王春林，張培明，馬樂群

（1. 青島理工大學(xué)，山東 青島 266520；2. 濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700）

1 引言

四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（Four Wheel Steering，4WS）是主動(dòng)底盤控制技術(shù)的重要組成部分，其模型一般采用的是簡(jiǎn)化的線性二自由度車輛模型，沒有考慮車輛中高速轉(zhuǎn)向時(shí)車輪垂直載荷轉(zhuǎn)移和輪胎的非線性問(wèn)題［1］。為使車輛模型更加逼近真實(shí)車輛，本文考慮懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及輪胎、襯套等部件的非線性，運(yùn)用ADAMS/Car建立4WS車輛的虛擬樣機(jī)模型，采用后輪轉(zhuǎn)角比例于前輪的控制策略對(duì)其操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析。

2 建立4WS車輛虛擬樣機(jī)模型

2.1 建模假設(shè)

建模時(shí)做如下假設(shè)：①車身簡(jiǎn)化為一個(gè)具有集中質(zhì)量的剛體，并將質(zhì)量集中于重心處，重心位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不變；②輪胎、彈簧、阻尼、襯套等由特性文件描述其力學(xué)特性，其它零部件均看做剛體。

2.2 整車建模

在共享數(shù)據(jù)庫(kù)整車模型 MDI－Demo－Vehicle－It的基礎(chǔ)上，通過(guò)改造轉(zhuǎn)向模板和車身模板來(lái)創(chuàng)建四輪轉(zhuǎn)向汽車整車模型。其模板是在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系示范模板的基礎(chǔ)上增加一個(gè)齒條式后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)而建立的。

齒套 rear－rack－h(huán)ousing與車身固定連接，為了保證轉(zhuǎn)向系模板能與車身模板正確裝配，必須使用Mount part來(lái)保證正確的位置。所建模型車輛的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

表1 車輛參數(shù)

2.3 后輪轉(zhuǎn)角控制的實(shí)現(xiàn)

后輪轉(zhuǎn)角控制的實(shí)現(xiàn)就是確定后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，也就是建立后輪轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。后輪轉(zhuǎn)角比例于前輪的控制方式可以實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向車輛低速“反相轉(zhuǎn)向”，高速“同相轉(zhuǎn)向”功能，它通過(guò)前后輪轉(zhuǎn)角成比例（δ2＝Kδ1）的實(shí)時(shí)控制，使汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)偏角β為零，從而使汽車具備良好的方向性。其中比例系數(shù)K是通過(guò)令4WS汽車2DOF模型的運(yùn)動(dòng)微分方程中的質(zhì)心側(cè)偏角為零計(jì)算得出，具體計(jì)算公式如下：

式中參數(shù)k1，k2，u均可從表1查出。模型中k1＝－152 843.442 6 N/rad，k2＝－164 538.707 8 N/rad。這樣，知道仿真車速的情況下，比例系數(shù)K可以通過(guò)計(jì)算求出。

要通過(guò)公式（1）計(jì)算后輪轉(zhuǎn)角δ2，還需要知道前輪轉(zhuǎn)角δ1，而前輪轉(zhuǎn)角δ1可以通過(guò)方向盤轉(zhuǎn)角除以轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比得到。將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與前懸架系統(tǒng)裝配成懸架總成，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)向仿真分析。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器默認(rèn)的轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比大約為25。根據(jù)轎車的轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比一般為12～20，本文將其設(shè)置為15，即在前輪轉(zhuǎn)角為5°時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角必須為75°。

通過(guò)公式（1）計(jì)算后輪轉(zhuǎn)角δ2。確定后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：2.5*K*（VARVAL（.steeringwheel_angle））/15。其中，系數(shù) 2.5是后輪轉(zhuǎn)角與移動(dòng)位移的轉(zhuǎn)化系數(shù)，K值由公式（1）確定，15為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比。

3 4WS虛擬樣機(jī)模型仿真分析

對(duì)建立的4WS整車模型進(jìn)行前輪角階躍輸入仿真，階躍信號(hào)以0 s為起躍時(shí)間，持續(xù)時(shí)間為0.5 s，仿真時(shí)間為10 s，分別取幅值為5°，仿真車速20 km/h和幅值為2°，仿真車速100 km/h，并把仿真結(jié)果與同參數(shù)的前輪轉(zhuǎn)向2WS整車模型MDI_Demo_Vehicle_lt相比。質(zhì)心側(cè)偏角和橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)分別如圖1～4所示。

圖1 20 Km/h質(zhì)心側(cè)偏角瞬態(tài)響應(yīng)曲線

圖2 100 Km/h質(zhì)心側(cè)偏角瞬態(tài)響應(yīng)曲線

圖3 20 Km/h橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)曲線

圖4 100 Km/h橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)曲線

從以上曲線可以看出：①對(duì)比圖1和圖2，兩輪轉(zhuǎn)向汽車2WS車速越高，其質(zhì)心側(cè)偏角達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間越長(zhǎng)。4WS汽車的質(zhì)心側(cè)偏角有明顯減少，穩(wěn)態(tài)值更接近于零。4WS汽車能更好的控制汽車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，提高汽車行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性。②低速時(shí)4WS的橫擺角速度增益大于2WS，表明轉(zhuǎn)過(guò)同樣彎道時(shí)4WS汽車更加容易，即4WS能較大地減小最小轉(zhuǎn)彎半徑，提高了汽車的機(jī)動(dòng)性。高速行駛時(shí)，四輪轉(zhuǎn)向車輛橫擺角速度超調(diào)量要小于兩輪轉(zhuǎn)向車輛，有助于汽車更加平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出4WS汽車的優(yōu)點(diǎn)是減少了汽車轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的質(zhì)心側(cè)偏角，同時(shí)低速時(shí)4WS的橫擺角速度增益大于2WS，能較大地減小最小轉(zhuǎn)彎半徑，提高了汽車的機(jī)動(dòng)性；高速時(shí)，階躍響應(yīng)超調(diào)量較小，使轉(zhuǎn)向更平穩(wěn)。但后輪轉(zhuǎn)角比例于前輪的控制策略也存在缺陷。高速時(shí)4WS汽車橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益減小，這導(dǎo)致高速行駛時(shí)駕駛員的疲勞程度增加，增大了駕駛的難度。

［1］周紅妮，陶健民.車輛穩(wěn)定性控制策略研究［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）.