熊艷飛

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商用汽車車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)仿真研究

熊艷飛

（江西應用科技學院智能制造工程學院，江西 南昌 330100）

電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（Electronic Stability Program）是一種新型主動安全系統(tǒng)。采用ADAMS/Car建立商用汽車整車模型，對模型進行仿真分析。在MATLAB/simulink軟件的基礎(chǔ)上，建立汽車二自由度模型，得到理想橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，與實際值進行比較，將偏差值作為輸入，在MATLAB/Simulink平臺上對汽車車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)進行仿真。仿真結(jié)果表明有ESP的汽車其路徑保持能力較好，汽車在操縱上和行駛上的穩(wěn)定性問題，可通過ESP來改善，進而大大降低汽車的安全風險。

商用汽車；ESP；ADAMS/Car；橫擺角速度

1 ESP的結(jié)構(gòu)及工作原理

商用汽車是在設計和技術(shù)特征上是主要用于運送人員和貨物的汽車，并且可以牽引掛車。由于該類車絕大多數(shù)不配置車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)，導致每年事故發(fā)生率很高，因此對ESP控制系統(tǒng)[1]進行自主研究并配置在商用車上極具現(xiàn)實意義，它能最大限度地降低交通事故的發(fā)生。作為車輛的輔助控制系統(tǒng)，能有效控制由路面濕滑而引進的側(cè)滑問題。只要傳感器感應到車輛有側(cè)滑時，系統(tǒng)能自動控制車輪的制動及對發(fā)動機的動力進行控制。針對國產(chǎn)4500SC6443A型商用車開展研究，探討在商用車上配置ESP系統(tǒng)的必要性。

1.1 ESP[2]的結(jié)構(gòu)

汽車的電子控制系統(tǒng)包括電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器。由傳感器采集到的車身狀態(tài)數(shù)據(jù)通過ECU進行計算，得到車身狀態(tài)，比較存儲器預先設定的數(shù)據(jù)。如果ECU得到的數(shù)據(jù)超出預存值，說明車身即將失控或者已經(jīng)失控，需要命令執(zhí)行器進行工作，使得車身行駛狀態(tài)能在駕駛員控制下行駛。ECU發(fā)出的命令信號由執(zhí)行器接收，同時控制信號也由執(zhí)行器來執(zhí)行。

1.2 ESP的工作原理[3]

ESP首先要進行信號采集和信號處理計算，再由ECU判斷，由執(zhí)行器來執(zhí)行。各種傳感器采集汽車的運行狀態(tài)信息，再將采集到的信號傳送給ECU。由ECU來進行計算、分析，以便得到汽車實際行駛狀態(tài)參數(shù)信息，而理想狀態(tài)參數(shù)由汽車二自由度數(shù)學模型來進行計算。ECU會計算實際值與理想值之間的偏差，由行駛穩(wěn)定性判斷標準可以得出汽車的行駛狀況，如果處于非理想狀況，就需要調(diào)節(jié)制動器制動力和控制驅(qū)動輪驅(qū)動力。為了使汽車的制動、轉(zhuǎn)向及驅(qū)動系統(tǒng)能一直處于最理想的狀態(tài)，在執(zhí)行ECU指令的同時，調(diào)節(jié)制動器制動力或驅(qū)動輪驅(qū)動力大小，及時調(diào)整汽車行駛過程中出現(xiàn)的問題，從而提高汽車行駛的安全性。

2 汽車模型建立

2.1 在ADAMS/Car中建立汽車整車模型

利用ADAMS/Car模塊[4-6]建立國產(chǎn)4500SC6443A型商用車的整車模型，首先需要建立各個子系統(tǒng)模型。懸掛系統(tǒng)是車輪與車架之間一切傳力的連接裝置，主要是傳遞車輪與車架之間的力，緩沖由于路面不平給車身帶來的沖擊力。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是改變或保持汽車行駛方向的裝置，按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。制動系統(tǒng)是使路面對汽車車輪施加一定的力，對其進行一定程度的強制制動的裝置，能夠讓運行的車輛在駕駛員的控制下有效地進行減速或停車，能夠讓沒有啟動的車輛穩(wěn)當?shù)赝７旁谌魏温访姝h(huán)境下。發(fā)動機是一個能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，對外輸出動力。該型商用車關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 4500SC6443A型商用車整車模型關(guān)鍵參數(shù)

發(fā)動機總成質(zhì)量320 kg后轎質(zhì)量132 kg 車身總成質(zhì)量1 220 kg車輪質(zhì)量62 kg 前懸掛彈簧剛度系數(shù)16 N/mm后懸掛彈簧剛度系數(shù)38 N/mm 前輪距1 435 mm后輪距1 435 mm 軸距2 800 mm前輪前束0°±7° 前輪外傾角﹣0.6°±3°后輪前束0°±7° 主銷內(nèi)傾角11°±5°主銷后傾角6°±1° 后輪外傾角﹣1°45′±25′

2.2 建立汽車數(shù)學模型

整個車輛作為一個整體，是一個多自由度的系統(tǒng)。二自由度是確定系統(tǒng)狀態(tài)所需的獨立變量個數(shù)為2個，即橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，這兩個關(guān)鍵參數(shù)能有效地反映汽車的穩(wěn)定性。汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的理想值由汽車二自由度數(shù)學模型的運動方程來計算，而汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實際值由ADAMS/Car模塊中建立的整車模型來得到，仿真時將二者的偏差值作為控制系統(tǒng)的輸入。將前輪轉(zhuǎn)角也作為輸入，認為汽車的車廂只作平行于地面的平面運動，認為側(cè)向力與其相應的側(cè)偏角成線性關(guān)系，對汽車的運動方程進行拉普拉斯變換，建立數(shù)學模型。汽車運動狀態(tài)方程為：

將式（1）與式（2）代入到式（3）中并進行拉氏變換可得到傳遞函數(shù)：

式（1）（2）（3）（4）（5）中：為汽車總質(zhì)量；Z為繞軸的轉(zhuǎn)動慣量；為質(zhì)心與前軸的距離；為質(zhì)心與后軸的距離；為橫擺角速度；為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；為軸車速；為軸車速；f為前輪總的側(cè)偏剛度；r為后輪總的側(cè)偏剛度。

由式（4）與式（5）可知，只要提供駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和相應運行速度，就能獲得ESP所需要的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的理想值[7-8]。

3 汽車ESP控制系統(tǒng)分析

汽車行駛過程中存在兩種控制措施，即不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向，如圖1所示。在汽車轉(zhuǎn)向不足時，需要對彎道內(nèi)側(cè)的后輪施加瞬時制動力，由ESP來發(fā)出控制命令，在車輪邊滑邊滾情況下產(chǎn)生相應的滑移率，以及時減小車輪側(cè)向力，增大縱向制動力，通過橫擺力矩方向的一致性來改變汽車轉(zhuǎn)向不足，實現(xiàn)汽車中性轉(zhuǎn)向，使汽車能夠在穩(wěn)定狀態(tài)下行駛。在汽車轉(zhuǎn)向過度時，需對彎道外側(cè)車輪施加瞬時制動力，由ESP來發(fā)出控制命令，減小車輪的側(cè)向力和行駛速度，產(chǎn)生反向橫擺力矩，提高汽車行駛穩(wěn)定性。

圖1 過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向的控制措施

4 仿真結(jié)果分析

圖2為轉(zhuǎn)向盤輸入為階躍輸入。汽車在5檔，速度為80 km/h情況下行駛，地面附著系數(shù)為0.6，角階躍轉(zhuǎn)向作為前輪轉(zhuǎn)角輸入，2 s為轉(zhuǎn)向初始時間，共經(jīng)歷了1 s。通過仿真得到階躍條件下橫擺角速度變化曲線和質(zhì)心側(cè)偏角變化曲線，分別如圖3和圖4所示。當汽車在ESP控制下，其橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的變化曲線比較緩慢，保持了比較理想的軌跡，有效地提高了汽車的行駛穩(wěn)定性。當汽車在沒有ESP控制下，變化趨勢比較明顯，由于過度轉(zhuǎn)向的原因使汽車不能按預期的軌跡行駛，導致后輪出現(xiàn)側(cè)滑或甩尾現(xiàn)象，處于不穩(wěn)定狀況。

圖2 轉(zhuǎn)向盤輸入角變化曲線

圖3 橫擺角速度變化曲線

圖4 質(zhì)心側(cè)偏角

5 結(jié)束語

在汽車行駛穩(wěn)定性問題上，ESP具有舉足輕重的作用，無論汽車在何種狀況下行駛，ESP控制的汽車能有效解決汽車側(cè)滑或者甩尾等不穩(wěn)定問題，在過度轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向狀況下ESP系統(tǒng)的控制效果更加明顯，提高了汽車行駛的安全性，保證了汽車行駛的穩(wěn)定性。由仿真結(jié)果可以分析得到，以角階躍為輸入時，汽車在ESP控制下能使汽車在理想軌跡下行駛，并保證其行駛的穩(wěn)定性，汽車在沒有ESP控制時，當汽車行駛出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況時，不能及時得到改善。

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2095－6835（2019）05－0076－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.076

熊艷飛（1988—），女，湖南人，講師，2014年畢業(yè)于湘潭大學（碩士研究生），主要從事車輛工程方面的研究。

〔編輯：張思楠〕