CarSim 笔记

Carsim软件

●图形化数据库

该图形库包括图形用户界面(SGUI)和图形数据管理系统，是CarSim的主要界面，包括整车模型数据库、控制输入(速度、转向、制动、油门、驾驶员模型、路面信息)数据库、仿真设置(仿真起始时间、距离和仿真频率)数据库。共有150多组数据库连在一起构成CarSim总的数据库，每一个数据库都是通过不同的界面显示，使得软件易于操作使用。

●车辆数学模型及求解器

密歇根大学交通运输研究所(UMTRI)的MichaelSayers博士为汽车及其它多体系统开发了世界上最先进的自动代码生成器。UMTRI用这种自动代码生成器一AutoSim一构建车辆动力学方程，能很快地创建新模型或扩展现有模型，满足实时及优化的需求：同时能通过更新AutoSim产生新的代码，以迅速满足新的接口及操作系统的需求。由AutoSim生成的零误差代码支持高精度的数学模型并具有高效的并行运算效率，可大大减少出错的几率，加强软件运算的可靠性，并提高软件的计算速度。VehicleSim求解器可以迅速求解AutoSim产生的车辆模型运动方程式、计算输出变量、进行频谱分析(spectrumanalyzer)，同时求解器内嵌Simulink接口，结合精确数学车辆模型可实现快速的联合仿真。

●仿真动画显示器(SurfaceAnimator)

通过动画模拟可显示每一时刻车辆的运行状态、车轮受力和车辆在不同环境(输入)下的动态响应。新的动画软件SurfaceAnimator运用OpenGL技术，可表现出阴影路面，提供更快、更逼真的动画模拟效果，且易于输出到其它演示文档。●绘图器(WindowsEngineeringPlotter)

可以选择输出某些特性参数随时间或另一特性参数变化的曲线，能产生超过500组变量的仿真曲线，也可生成来自不同车辆模型数据库的仿真对比曲线，或将数据结果输出至其它的软件，如MATLAB、Excel。

与许多面向结构建模的动力学软件如MSC．ADAMS、Altair．MotionView不同，CarSim具有面向参数建模的特点。因此，建立模型不需要定义各部件具体的结构形式(如悬架布置形式、弹簧长度以及安装角度等)，而只需要定义各部件所体

现性能的相关参数(比如悬架的K&C特性、弹簧的刚度曲线等)。这样使用者就能够剥离结构而直接以各部件性能参数为导向分析车辆性能，这对于指导底盘的开发及改进有重大意义。使用者可以在设计阶段借助CarSim探求各个部件的理想性能，把握大的方向，然后经过层层细化，对各零部件的设计提出具体的要求。

Carsim整车动力学建模方法

CarSim是一款参数化面向总成特性的车辆动力学仿真软件，软件结合了传统的车辆动力学与现代的多体动力学建模方法，用户不需要根据车辆系统的具体结构进行实体建模，但是建模需要大量的试验数据为基础，且数据的准确性直接决定了所建整车模型与实际车辆的匹配程度。这里的实验数据是指反映各部件的性能参数或曲线，例如，在对转向系统进行建模时，需要的不是转向系统的结构数据(例如布置形式、转向节和横拉杆位置等)，而是转向系统的运动学特性、弹性运动学特性、轴转向特性等的特性参数。它们可以通过实际车辆的零部件试验测得，也可以通过ADAMS等软件建立面向结构的动力学模型，然后进行相关部件的仿真试验得到。此建模方法可在一定程度上避免实体建模所带来的误差，使模型特性与实际车辆特性非常接近。

CarSim软件将车辆进行抽象简化为10部分：1个车体部分、4个簧下质量部分、4个旋转车轮部分和1个发动机曲轴部分，如图2．3所示。简化后的模型包括27个自由度：3个簧载质量的移动自由度(x，Y，z)、3个簧载质量的转动自由度(X，Y，Z)、4个非簧载质量自由度、4个车轮旋转自由度、1个传动系旋转自

由度、8个轮胎瞬态特性自由度和4个制动压力自由度。

具体来说CarSim车辆模型包括车体、空气动力学、传动总成、制动系、转

向系、轮胎和悬架等七大子系统的特性

7大系统

2．1车体 sprung mass from whole vehicle

该部分定义了车体尺寸参数和质量及转动惯量信息。具体参数包括车身长宽高、

轴距、轮距、质心高度、四轮负载、簧下质量信息、整车转动惯量等等。

其中质心高度和转动惯量可通过试验测得，常用的试验方法有力矩平衡法、摇摆法和侧倾法三种。

为描述车身在任一时刻的运动状态，必须先定义车辆主坐标系和车体质心坐标系。由于整车的各种载荷都是通过固结与车身的主坐标系定义的，因而主坐标系的位置对于车辆来说必须是确定的。

车辆主坐标系按右手直角坐标系来定义，且与车辆一起运动，车辆坐标系原点位于车辆纵向对称面与前轴左右轮心连线的交点在地面的投影点处，X轴作用于车辆前进方向，向前为正，Z轴作用于铅锤(垂直)方向，向上为正，Y轴由右手螺旋原则确定。

车体质心坐标系原点位于车体质心，x轴作用于汽车前进方向，向前为正，z轴作用于铅锤(垂直)方向，向上为正．Y轴由右手螺旋原则确定。

车身是构成车辆的重要组成部分，也是整车动力学重点研究的对象。针对这一特点，建立6自由度(其中三个用来描述车身质心的位置，另外三个描述车身的姿态)车身动力学模型，可以比较全面地表达瞬时的车身运动状态。

2．2空气动力学 Aerodynamics

2．2．1空气动力学参考点及其描述

汽车在风压中心处只受三个方向的气动力，没有气动力矩，为了便于分析受力和建立动力学方程，往往要把气动力加到质心位置，因而质心处会附加三个气动力矩。而实际上风压中心也难以得到，常常人为规定空气动力学参考点，最后通过

数学及力学原理转换到车辆质心位置。

为描述空气动力学，首先要定义车辆坐标系，如图2.6所示。空气动力学参考点是用于定义空气动力作用的点，即将气流和车辆之间产生的力和力矩在该点描述，其位置通过车辆坐标系来描述。在不同的空气动力学参考点处，获得的汽车空气动力学特性曲线是不同的，如图2．7所示。按照SAE的规定，通常将空气动力学参考点定义为在地面上轮距和参考长度的中间位置。

2.2.2空气对汽车作用的力与力矩

汽车在高速行驶时，空气作用力对其行驶稳定性有很大影响。主要体现空气阻力使轮胎纵向切力发生变化以及空气侧向力、横摆力矩和侧倾力矩直接作用于车身，使汽车受力状态发生变化，影响汽车的稳定性。空气动力学对汽车的六个作用力分量均要考虑，空气动力学参考点处的力和力矩为

式中，Fx一迎风阻力；％∽)一空气阻力系数；Fy一侧向力；％∽)一侧向

力系数；Fz一升力；％够)一升力系数；Mx一侧倾力矩；％∽)一侧倾力矩系

数；My一俯仰力矩；％一俯仰力矩系数；Mz一横摆力矩；％∽)一横摆力

矩系数；beita一空气动力风向角，车辆X轴在车辆平面x—y上的轨迹与车辆上某指定点合成空气运动向量之间的夹角；P一空气密度；A一车辆的前端面积，包括轮胎和车身底部零件的正投影面积；L一车辆轴距，作为空气动力力矩系数基础的特征长度；Vw一车辆相对速度。

如图2．7所示，空气动力风向角和车辆相对速度分别为

式中，V——汽车行驶速度；∞一空气速度；oumiga——空气速度输入角；beita ——汽车行驶方向与纵轴线的夹角。

2.3轮胎 tires

CarSim软件中轮胎模型包括内部轮胎模型和外接轮胎模型以及Pacejka轮胎模型。

建模时，使用软件内置轮胎模型。需要轮胎几何与惯性参数、轮胎力与力矩特性参数和其它参数。

轮胎几何参数，是指轮胎有效滚动半径、自由半径和轮胎宽度；轮胎惯性参数，是指轮胎转动惯量。

轮胎力与力矩特性，是指轮胎纵向力与纵向滑移率关系、侧向力与侧偏角关系、回正力矩与侧偏角关系，还有外倾推力系数与垂直载荷关系。外倾推力系数，是指轮胎侧向力对外倾角的变化率。轮胎力与力矩特性参数，与轮胎垂直载荷有关，不同的垂直载荷需要不同曲线描述。

描述轮胎还需要轮胎垂直力特性、轮胎滚动阻力特性、轮胎动态特性。

轮胎垂直力特性，包括垂直刚度和最大允许垂直力。垂直刚度成线性时，使用一个系数描述，成非线性时，使用垂直力与压缩变形曲线描述。

轮胎滚动阻力特性，使用两个系数描述，分别为与速度无关的滚动阻力系数和与速度有关的滚动阻力速度系数，这两参数用于计算轮胎的滚动阻力矩，即

轮胎动态特性，包括纵向松弛长度、侧向松弛长度以及侧向松弛不起作用的车速。纵向松弛长度，是指轮胎从开始滑动到纵向力达到最大值所对应的轮胎纵向位移的1/3；侧向松弛长度，是指轮胎侧偏产生的侧向力达到最大值时轮胎侧向位移的 1/3。

2.4 转向系 steering system

Carsim车辆模型的转向受两部分特性的影响:一部分是悬架K&C特性，另一部分是转向系特性。总的转向效应由这两部分复合叠加而成，本节介绍单独介绍转向系的影响。

Carsim转向系界面如图2一9所示，主要包括转向系运动学特性(Knematics，简称转向K特性)和弹性运动学特性(Compliance，简称转向C特性)。Carsim模型将转向C特性和K特性分别考虑，然后综合计算对转向轮转角的影响。

Carsim转向系模型如图2一9所示。方框表示转向系运动学特性，包括两部分:第一是方向盘转角与转向器输出的比值 (GearRadio);第二部分是转向器输出与车轮转角的关系曲线。这两部分相乘即为转向系角传动比曲线。

转向运动学特性由转向系角传动比试验测得，可将 GearRadin设为1，而将转向系角传动比的试验结果直接输入运动学的第二部分。

转向弹性运动学特性的含义是左右车轮受转向力矩作用时，由于转向系弹性所引起的车轮转角的变化。

建模时，转向系统采用齿轮齿条式转向器，转向系统的转向原理，如图 2.13 所示。建模过程中，需要转向系统的转向参数、转向特性参数和主销定位参数。

转向系统转向参数，包括转向柱转动惯量、系统转动惯量、转向柱管阻尼、转向器阻尼、转向柱管迟滞力矩、转向柱管滞后角和低速滞后角。

转向柱转动惯量，是指转向盘转动惯量、转向柱管转动惯量、中间转向轴转动惯量和转向输入轴转动惯量之和。

系统转动惯量，是指转向器转动惯量、转向连杆转动惯量之和。

转向柱管迟滞力矩，是指在只转动转向柱管时，向左转与向右转相同角度力矩差值的一半。

转向柱管滞后角，是指当转向方向反向时，转向力矩从一极限值变到另一极限值所需要的角度。

低速滞后角，是指低速转向时，附加转向阻力距的相对滞后角度。

转向系统转向特性，包括转向运动学特性、转向弹性运动学特性和附加转向阻力矩特性。转向运动学特性，是指转向盘转角与车轮地面转角之间关系，包括两部分：第一部分是转向器传动关系；第二部分是转向器输出与车轮地面转角之间关系。

对于齿轮齿条式转向器，转向器传动关系，是指齿轮角度与齿条位移之间的关系，当为常传动比关系时，用一个常数表示，当为变传动比关系时，用一条曲线表示。转向器输出与车轮地面转角关系，是指齿条位移与车轮地面转角的关系曲线。转向弹性运动学特性，是指车轮地面转角与左右主销力矩之和关系曲线。

附加转向阻力矩特性，是指在低速下转动车轮时，由于轮胎与地面间摩擦对主销产生的附加阻力距。

转向系统主销定位参数，包括主销内倾角、后倾角、主销横向偏移距和纵向偏移距。

主销横向偏移距，是指主销中心与车轮中心平面之间的横向距离，当主销中心在车轮中心平面内侧时为正。

主销纵向偏移距，是指主销中心与车轮旋转轴之间的纵向距离，当主销轴在车轮中心前面时为正。如图 2.14 所示。

对转向系统建模还可以进行简化，使用转向特性参数和主销定位参数描述转向系统，经简化后转向系统的输入只能为转向盘转角。简化后转向系统的转向特性参数，所不同的是转向运动学特性，转向运动学特性采用转向器角传动比和转向器输出转角与车轮地面转角关系曲线描述，此外还增加了转向盘力矩关于左右主销力矩之和的关系曲线。

2.5 制动系 braking system

建模时，制动系统的制动力矩产生过程，如图 2.12 所示。建模过程中，需要制动系统的力学特性参数、液体时间延迟参数和 ABS 控制参数。

力学特性参数，包括制动力矩曲线和感载比例阀控制曲线。

制动力矩曲线，是指作用到车轮上的制动力矩关于该车轮轮缸压力的关系曲线。感载比例阀控制曲线，是指传递压力关于垂直载荷和输入比例阀压力的关系曲

线。

液体时间延迟参数，包括液体动态时间常数和液体传递延迟时间常数。

液体动态时间常数，是指有关制动气室内液体动态的时间，即液体在制动气室内推动制动器执行机构起作用的时间。

液体传递延迟时间，是指制动控制信号与轮缸压力起作用之间的时间延迟。

制动系统 ABS 控制参数，包括 ABS 不起作用时的轮胎纵向滑移率、ABS 起作用时的轮胎纵向滑移率和 ABS 失效车速。

ABS 不起作用时的轮胎纵向滑移率，是指当轮胎纵向滑移率大于此值时停止对该轮制动，一般取值在 0.1 到 0.3 之间。

ABS 起作用时的轮胎纵向滑移率，是指当轮胎纵向滑移率减小到此值时恢复对该轮的制动，一般取值也在 0.1 到 0.3 之间，但要比 ABS 不起作用时的轮胎纵向滑移率小。

ABS 失效车速，是指当汽车低于该车速时 ABS 控制失效，允许车轮抱死。

2.6 动力传动系 powertrain system

软件中传动系统模块简化成发动机、离合器、变速器、差速器四个组成部分，如图 2.8 所示。

所建模型离合器使用摩擦式离合器，变速器使用手动机械变速器，差速器使用粘性耦合差速器。建模过程中，需要发动机特性参数、离合器特性参数、变速器特性参数、差速器特性参数。

发动机特性参数，由发动机转速特性曲线、时间延迟常数、转动惯量和怠速转速

描述。

发动机转速特性曲线，是发动机输出扭矩与发动机转速和节气门开度的关系曲线，不同的曲线代表不同的节气门开度。

时间延迟常数，是指节气门开启/关闭一阶时间延迟常数，是反映节气门迟滞特性的参数。

发动机转动惯量，是指发动机曲轴和飞轮的转动惯量。

离合器特性参数，由离合器扭矩容量曲线、时间延迟常数和转动惯量描述。

离合器扭矩容量曲线，是离合器所能传递的最大扭矩关于离合器接合度的关系曲线。在离合器扭矩容量曲线中，使用离合器接合度表征离合器的接合状态。“0”表示离合器完全接合，“1”表示离合器完全分离。

时间延迟常数，是指离合器接合/分离时扭矩反应时间延迟常数，是反映离合器扭矩作用迟滞特性的参数。

离合器主动部分转动惯量，是指离合器压盘转动惯量；离合器从动部分转动惯量，是指从动盘、从动盘毂、变速器第一轴的转动惯量。

变速器特性参数，由总挡位数，每一挡位都由该挡位的传动比、转动惯量以及正/逆效率描述，以及变速器的换挡时间以及升/降挡规律。各挡转动惯量，是指各挡传到差速器上的惯量载荷，包括变速器中间轴、变速器该挡齿轮、变速器第二轴和传动轴的等效转动惯量。

差速器特性参数，由主减速比、正/逆效率、转动惯量、等效扭转刚度、等效扭转阻尼以及差速器力矩特性曲线描述。转动惯量，是指输入轴转动惯量和半轴转动惯量。

当差速器锁止时，模型就简化成扭转弹簧-阻尼系统，该系统的扭转刚度和扭转阻尼即为等效扭转刚度和扭转阻尼。差速器力矩特性曲线，是指差速器左右轮力矩差值与左右轮转速差的关系曲线。

此外，传动系还需要两个整体参数，即固有频率和阻尼比。传动系的固有频率和阻尼比是根据扭转刚度和阻尼计算得出的，由于变速器挡位不同，传动比不同，扭转刚度和扭转阻尼就会随之变化，所以使用保持不变的固有频率和阻尼比作为输入参数。

2.7 悬架 suspension system

2．7．1悬架运动学特性和弹性运动学特性建模

汽车悬架运动学(Kinematics)描述的是车轮在弹簧伸张变形或转向过程中的运动，而弹性运动学(Compliance)则是描述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位参数的变化，两者统称为悬架运动学与弹性运动学特性(Kinematics&Compliance)，简称“K&C”特性。

模型所需要的试验数据主要包括：

(1)反映车轮定位的指标一一车轮前束角。悬架运动过程中，前束角变化会影响乘用车的横向稳定性，因此，它是评价悬架性能的重要指标；

(2)反映悬架纵向和侧向刚度的指标一一轴心纵向位移量和轴心侧向位移量：

(3)反映车身纵倾的指标一一制动时前悬架的点头量、加速时前悬架的上仰量；

(4)反映转向操纵性的指标一一主销后倾角及主销后倾拖距、主销内倾角及主销偏移距对悬架加载力和位移都会引起它们的变化。

2．7．2减振器特性建模

目前在汽车上广泛使用的是双向筒式减振器，活塞运动使流体从孔内穿过，活塞阀对流过的流体节流产生阻尼力，阻尼力的大小随车架和车桥相对速度增减而增减，并且和油液的粘度有关。

Adrian Simms详细论述了的非线性液压减振器的建模，如果根据此理论对减振器进行物理建模会导致减振器模型过于复杂，影响模型的计算效率。

CarSim采用半经验模型，通过插值的形式得到乘用车不同状态下的阻尼力，试验结果证明：激励频率为1Hz时的减振器力一速度特性试验曲线，可以有效仿真各个激振频率下汽车的操稳性和乘适性。

以独立悬架为例：

(l)独立悬架运动学(independent suspension Kinematics)

该部分定义了独立悬架的运动学特性(简称悬架K特性)，具体参数包括:

簧下质量，车轮转动惯量，轮心高度，车轮外倾角初始值，车轮前束角初始值，主销后倾角随轮跳的变化关系曲线，轮心纵向位移随轮跳的变化曲线，车轮外倾角随轮跳的变化曲线，轮心侧向位移随轮跳的变化曲线，车轮前束角随轮跳的变化曲线等等。

车轮在发生跳动时，车轮定位角及轮心位置会随轮跳发生变化，这对汽车的操纵稳定性会产生影响。

车轮定位参数的初始值可由四轮定位仪测得。车轮定位参数及轮心位移随轮跳变化的关系曲线可在K&C试验台上作平行轮跳试验 (VerticalTest:Parallel wheelMovement)测得。

(2)独立悬架弹性运动学 independent suspension compliance

该部分定义了独立悬架的弹性运动学参数(简称悬架C特性)，具体参数包括:悬架弹性特性曲线，减振器速度特性曲线，横向稳定杆的辅助侧倾刚度曲线和悬架弹性运动学系数等。悬架的弹性运动学特性一般呈线性关系，因此，Carsim用弹性运动学特性系数来描述车轮定位参数及轮心位移随车轮受力的变化，具体包括:前束角与纵向力系数 (Toe/Fx)、外倾角与纵向力系数(Calnber/Fx)、轮心纵向位移与纵向力系数(Longitudin沮di叩lacement/Fx:)、前束角与侧向力系数(steer/Fy)、车轮外倾角与侧向力系数(Inclination/Fy)、轮心侧向位移与侧向力系数 (LateraldisPlacement/Fy)、前束角与回正力矩系数(Steer/Mz)、外倾角与回正力矩系数(Inelination/Mz)，共八项。

建模时，悬架分为独立悬架和非独立悬架两种形式。建模过程中，需要车桥几何与惯性参数、悬架运动学参数、悬架弹性运动学参数、弹簧特性参数、减振器特性参数以及其它特性参数。

与独立悬架相匹配的断开式车桥几何参数，由轮距、悬架中心至纵向对称面的距

离和车轮定位角描述；

与非独立悬架相匹配的整体式车桥几何参数，由轮距、车桥质心高度、车桥质心至纵向对称面的距离和车轮定位角描述。其中，车桥质心高度是指车桥质心至地面的距离，车轮定位角包括车轮外倾角和车轮前束角。

车桥惯性参数，包括非簧载质量和左右车轮的转动惯量，整体式车桥还包括车桥侧倾/横摆转动惯量，独立悬架非簧载质量是指左右两侧质量之和。

悬架运动学，是指车轮相对车身位置发生变化所引起的车轮定位参数的变化，包括轮跳运动学和侧倾运动学。独立悬架只考虑轮跳运动学，即车轮跳动引起的车轮定位参数的变化，车轮定位参数，包括车轮外倾角、前束角、俯仰角、轮心纵向位移、轮心侧向位移。非独立悬架包括轮跳运动学和侧倾运动学，轮跳运动学，是指车轮跳动引起的车桥俯仰角、车桥质心纵向位移、车桥质心侧向位移变化；侧倾运动学，是指车体侧倾引起的车桥转角变化和车桥侧倾引起的车桥质心侧向位移变化。

悬架弹性运动学，考虑了悬架部件的弹性，是指车轮接地点处作用力和力矩变化引起的车轮定位参数的变化，包括纵向弹性运动学、侧向弹性运动学、回正弹性运动学。纵向弹性运动学，是指车轮纵向力引起的车轮前束角、外倾角、车轮中心纵向位移的变化规律。侧向弹性运动学，是指车轮侧向力引起的车轮转角、主销内倾角、车轮中心侧向位移的变化规律。回正弹性运动学，是指车轮回正力矩引起的车轮转角、主销内倾角的变化规律。悬架弹性运动学特性，一般使用一个系数即弹性运动学系数表示。

弹簧特性，由弹簧受力变形曲线、弹簧特征挠度、弹簧座调整高度、弹簧压缩比描述，非独立悬架还包括左右弹簧间距。弹簧受力变形曲线，是弹簧力与弹簧变形之间的关系曲线，由于摩擦力的作用，处于加载状态的弹簧力与处于卸载状态的弹簧力不相同。弹簧特征挠度即为β值，当弹簧变形反向时，弹簧力不可能瞬时从压缩状态弹簧力变到回弹状态弹簧力，弹簧力从一个极限值变到另一个极限值需要产生一定的挠度。弹簧模型采用挠度空间时间常数β表示这一特性，弹簧力达到两极限值差值的 95%的变形量为 3β。弹簧座调整高度，是指弹簧上端弹簧座的调整高度，正值是指弹簧座向上调整，拉伸弹簧减小预载荷。弹簧压缩比，是指弹簧的压缩量与轮跳的比值。

减振器特性，由减振器阻尼力曲线和减振器压缩比描述，非独立悬架还包括左右减振器间距。减振器阻尼力曲线，是阻尼力与变形速率之间的关系曲线，压缩变形为正变形速率，拉伸变形为负变形速率。减振器压缩比，是指减振器的压缩量与轮跳的比值。