(jī)汽車的動(dòng)力特性，說明所建模型有較高的可靠性。圖(b)、(c)為質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度的變化圖，可以看出為施加方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)，二者的值均穩(wěn)定在0附近，施加方向盤轉(zhuǎn)角