基于Newton—Euler方法的整车非线性动力学模型耦合机理分析

潘劲松

摘 要 针对传统的整车动力学模型未能完全反映汽车纵向运动、侧向运动与垂向运动间的相互关联影响，采用Newton-Euler方法，建立一个14-DOF整车非线性耦合动力学模型，并利用Matlab/simulink仿真平台对模型的正确性进行验证，研究结果表明，14-DOF整车非线性耦合动力学模型能较好地反映汽车底盘在制动、转向和悬架等子系统之间相互影响关系.

关键词 非线性；耦合；动力学；仿真；Newton-Euler方法

中图分类号 U462.3；O29 文献标识码 A 文章编号 1000-2537（2014）06-0047-06

Abstract To overcome the ineffectiveness of the traditional vehicle dynamical model in reflecting the interaction between the vehicle longitudinal movement， lateral movement and vertical movement， a 14-DOF vehicle nonlinear coupling dynamical model was established by using the Newton-Euler method， whose validity was verified by using Matlab/simulink simulation platform. The results show that the establishment of the 14-DOF vehicle nonlinear coupling dynamical model better reflects the interaltion between the chassis braking， steering and suspension subsystems.

Key words nonlinear； dynamics； coupling； simulation； Newton-Euler method

随着汽车技术的发展，人们对汽车性能的要求越来越高，汽车悬架、转向、制动系统的各种动力学模型[1-3]及子系统控制技术[4-6]的研究取得长足的进展.为改善汽车动力性能，改善各个单独子系统之间的相互影响，本文采用Newton-Euler方法，建立了一个14-DOF整车非线性耦合动力学模型.14-DOF整车非线性耦合动力学模型相对于其他模型具有较完备和仿真精确度较高的特点，还具有明显的物理概念和良好的开放性，层次清楚，且可以与随后的集成控制系统的各种模型相结合，能较全面分析底盘的制动、转向和悬架等子系统间的藕合机理、悬挂质量和非悬挂质量的非线性耦合运动关系及子系统间的耦合影响.

1 整车模型的建立

为便于推导，建立的14-DOF整车系统数学模型如图1所示，包含两部分：悬挂质量部分和非悬挂质量部分.定义两个笛卡尔坐标系：①整车车坐标系（xc，yc，zc），汽车质心位置为坐标原点，平面xcyc平行地面，轴zc垂直于平面xcyc，整车左右两侧对称；②悬挂质量坐标系（xs，ys，zs），悬挂质量中心为坐标原点.

整车行驶平顺性主要受到悬架本身的结构参数和汽车在行驶过程中制动与转向等因素影响，而悬架系统的主要性能参数包括车身质心的垂直加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷以及车身俯仰角和侧倾角等指标.为此，根据QC/T582-1999和GB/T6323.2-94进行了整车行驶平顺性在2种工况下的仿真.

1） 汽车初始速度为70 km/h时，在最大管路压力下进行紧急制动，分别得到制动情况下轮胎的垂直载荷变化曲线（图3）、车身俯仰角变化曲线（图4）和汽车质心垂向加速度变化曲线（图5）.

图3中，汽车制动时轮胎的垂直载荷变化曲线表明前轮垂直载荷增加、后轮垂直载荷减小.图4中，汽车俯仰角曲线变化表明在制动过程中车身的俯仰角增大，说明汽车在紧急制动情况下，制动加速度导致前、后轴的载荷转移和车身姿态发生了较大变化.图5中，车身质心垂向加速度曲线变化表明，紧急制动情况下使得汽车质心垂向加速增加.这表明紧急制动会极大地影响汽车的行驶平顺性.

图6中，由汽车的制动距离变化曲线可见，考虑纵向与垂向运动耦合影响因素的比没有考虑纵向与垂向运动耦合的动力学模型，汽车在制动距离有所减小，原因是汽车制动时由汽车悬架减振器消减了汽车的振动，表现为把汽车的部分动能转化成了热能.

2） 汽车初始速度为50 km/h时，设仿真时间5 s，对方向盘施加一个三角脉冲转角进行转向，分别得到转向情况下轮胎的垂直载荷变化曲线（图7）、汽车侧向加速度变化曲线（图8）和车身侧倾角变化曲线（图9）.

图7中，汽车转向时车轮的垂直载荷发生了侧向转移，虽然纵向力的总和基本没变，但转向内侧轮胎垂直载荷减小，同时转向外侧垂直载荷增加.由于作用于轮胎的纵向力与侧向力彼此耦合，作用于轮胎的侧向力增加的同时导致其纵向力减小，转向制动情况比单纯制动情况的制动距离有所增加.图8中，转向过程中轮胎转向角峰值增加时，汽车的车身侧倾角也在变大，导致车身姿态发生变化.图9中，转向角增加时，汽车侧向的加速度也在变大，有时候会导致轮胎发生侧滑.这都表明汽车行驶平顺性在不断恶化，影响了汽车的行驶安全性.

3 结论

基于Newton-Euler方法建立的14-DOF整车非线性耦合动力学模型能较好地反映纵向、侧向和垂向运动相互的影响，通过在Matlab/simulink平台对模型进行仿真验证，结果表明，建立的动力学模型能较好地反映底盘的制动、转向和悬架等子系统之间的相互影响关系.

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（编辑 陈笑梅）