張寶珍, 阿米爾,2, 謝 暉

(1.湖南大學(xué),汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 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),汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 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)來提高車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性能，并對其進(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)行對懸架參數(shù)和后輪轉(zhuǎn)向角度的影響，基于實(shí)驗(yàn)SUV車輛建立多自由度的車輛側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，并分析不同脈沖參數(shù)對車輛側(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車輛上安裝液壓脈沖發(fā)生器，進(jìn)行整車試驗(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輛側(cè)傾因子和側(cè)傾角，有效改善車輛的抗側(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；整車試驗(yàn)

前言

隨著SUV需求量的逐年增加和車速的不斷提高，車輛側(cè)翻事故在過去20年已成為一個(gè)嚴(yán)重的安全問題。美國公路交通安全管理局(NHTSA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2010年美國共發(fā)生將近541萬次車輛交通事故，其中車輛側(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]。車輛的側(cè)翻在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，駕駛員幾乎無法察覺到，往往會(huì)引起很嚴(yán)重的交通事故。特別是現(xiàn)在SUV越來越受到人們的喜愛，其側(cè)傾中心高容易引起側(cè)翻的問題已受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并進(jìn)行了大量車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的分析，提出了改善側(cè)翻穩(wěn)定性的方法。

車輛主動(dòng)安全技術(shù)防側(cè)翻研究是國內(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)車輪，由此產(chǎn)生額外橫擺力矩來提高車輛穩(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進(jìn)行車輛側(cè)翻傾向的預(yù)測。文獻(xiàn)[7]中基于車輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性因子設(shè)計(jì)了車輛側(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)配合來改善汽車的側(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)囕v動(dòng)力學(xué)的影響，并申請了相關(guān)專利。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)向脈沖控制對車輛穩(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，用來提高車輛的穩(wěn)定性并沒有做充分的研究。

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)，來提高車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性?；趯?shí)驗(yàn)SUV車輛，設(shè)計(jì)了液壓脈沖發(fā)生系統(tǒng)，并建立了車輛動(dòng)力學(xué)模型，分析了脈沖轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)行對車輛側(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、幅值和頻率對車輛側(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)來產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)向脈沖信號，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)?？紤]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)

通過液壓系統(tǒng)試驗(yàn)測試和參數(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)對懸架參數(shù)的影響，建立了基于實(shí)驗(yàn)SUV車輛的多連桿后懸架ADAMS模型，其中所測得的懸架硬點(diǎn)參數(shù)見表1，據(jù)此建立的懸架ADAMS模型如圖2所示。

1.3 液壓系統(tǒng)活塞位移對懸架參數(shù)的影響

運(yùn)用建立的ADAMS后懸架模型，通過輸入不同連續(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輛平順性與操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。由表2可見，活塞位移的變化對側(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)行對車輛的懸架系統(tǒng)的正常使用功能沒有明顯的影響。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)的測量參數(shù) mm

活塞位移/mm側(cè)傾高度/cm車輪外傾角/(°)前束角/(°)主銷后傾角/(°)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 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛行駛狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型是研究車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。根據(jù)車輛坐標(biāo)系，對SUV車輛建立了3自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型[12]，車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和受力見圖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分別為車輛的簧載質(zhì)量和總質(zhì)量；vx和vy分別為車輛的縱向和側(cè)向速度；γ和φ分別為車輛的橫擺角速度和車輛側(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，脈沖信號的表達(dá)形式必須在仿真和試驗(yàn)運(yùn)用過程中，其幅值和頻率是容易調(diào)節(jié)和控制的，在本文的研究中，脈沖信號形式選用標(biāo)準(zhǔn)正弦脈沖信號，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控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向來實(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

通過整理式(3)～式(9)，帶有脈沖轉(zhuǎn)向裝置的車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

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

(12)

其中：

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

從圖5中可知，不同的頻率對側(cè)傾角有不同的影響，隨著頻率的提高，其對側(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)對應(yīng)的頻率，即為脈沖最優(yōu)頻率，運(yùn)用此種方法來選擇最優(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，來提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性能。

2.3 轉(zhuǎn)向脈沖幅值分析與優(yōu)化

在車輛階躍轉(zhuǎn)向工況下，固定正弦脈沖信號的頻率為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，車輛側(cè)傾角的減少量會(huì)隨之增加，即幅值越大對側(cè)傾角的影響也就越大，但本文中用驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，當(dāng)轉(zhuǎn)向脈沖幅值增大時(shí)，需要更大的驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)車輪轉(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。考慮試驗(yàn)過程中電機(jī)的安裝空間與尺寸的限制、能耗問題和輪胎側(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)定因子在評估車輛防側(cè)翻過程中存在的局限性，需要一個(gè)相對應(yīng)的車輛側(cè)翻動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子來準(zhǔn)確描述車輛側(cè)翻的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。汽車的橫向載荷轉(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)車輛在側(cè)傾安全范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向或變換車道時(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，車輛會(huì)發(fā)生側(cè)翻，由于車輛的側(cè)傾慣性，側(cè)傾因子可能在超過-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)傾因子來衡量車輛的側(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)通過后輪脈沖主動(dòng)轉(zhuǎn)向來達(dá)到提高車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的目的，控制器根據(jù)側(cè)傾因子來確定是否激活脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖控制信號，類似于ABS中的制動(dòng)力控制，如圖8所示。

駕駛員控制車輛的轉(zhuǎn)向角度和車速，把這兩個(gè)參數(shù)輸入到車輛模型中，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，通過側(cè)傾因子的大小來控制脈沖發(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，車速和前輪轉(zhuǎn)向角度輸入到車輛模型中，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)生器沒有被激活；如果R超過了設(shè)定的閾值，控制器則根據(jù)R的大小來計(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)脈沖信號轉(zhuǎn)向周期，來控制車輛的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)；如果R仍然超過閾值，則產(chǎn)生一系列的脈沖信號轉(zhuǎn)向周期來控制后輪進(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車輛的參數(shù)，對應(yīng)修改Carsim車輛模型中的參數(shù)，建立車輛仿真模型并與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車輛側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ixx680kg/m2車輛橫擺轉(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

車輛緊急轉(zhuǎn)向?qū)е聜?cè)翻的分析過程中，NHTSA運(yùn)用了5種不同的行駛工況對車輛的動(dòng)態(tài)抗側(cè)翻能力進(jìn)行了分析與評價(jià)[14],不同的研究人員用不同的工況對各自的研究問題進(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實(shí)驗(yàn)SUV車輛進(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

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

由圖可見：未控車輛在轉(zhuǎn)向過程中的側(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，車輛處于不穩(wěn)定狀態(tài)；而添加后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制后，車輛的側(cè)傾因子和車輛側(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，汽車的橫擺特性也得到了有效的改善，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性能。

4.2 雙移線工況仿真分析

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

由圖可見：在后輪脈沖轉(zhuǎn)向控制的作用下，車輛的側(cè)傾因子和車輛側(cè)傾角能控制在設(shè)定的安全閾值范圍內(nèi)，提高了車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性能，同時(shí)車輛的橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角和車輛側(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)車道路試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用了基于天線的GPS-IMU系統(tǒng)對車輛的狀態(tài)和路面參數(shù)進(jìn)行測量，同時(shí)利用專門傳感器和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，可得到車輛在不同工況下相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，車輛總體布局如圖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)定車速為45km/h，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為180°，持續(xù)時(shí)間為0.5s，車輛在第2s到達(dá)設(shè)定速度，在此情況下分別測量了RWPAS系統(tǒng)在開啟和關(guān)閉狀態(tài)下車輛的側(cè)傾角和側(cè)向加速度，結(jié)果如圖15所示。由圖可見，帶有RWPAS系統(tǒng)車輛的側(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車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性能，其整體變化趨勢與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)的靈敏度和車輛避開障礙物和路徑跟蹤的能力。車速設(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，車輛的RWPAS系統(tǒng)有效減少了車輛側(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)，可以有效提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性能。

6 結(jié)論

為提高車輛的抗側(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)對車輛側(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)能有效提高車輛防側(cè)翻的能力和改善車輛的橫擺特性的能力。

(4) 以SUV實(shí)驗(yàn)車為研究對象，設(shè)計(jì)和安裝液壓脈沖發(fā)生器，進(jìn)行整車試驗(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，此方法能提高整車的抗側(cè)翻穩(wěn)定性能。

[1] National Highway Traffic Safety Administration. Traffic safety facts 2010: A compilation of motor vehicle crash data from the fatality analysis reporting system and the general estimates system[S]. Washington, DC, USA: Department of Transportation,2012.

[2] 劉翔宇.基于直接橫擺力矩控制的車輛穩(wěn)定性研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010.

[3] 許中明,于海興,賀巖松,等.SUV車輛差動(dòng)制動(dòng)仿側(cè)翻控制研究[J].汽車工程,2014,36(5):566-572.

[4] 馬雷,貢士嬌,李斌,等.四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向控制方法[J].汽車工程,2015,37(9):1029-1035.

[5] YOON Jangyeol, YI Kyongsu. A rollover mitigation control scheme based on rollover index[C]. Proceedings of the 2006 American Control Conference, USA,2006.

[6] YOON Jangyeol, CHO Wanki. Unified chassis control for rollover prevention and lateral stability[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(2):596-609.

[7] 金智林,張鴻生,馬翠貞.基于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的汽車側(cè)翻預(yù)警[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(14):128-133.

[8] 徐延海.基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的汽車防側(cè)翻控制的研究[J].汽車工程,2005,27(5):518-521.

[9] KUO C C. Sports utility vehicle rollover control with pulsed active steering control strategy[D]. Waterloo: University of Waterloo,2005.

[10] ABDEL-RAHMAN A. Pulsed active steering HIL experiment[D]. Waterloo: University of Waterloo,2009.

[11] KHAJEPOUR A, KUO C C, MCHPHEE J J. Vehicle dynamics control using pulsed active steering strategy: US 8762004[P]. B2,2014.

[12] 喻凡,林逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[13] 徐中明,于海興,賀巖松,等.SUV車輛差動(dòng)制動(dòng)防側(cè)翻控制研究[J].汽車工程,2014,36(5):566-572.

[14] FARMER C M, LUND A K. Rollover risk of cars and light trucks after accounting for driver and environmental factors[J]. Accident Analysis and Prevention,2002,34:163-173.

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。