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汽车爆胎行驶稳定性控制策略仿真之工程硕士论文研究

论文编号:lw201910212147022576 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2019年10月22日 论文作者:www.51lunwen.com

第 1 章   绪论


1.1  研究背景及意义

近年来高速公路越来越成为人们日常交通环境中的重要组成部分。然而众多车主在享受高速公路便利的同时,也不得不面临日益频发的高速交通事故威胁。在交通管理部门统计数据中,目前我国高速公路交通事故中,爆胎事故占据很高的比例的。而且当车速大于130km/时发生爆胎,翻车事故死亡率将近100%[1]。同时,高速公路爆胎事故导致的受伤和死亡人数,分别占高速公路所有事故伤亡人数的63.94%和49.81%,而高速爆胎事故中造成的直接财产损失占到总数的43.38%。

由此看出,爆胎引发的高速公路交通事故危害性大,这使得对爆胎方面的研究尤为必要。引起爆胎的原因有很多,超载,超速,轮胎气压过高或过低,轮胎有内伤和过度磨损等原因都会导致轮胎爆裂。爆胎后,轮胎在极短的时间内(一般少于0.1s)因破裂突然失去空气而瘪掉,胎压几乎为0,其尺寸、径向与切向力学特性均发生变化,这种变化将引起汽车偏航,进而与其它车辆或护栏相撞。如果驾驶员在情急之下的修正操作不当,汽车将出现侧翻或连环碰撞,甚至引发更为恶劣的交通事故。

现阶段为减轻爆胎交通事故的伤害,普遍采取的措施是在汽车轮胎上安装胎压监测系统。美国在2000年国会上通过了TBEAD法案,要求到2007年,所有在美国销售的汽车都必须安装轮胎压力监测系统[3]。 然而在汽车行驶过程中,由于轮胎高转速时的疲劳损坏和热损坏,爆胎事故在所难免。因此为了保障高速公路行车环境的安全,也为了更好的体现车辆的安全性和智能化,杜绝更加危险的事故发生,爆胎后完全有必要对汽车进行安全操控。

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1.2  国内外研究现状分析

为防止或降低车辆爆胎导致的严重后果,世界各国汽车领域专家、学者致力于爆胎现象的研究,具体主要集中在一般性理论、实验和仿真方面。早期对爆胎现象的研究主要通过爆胎实验。在爆胎实验中爆胎车辆动态响应过程可直接观察。但是,爆胎实验有很大的危险性以及容易受到数据测量设备、场地的限制。近年来,随着计算机科技的快速发展,相关领域人员通过仿真技术研究爆胎轮胎及爆胎车辆的特性,包括爆胎轮胎力学特性及变形、爆胎车辆动力学特性变化、轮胎胎压监测系统、车辆稳定性控制系统、爆胎车辆自动控制系统和防偏航系统等。

爆胎对正常行驶车辆轮胎力学具有严重影响,国内相关学者和企业对爆胎轮胎力学特性及爆胎后车辆的动力学响应也进行了深入研究。开展研究的单位主要有吉林大学、湖南大学、同济大学、北京航空航天大学、广西工学院、吉利汽车研究院有限公司和桂林安金汽车安全测控技术有限公司等高校和企业。关注点主要在于爆胎轮胎、爆胎车辆特性变化以及爆胎车辆安全性控制等。

广西工学院张彦会等主要根据爆胎车辆载荷转移研究了爆胎车辆的方向失稳问题。通过魔术公式得出侧偏角与侧向力之间的关系,并建立车辆突然爆胎时的方向失稳动力学模型,分析了爆胎车辆质心位置变化、载荷转移和方向失稳三者之间的联系,同时建立爆胎车辆操纵动力学模型,结果表明轮胎侧向力对爆胎车辆行驶方向及稳定性具有非常大的影响[20、21]。王东东等研究了爆胎轮胎的滚动半径、爆胎车辆质心位置变化、整车载荷再分配问题。重新爆胎模型并借助Simulink进行爆胎仿真,分析了车辆爆胎后横向速度、横摆角的变化情况[22]。

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第 2 章   Unitire 轮胎力学模型


2.1  轮胎模型简介

轮胎模型描述了轮胎六分力与车轮运动参数之间的数学关系,即轮胎在特定工作条件下的输入与输出之间的关系[35],如图2.1所示:

根据车辆动力学研究内容的不同,轮胎模型可分为轮胎纵滑模型、轮胎侧偏模型与侧倾模型、轮胎垂向振动模型、轮胎纵滑侧偏力学模型。此外,轮胎模型还可以分为经验模型和物理模型。前者根据轮胎试验数据,通过插值或函数拟合方法给出预测轮胎特性的公式;后者则是根据轮胎与路面之间的相互作用机理和力学关系建立模型,旨在模拟力或力矩产生的机理和过程。

本文是关于汽车爆胎时轨迹分析和稳定性控制系统设计,以轮胎爆胎时力学特性为基础,分析出其运行轨迹及控制方法,不必要探讨轮胎爆胎时力及力矩产生机理和过程。故以轮胎经验模型为理论基础加以研究。

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2.2 Unitire 轮胎模型

 Unitire轮胎模型,又被称为幂指数统一轮胎模型,是一种半经验模型,由郭孔辉院士提出,用于预测轮胎的稳态特性[36]。在理论分析和试验研究基础上提出的半经验“指数公式”轮胎模型,可用于轮胎的稳态侧偏特性、纵滑及纵滑侧偏联合工况。通过获得有效的滑移率,该模型也可进行非稳态工况下的轮胎纵向力、侧向力及回正力矩的计算。

2.2.1 Unitire 轮胎模型坐标系

研究轮胎首先要建立合理的轮胎模型坐标系。如图2.2所示,本文所采用的轮胎模型运动坐标系为法向坐标上的三维右手正交坐标系。坐标系的原点是轮胎接地印迹中心,X轴定义为轮胎平面与地面的交线,前进方向为正,Y轴是指车轮旋转轴线在地面上的投影线,Z轴与地面垂直,向上为正。

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第 3 章   CarSim 仿真软件中整车动力学建模 ..................................... 16

3.1  车辆相关技术参数 ............................... 16

3.1.1  车辆总体尺寸 .......................... 16

3.1.2  车辆其他参数设置 ............................ 16

第 4 章   汽车爆胎稳定性控制方法 ........................ 33

4.1  工况 1 仿真 .................................... 33

4.2  工况 2 仿真 ..................................... 37

4.3  工况 3 仿真 ..................................... 41

第 5 章   汽车爆胎稳定性控制策略修正与完善 .................................. 47

5.1  工况 4 的仿真 ................................. 47

5.2  工况 5 的仿真 ............................. 51


第 4 章   汽车爆胎稳定性控制方法


4.1  工况 1 仿真

右前轮爆胎,汽车直线行驶,车速80km/h,0.5s驾驶员意识到汽车爆胎松开油门踏板,并进行高强度(10MPa)紧急制动,考虑驾驶员动作时间以及制动器间隙等因素影响,2.4s后产生制动作用,不进行转向盘操作,设仿真时间为10S。图4.1至图4.7为仿真曲线图。

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第 6 章  总结与展望


6.1  全文总结 汽车高速行驶状态下发生爆胎后将向爆胎一侧偏航行驶,此时极易发生碰撞、追尾等交通事故。本文通过CarSim软件对汽车前轮爆胎工况进行仿真,主要得出以下结论:

(1)汽车爆胎后将向爆胎一侧偏航行驶,主要是受到车轮侧向力和由车轮力所产生的横摆力矩综合作用的结果;

(2)汽车爆胎后爆胎车轮和其对角线车轮垂直载荷瞬间显著减小,因此能提供的侧向力和纵向力也显著减小,另外两个车轮垂直载荷增大,转向和制动操作所需要的制动力主要由这两个车轮提供;

(3)汽车爆胎后大角度急打方向盘操作或高强度紧急制动操作会使爆胎车轮的对角线车轮垂直载荷进一步减小,严重时甚至会失去垂直载荷的作用,导致汽车侧翻; 

(4)汽车爆胎后小制动力点刹制动与小角度调整方向盘操作可以保证汽车具有良好的稳定性,但是点刹制动会瞬间改变车轮力的大小和方向,需要驾驶员具有较快的反应能力和良好的心里素质,稍有不慎,汽车将会侧翻;

参考文献(略)