張寶珍, 阿米爾,2, 謝 暉

(1.湖南大學(xué),汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082; 2.滑鐵盧大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,滑鐵盧市 N2L 3G1，加拿大)

2016135

基于主動(dòng)脈沖后輪轉(zhuǎn)向的側(cè)翻穩(wěn)定性仿真與試驗(yàn)*

張寶珍1, 阿米爾1,2, 謝 暉1

(1.湖南大學(xué),汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082; 2.滑鐵盧大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,滑鐵盧市 N2L 3G1，加拿大)

本文中提出了一種新的后輪主動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)向技術(shù)來(lái)提高車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性能，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究。首先，設(shè)計(jì)液壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)，并分析其運(yùn)行對(duì)懸架參數(shù)和后輪轉(zhuǎn)向角度的影響，基于實(shí)驗(yàn)SUV車(chē)輛建立多自由度的車(chē)輛側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，并分析不同脈沖參數(shù)對(duì)車(chē)輛側(cè)翻性能的影響，確定最優(yōu)的脈沖參數(shù)；接著，提出車(chē)輛側(cè)翻動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，并基于CarSim和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真分析；最后，在實(shí)驗(yàn)SUV車(chē)輛上安裝液壓脈沖發(fā)生器，進(jìn)行整車(chē)試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的策略不僅可以降低車(chē)輛側(cè)傾因子和側(cè)傾角，有效改善車(chē)輛的抗側(cè)翻能力，且能減少質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)向加速度，提高車(chē)輛的橫向穩(wěn)定性。

SUV；后輪脈沖主動(dòng)轉(zhuǎn)向；液壓系統(tǒng)；防側(cè)翻控制；整車(chē)試驗(yàn)

前言

隨著SUV需求量的逐年增加和車(chē)速的不斷提高，車(chē)輛側(cè)翻事故在過(guò)去20年已成為一個(gè)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。美國(guó)公路交通安全管理局(NHTSA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2010年美國(guó)共發(fā)生將近541萬(wàn)次車(chē)輛交通事故，其中車(chē)輛側(cè)翻事故次數(shù)雖只占其中的2%，但它導(dǎo)致的死亡人數(shù)卻占交通事故總死亡人數(shù)的20.6%，受傷人數(shù)占4.5%[1]。車(chē)輛的側(cè)翻在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，駕駛員幾乎無(wú)法察覺(jué)到，往往會(huì)引起很?chē)?yán)重的交通事故。特別是現(xiàn)在SUV越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，其側(cè)傾中心高容易引起側(cè)翻的問(wèn)題已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性的分析，提出了改善側(cè)翻穩(wěn)定性的方法。

車(chē)輛主動(dòng)安全技術(shù)防側(cè)翻研究是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)方向，如直接橫擺力矩控制(DYC)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)和集成控制方法等。DYC是利用分配不平衡的制動(dòng)力給各個(gè)車(chē)輪，由此產(chǎn)生額外橫擺力矩來(lái)提高車(chē)輛穩(wěn)定性的方法[2-3]。主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)是一種可以有效影響車(chē)輛橫擺運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制方法，包括主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制、主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向控制和四輪轉(zhuǎn)向控制[4]。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中提出了基于車(chē)輛側(cè)傾角速度和側(cè)傾角動(dòng)態(tài)相平面分析的方法來(lái)進(jìn)行車(chē)輛側(cè)翻傾向的預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[7]中基于車(chē)輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性因子設(shè)計(jì)了車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警算法。文獻(xiàn)[8]中提出了利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向與制動(dòng)技術(shù)配合來(lái)改善汽車(chē)的側(cè)翻穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]中總結(jié)了傳統(tǒng)控制方法的缺點(diǎn)，提出了主動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)向的概念，并運(yùn)用仿真驗(yàn)證了此方法的可行性，文獻(xiàn)[10]在此研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬件在環(huán)(HIL)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證脈沖轉(zhuǎn)向的實(shí)用性。文獻(xiàn)[11]中深入研究了主動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)向?qū)?chē)輛動(dòng)力學(xué)的影響，并申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利。這些研究都把脈沖轉(zhuǎn)向技術(shù)運(yùn)用在前輪轉(zhuǎn)向輪上，分析前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向脈沖控制對(duì)車(chē)輛穩(wěn)定性的影響并進(jìn)行HIL試驗(yàn)，取得了良好的效果。但主動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)向作用于后輪上，用來(lái)提高車(chē)輛的穩(wěn)定性并沒(méi)有做充分的研究。

本文中提出了一種新的主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)，后輪脈沖主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(RWPAS)，來(lái)提高車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性。基于實(shí)驗(yàn)SUV車(chē)輛，設(shè)計(jì)了液壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)，并建立了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，分析了脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)車(chē)輛側(cè)傾參數(shù)和后輪轉(zhuǎn)角的影響；提出側(cè)傾穩(wěn)定指標(biāo)，設(shè)計(jì)了RWPAS側(cè)傾控制策略的結(jié)構(gòu)與算法，并分析了脈沖形式、幅值和頻率對(duì)車(chē)輛側(cè)傾性能的影響并確定其最佳脈沖值；運(yùn)用CarSim和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證RWPAS系統(tǒng)的可行性；基于SUV實(shí)驗(yàn)車(chē)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證RWPAS系統(tǒng)的有效性與適用性。

1 液壓脈沖發(fā)生器與車(chē)輛模型的建立

1.1 液壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與建模

本文中利用液壓系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)向脈沖信號(hào)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在多連桿懸架的連桿上。液壓系統(tǒng)中，液壓油被輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中推動(dòng)后輪進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)向，其油量的大小和運(yùn)動(dòng)方向(脈沖幅值和頻率)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的液壓閥轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向決定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)由控制單元的控制算法決定，如圖1所示。

液壓-機(jī)械脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以看成由液壓傳遞部分和液壓缸執(zhí)行部分組成。通過(guò)適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和液壓缸運(yùn)動(dòng)與液壓閥流量方程，系統(tǒng)的壓力和流量方程可以由下列方程描述：

(1)

式中：kq和xv分別為液壓閥的流量系數(shù)和轉(zhuǎn)速；Ae為液壓活塞缸的有效作用面積；y為執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞的位移；pL為活塞兩端的壓力差；K和C分別為液壓系統(tǒng)的流阻系數(shù)和液體介質(zhì)容量系數(shù)。考慮作用在活塞桿上的轉(zhuǎn)向阻尼c和載荷m，液壓缸機(jī)械執(zhí)行器的作用力可以表達(dá)為

(2)

通過(guò)液壓系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試和參數(shù)識(shí)別，此液壓脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的延遲時(shí)間為0.18s，液壓轉(zhuǎn)向閥轉(zhuǎn)速與活塞位移的增益為0.15r/cm。

1.2 SUV多連桿后懸架ADAMS模型

為了分析液壓脈沖發(fā)生器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)對(duì)懸架參數(shù)的影響，建立了基于實(shí)驗(yàn)SUV車(chē)輛的多連桿后懸架ADAMS模型，其中所測(cè)得的懸架硬點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1，據(jù)此建立的懸架ADAMS模型如圖2所示。

1.3 液壓系統(tǒng)活塞位移對(duì)懸架參數(shù)的影響

運(yùn)用建立的ADAMS后懸架模型，通過(guò)輸入不同連續(xù)的活塞位移進(jìn)行仿真分析，記錄位移的變化對(duì)懸架參數(shù)和后輪轉(zhuǎn)角的影響，如表2所示。

側(cè)傾中心的高度是影響車(chē)輛平順性與操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。由表2可見(jiàn)，活塞位移的變化對(duì)側(cè)傾中心高度和懸架的其他主要參數(shù)的影響很小，故在研究中不考慮其影響，即脈沖發(fā)生器的安裝與運(yùn)行對(duì)車(chē)輛的懸架系統(tǒng)的正常使用功能沒(méi)有明顯的影響。從表2可知，后輪的轉(zhuǎn)角大小與活塞位移近似服從如下線性關(guān)系：

表1 SUV后懸架硬點(diǎn)的測(cè)量參數(shù) mm

活塞位移/mm側(cè)傾高度/cm車(chē)輪外傾角/(°)前束角/(°)主銷(xiāo)后傾角/(°)后輪轉(zhuǎn)角/(°)081.08-0.260.12-11.960481.12-0.320.13-12.191.04681.16-0.380.13-12.521.58881.20-0.460.14-12.822.101081.26-0.570.14-13.022.62

δr=C1·Δx

(3)

式中：C1為常系數(shù)；Δx為活塞的位移。由上述分析可知，可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)后輪脈沖轉(zhuǎn)角的預(yù)想，同時(shí)此系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)影響懸架的正常使用功能。

1.4 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

車(chē)輛行駛狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型是研究車(chē)輛側(cè)傾穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。根據(jù)車(chē)輛坐標(biāo)系，對(duì)SUV車(chē)輛建立了3自由度車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型[12]，車(chē)輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力見(jiàn)圖3，各自由度運(yùn)動(dòng)的微分方程如下。

側(cè)向運(yùn)動(dòng)：

(4)

橫擺運(yùn)動(dòng)：

(5)

側(cè)傾運(yùn)動(dòng)：

(6)

式中:Ixx和Izz分別為車(chē)輛的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ms和m分別為車(chē)輛的簧載質(zhì)量和總質(zhì)量；vx和vy分別為車(chē)輛的縱向和側(cè)向速度；γ和φ分別為車(chē)輛的橫擺角速度和車(chē)輛側(cè)傾角;h為懸掛質(zhì)量中心到側(cè)傾軸線的距離;Mz和Mx分別為繞z軸和x軸的合力矩；Fyi為車(chē)輛外部側(cè)向力。Fyi可由如下方程進(jìn)行求解：

(7)

式中：a和b分別為車(chē)輛質(zhì)心到前軸和后軸的距離;Kφ和Cφ分別為懸架總的側(cè)傾剛度和側(cè)傾阻尼；B為車(chē)輛的輪距；下標(biāo)fl,fr,rl和rr分別表示前左、前右、后左和后右。前后輪產(chǎn)生的側(cè)向力可由下列側(cè)偏剛度函數(shù)表達(dá)：

(8)

前后車(chē)輪側(cè)偏角可以由下面的方程計(jì)算：

(9)

2 脈沖參數(shù)的分析與優(yōu)化

脈沖參數(shù)的信息主要包括脈沖形式、頻率和幅值3個(gè)基本的參數(shù)，其不同的脈沖參數(shù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的側(cè)傾穩(wěn)定性有不同的影響，本節(jié)分析不同的脈沖參數(shù)的影響，并確定脈沖參數(shù)的最優(yōu)值。

2.1 轉(zhuǎn)向脈沖形式分析與選擇

為了設(shè)計(jì)一定形式的脈沖轉(zhuǎn)向信號(hào)，脈沖信號(hào)的表達(dá)形式必須在仿真和試驗(yàn)運(yùn)用過(guò)程中，其幅值和頻率是容易調(diào)節(jié)和控制的，在本文的研究中，脈沖信號(hào)形式選用標(biāo)準(zhǔn)正弦脈沖信號(hào)，如圖4所示，其幅值為2°，頻率為4Hz，其幅值和頻率可以方便地通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)，其脈沖方程表達(dá)式為

(10)

式中：A為脈沖幅值；f為脈沖頻率。

2.2 轉(zhuǎn)向脈沖頻率分析與優(yōu)化

通過(guò)整理式(3)～式(9)，帶有脈沖轉(zhuǎn)向裝置的車(chē)輛操縱模型可以由下面的線性空間狀態(tài)方程表達(dá)：

(11)

其中：

b32=mshvx；b33=Kφ-msgh

通過(guò)對(duì)式(11)進(jìn)行拉氏變換，可得側(cè)傾角對(duì)脈沖發(fā)生器活塞位移的傳遞函數(shù)：

(12)

其中：

運(yùn)用所建立的車(chē)輛模型，選擇正弦脈沖信號(hào)，并固定脈沖幅值為2°，在車(chē)輛階躍轉(zhuǎn)向工況下，仿真分析不同脈沖頻率(1,2,3,4和5Hz)對(duì)車(chē)輛側(cè)傾角的影響,結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可知，不同的頻率對(duì)側(cè)傾角有不同的影響，隨著頻率的提高，其對(duì)側(cè)傾角的影響隨之增大而且變化更加平穩(wěn)，但頻率到達(dá)一定值后，其影響會(huì)隨之減少。最優(yōu)脈沖頻率可以根據(jù)式(12)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析確定，最優(yōu)的脈沖頻率為幅值增益最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的角頻率值，如圖6中的側(cè)傾角頻率響應(yīng)曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，即為脈沖最優(yōu)頻率，運(yùn)用此種方法來(lái)選擇最優(yōu)的脈沖發(fā)生器活塞運(yùn)動(dòng)的頻率，進(jìn)而選擇最優(yōu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，來(lái)提高車(chē)輛的側(cè)傾穩(wěn)定性能。

2.3 轉(zhuǎn)向脈沖幅值分析與優(yōu)化

在車(chē)輛階躍轉(zhuǎn)向工況下，固定正弦脈沖信號(hào)的頻率為4Hz，仿真分析不同脈沖幅值(0.5°，1.0°，1.5°,2.0°,2.5°和3.0°)對(duì)側(cè)傾角的影響，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可知，隨著脈沖幅值的增大，車(chē)輛側(cè)傾角的減少量會(huì)隨之增加，即幅值越大對(duì)側(cè)傾角的影響也就越大，但本文中用驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)向脈沖幅值增大時(shí)，需要更大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)向，即需要更大功率的電機(jī)，所需的轉(zhuǎn)向機(jī)械功率為

(13)

式中：Mz為轉(zhuǎn)向后輪繞Z方向的力矩；δr(t)為轉(zhuǎn)向后輪的脈沖角度?？紤]試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)的安裝空間與尺寸的限制、能耗問(wèn)題和輪胎側(cè)向力的非線性特性，本文中限定脈沖幅值為2°。

3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

3.1 側(cè)傾控制指標(biāo)的選擇

為解決靜態(tài)穩(wěn)定因子在評(píng)估車(chē)輛防側(cè)翻過(guò)程中存在的局限性，需要一個(gè)相對(duì)應(yīng)的車(chē)輛側(cè)翻動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子來(lái)準(zhǔn)確描述車(chē)輛側(cè)翻的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。汽車(chē)的橫向載荷轉(zhuǎn)移率是被多數(shù)研究人員采用的一種描述車(chē)輛發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)程度的指標(biāo)[13]，即側(cè)傾因子R，定義為左、右側(cè)輪胎垂向力之差與其和的比值。在車(chē)輛的受力模型中，F(xiàn)zr，F(xiàn)zl分別代表右側(cè)和左側(cè)輪胎的垂向力。根據(jù)垂向方向上力的平衡和側(cè)翻力矩的平衡，可得

Fzr+Fzl=mg

(14)

msghssinφ=0

(15)

整理式(14)和式(15)可得側(cè)傾因子為

(16)

車(chē)輛直線行駛情況下，輪胎兩側(cè)的載荷大致相等，側(cè)傾因子R=0。當(dāng)車(chē)輛在側(cè)傾安全范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向或變換車(chē)道時(shí)，側(cè)傾因子會(huì)在-1～1之間波動(dòng)，如果超出這個(gè)范圍，意味著左側(cè)或右側(cè)輪胎即將或已經(jīng)脫離地面，車(chē)輛會(huì)發(fā)生側(cè)翻，由于車(chē)輛的側(cè)傾慣性，側(cè)傾因子可能在超過(guò)-0.7～0.7范圍后到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)，故在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，把側(cè)翻安全閾值設(shè)定在-0.7～0.7之間，用側(cè)傾因子來(lái)衡量車(chē)輛的側(cè)傾程度，作為側(cè)傾控制指標(biāo)。

3.2 后輪脈沖轉(zhuǎn)向的理念

本文中主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)后輪脈沖主動(dòng)轉(zhuǎn)向來(lái)達(dá)到提高車(chē)輛側(cè)傾穩(wěn)定性的目的，控制器根據(jù)側(cè)傾因子來(lái)確定是否激活脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)，類(lèi)似于ABS中的制動(dòng)力控制，如圖8所示。

駕駛員控制車(chē)輛的轉(zhuǎn)向角度和車(chē)速，把這兩個(gè)參數(shù)輸入到車(chē)輛模型中，計(jì)算出橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和側(cè)傾角度等參數(shù)，然后計(jì)算出側(cè)傾因子，通過(guò)側(cè)傾因子的大小來(lái)控制脈沖發(fā)生器的啟閉。

3.3 控制器的控制算法

后輪脈沖轉(zhuǎn)向的控制算法如圖9所示，車(chē)速和前輪轉(zhuǎn)向角度輸入到車(chē)輛模型中，并計(jì)算出側(cè)傾因子R，如果R在設(shè)計(jì)的閾值安全范圍之內(nèi)，則控制器輸出“0”，表示脈沖發(fā)生器沒(méi)有被激活；如果R超過(guò)了設(shè)定的閾值，控制器則根據(jù)R的大小來(lái)計(jì)算一個(gè)脈沖周期的幅值和頻率，并激活脈沖發(fā)生器，使后輪產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)向周期，來(lái)控制車(chē)輛的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)；如果R仍然超過(guò)閾值，則產(chǎn)生一系列的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)向周期來(lái)控制后輪進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)向控制，直到R控制在理想的范圍之內(nèi)。值得一提的是，一旦脈沖發(fā)生器啟動(dòng)，至少要產(chǎn)生一個(gè)完整的脈沖信號(hào)周期或一系列的脈沖轉(zhuǎn)向周期，以使后輪停止轉(zhuǎn)向時(shí)能回到初始位置，即轉(zhuǎn)角為零的位置。

4 仿真驗(yàn)證與分析

本文中根據(jù)實(shí)驗(yàn)SUV車(chē)輛的參數(shù)，對(duì)應(yīng)修改Carsim車(chē)輛模型中的參數(shù)，建立車(chē)輛仿真模型并與Simulink中的控制器進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗(yàn)證所提出的控制方法的可行性。圖10為聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)框圖，主要由CarSim動(dòng)力學(xué)車(chē)輛模型、側(cè)傾因子計(jì)算模塊、液壓系統(tǒng)模塊和控制器等組成。車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值總質(zhì)量m1860kg簧載質(zhì)量ms1580kg質(zhì)心至前軸距離a1.25m質(zhì)心至后軸距離b1.39m輪距B1.56m質(zhì)心至側(cè)傾中心距離h0.5m車(chē)輛側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ixx680kg/m2車(chē)輛橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Izz3348kg/m2懸架側(cè)傾角剛度K?47000N·m/rad懸架側(cè)傾角阻尼C?3000N·m·s/rad前輪側(cè)偏角剛度cf59500N/rad后輪側(cè)偏角剛度cr89400N/rad

車(chē)輛緊急轉(zhuǎn)向?qū)е聜?cè)翻的分析過(guò)程中，NHTSA運(yùn)用了5種不同的行駛工況對(duì)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻能力進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)[14],不同的研究人員用不同的工況對(duì)各自的研究問(wèn)題進(jìn)行了軟件仿真或者道路試驗(yàn)，本文中用兩種典型工況對(duì)實(shí)驗(yàn)SUV車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)抗側(cè)傾能力的分析，驗(yàn)證所提出的RWPAS系統(tǒng)的可行性。

4.1 階躍轉(zhuǎn)向工況仿真分析

車(chē)輛轉(zhuǎn)向角從0°快速變化到某個(gè)設(shè)定的值，汽車(chē)從直行進(jìn)入圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)定初始車(chē)速為100km/h,后輪的脈沖信號(hào)幅值和頻率分別為2°和4Hz。其仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖可見(jiàn)：未控車(chē)輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的側(cè)傾因子大于設(shè)定的閾值0.7，而且在1.0s時(shí)刻的側(cè)傾角、側(cè)向加速度和質(zhì)心側(cè)偏角都達(dá)到最大值，車(chē)輛處于不穩(wěn)定狀態(tài)；而添加后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制后，車(chē)輛的側(cè)傾因子和車(chē)輛側(cè)傾角都得到了降低且趨于平穩(wěn)，參數(shù)波動(dòng)變小，車(chē)輛的側(cè)翻危險(xiǎn)得到有效的控制；同時(shí)該系統(tǒng)有效減少了質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度和側(cè)向加速度，汽車(chē)的橫擺特性也得到了有效的改善，提高了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性能。

4.2 雙移線工況仿真分析

雙移線工況描述了車(chē)輛超車(chē)過(guò)程或者遇到障礙物時(shí)的緊急避讓過(guò)程。設(shè)定初始速度為100km/h，后輪的脈沖信號(hào)幅值和頻率分別為2°和4Hz。其仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖可見(jiàn)：在后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制的作用下，車(chē)輛的側(cè)傾因子和車(chē)輛側(cè)傾角能控制在設(shè)定的安全閾值范圍內(nèi)，提高了車(chē)輛的側(cè)傾穩(wěn)定性能，同時(shí)車(chē)輛的橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和車(chē)輛側(cè)向加速度值得到了適當(dāng)?shù)慕档颓移洳▌?dòng)趨于平緩，改善了車(chē)輛的橫擺性能，側(cè)傾穩(wěn)定性和橫擺性能都得到了適當(dāng)?shù)母纳啤?/p>

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

設(shè)計(jì)并安裝了液壓脈沖發(fā)生器系統(tǒng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在多連桿懸架的連桿上，如圖13所示。在該SUV上進(jìn)行實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用了基于天線的GPS-IMU系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的狀態(tài)和路面參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用專(zhuān)門(mén)傳感器和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，可得到車(chē)輛在不同工況下相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，車(chē)輛總體布局如圖14所示。

5.1 階躍輸入轉(zhuǎn)向工況實(shí)驗(yàn)分析

在階躍轉(zhuǎn)向輸入試驗(yàn)中，設(shè)定車(chē)速為45km/h，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為180°，持續(xù)時(shí)間為0.5s，車(chē)輛在第2s到達(dá)設(shè)定速度，在此情況下分別測(cè)量了RWPAS系統(tǒng)在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)下車(chē)輛的側(cè)傾角和側(cè)向加速度，結(jié)果如圖15所示。由圖可見(jiàn)，帶有RWPAS系統(tǒng)車(chē)輛的側(cè)傾角和側(cè)向加速度都有所降低，表明該系統(tǒng)能有效改善SUV車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性能，其整體變化趨勢(shì)與4.1節(jié)中的仿真結(jié)果大體相似，驗(yàn)證了所提出的控制方法的實(shí)用性。

5.2 雙移線輸入轉(zhuǎn)向工況試驗(yàn)

雙移線試驗(yàn)?zāi)芎芎玫仳?yàn)證控制器在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)向反應(yīng)的靈敏度和車(chē)輛避開(kāi)障礙物和路徑跟蹤的能力。車(chē)速設(shè)定為45km/h，具體路況設(shè)置如圖16所示。

試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。由圖可見(jiàn)，車(chē)輛的RWPAS系統(tǒng)有效減少了車(chē)輛側(cè)傾角和側(cè)向加速度，其變化趨于平緩，尤其是在峰值處(車(chē)輛處于側(cè)翻危險(xiǎn)狀態(tài))，RWPAS系統(tǒng)的效果更加明顯。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果大體相同，表明該系統(tǒng)能降低車(chē)輛緊急轉(zhuǎn)彎或者變道時(shí)的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，可以有效提高車(chē)輛的側(cè)傾穩(wěn)定性能。

6 結(jié)論

為提高車(chē)輛的抗側(cè)翻性能，本文中提出了一種新穎的脈沖主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究。

(1) 建立帶有脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車(chē)輛側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型和Adams后懸架模型，分析了液壓脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)懸架參數(shù)及后輪轉(zhuǎn)向角度的影響。

(2) 分析了不同脈沖信息(頻率和振幅)對(duì)車(chē)輛側(cè)傾角度的影響并確定了最優(yōu)的脈沖參數(shù)。

(3) 提出車(chē)輛側(cè)翻動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)，設(shè)計(jì)控制策略結(jié)構(gòu)與算法；運(yùn)用CarSim和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，驗(yàn)證了所提出的RWPAS系統(tǒng)能有效提高車(chē)輛防側(cè)翻的能力和改善車(chē)輛的橫擺特性的能力。

(4) 以SUV實(shí)驗(yàn)車(chē)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)和安裝液壓脈沖發(fā)生器，進(jìn)行整車(chē)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和后輪脈沖轉(zhuǎn)向的實(shí)用性，此方法能提高整車(chē)的抗側(cè)翻穩(wěn)定性能。

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Simulation and Test of Rollover Stability Based onRear Wheel Pulsed Active Steering

Zhang Baozhen1, Amir Khajepour1,2& Xie Hui1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.DepartmentofMechanicalEngineering,UniversityofWaterloo,WaterlooN2L3G1,Canada

To improve the rollover stability performance of vehicle, a novel rear wheel pulsed active steering technique is proposed, simulated and tested in this paper. Firstly, a hydraulic pulse generation system is designed and the effects of its operation on suspension parameters and rear wheel steering angle are analyzed. A multi-DOF vehicle rollover dynamics model is established based on an experimental SUV and the effects of different pulse parameters on the rollover stability performance of vehicle are analyzed, with the optimal pulse parameter determined. Then a vehicle dynamic rollover stability indicator is proposed with its corresponding control strategy devised, and a CarSIM/Simulink co-simulation is conducted. Finally the hydraulic pulse generator designed is installed on experimental SUV to perform vehicle tests. The results of simulation and tests show that the strategy proposed can not only reduce the rollover factor and roll angle of vehicle, effectively improving the rollover resistance of vehicle, but also lower the sideslip angle and lateral acceleration of mass center, enhancing the lateral stability of vehicle.

SUV; rear wheel pulsed active steering; hydraulic system; anti-rollover control; vehicle test

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111802)資助。

原稿收到日期為2015年11月20日，修改稿收到日期為2016年1月15日。