劉秋影,苗文興
(漢騰汽車(chē)有限公司,江西 上饒 334000)
現(xiàn)代汽車(chē)操縱技術(shù)相對(duì)成熟,在大部分路況條件下都具有良好的穩(wěn)定性表現(xiàn),代表汽車(chē)安全性良好,但根據(jù)長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn),大部分汽車(chē)在面對(duì)轉(zhuǎn)向行駛、變向行駛操縱指令時(shí),其穩(wěn)定性大幅下降,且接近標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明汽車(chē)在這兩種條件下的穩(wěn)定性薄弱,需要得到改善。就這一問(wèn)題,現(xiàn)代學(xué)者提出了一種半主動(dòng)控制策略,理論上可以提高汽車(chē)在轉(zhuǎn)向行駛、變向行駛時(shí)的穩(wěn)定性,本文為了證實(shí)該策略是否有效,展開(kāi)了相關(guān)研究。
現(xiàn)代汽車(chē)的轉(zhuǎn)向或者變速行駛技術(shù)為隨動(dòng)轉(zhuǎn)向,即汽車(chē)在轉(zhuǎn)向、變速行駛當(dāng)中,其后懸架存在側(cè)向力不足的特點(diǎn),在這一條件下,利用前輪轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力使汽車(chē)后軸跟隨前輪動(dòng)力,形成被動(dòng)型的同向四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)即為隨動(dòng)轉(zhuǎn)向。隨動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)在大部分汽車(chē)產(chǎn)品當(dāng)中十分普及,且配合四輪主動(dòng)控制技術(shù),有效提高了汽車(chē)轉(zhuǎn)向、變速時(shí)的機(jī)動(dòng)性與操縱穩(wěn)定性,但四輪主動(dòng)控制技術(shù)必須建立在傳感器、控制器和轉(zhuǎn)向裝置基礎(chǔ)上,介于各裝置的機(jī)械化特點(diǎn),可能會(huì)突然出現(xiàn)故障,代表技術(shù)可靠性不足、汽車(chē)行駛穩(wěn)定性不足的問(wèn)題[1]。
綜上,現(xiàn)代學(xué)者通過(guò)動(dòng)力學(xué)對(duì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車(chē)輛進(jìn)行了分析,認(rèn)為如果隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向剛度、阻尼參數(shù)可以隨著車(chē)速、載重等因素變化而變化,是可以提高汽車(chē)穩(wěn)定性的。因此本文結(jié)合前人研究,著眼于汽車(chē)副車(chē)架、與車(chē)身連接彈性懸置,利用彈性智能元件的縱向變形功能來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)架轉(zhuǎn)向剛度的可調(diào)、并聯(lián)智能阻尼器實(shí)現(xiàn)阻尼可調(diào),由此落實(shí)可提高操縱穩(wěn)定性的半主動(dòng)控制策略[2]。
本文建模工作共分兩個(gè)步驟,即車(chē)輪模型建設(shè)、控制器模型建設(shè),各步驟具體內(nèi)容見(jiàn)下文。
(1)車(chē)輪模型建設(shè)
本文提出的半主動(dòng)控制系統(tǒng)脫胎于原有控制系統(tǒng),兩者的區(qū)別在于:本文控制系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)的減振器-內(nèi)部運(yùn)行構(gòu)件進(jìn)行了改良,使其實(shí)現(xiàn)方案中阻尼可調(diào)目標(biāo)(并聯(lián)智能阻尼器應(yīng)用),通過(guò)并聯(lián)智能阻尼器方式,駕駛者可以隨時(shí)控制汽車(chē)阻尼的大小,在連續(xù)變速的條件下,可以抑制汽車(chē)側(cè)傾幅度。在這一條件下,因?yàn)槠?chē)在變速、變向過(guò)程當(dāng)中,其前后車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受隨動(dòng)轉(zhuǎn)向原理影響幾乎相同,所以只需要建立一個(gè)車(chē)軸模型即可。模型表達(dá)式見(jiàn)公式(1)。
該模型屬于簡(jiǎn)化模型,代表汽車(chē)兩側(cè)車(chē)輪存在相互對(duì)稱(chēng)關(guān)系,在這一條件下,不考慮車(chē)輛遭遇惡劣行駛條件(即路面顛簸等條件下的行駛狀況)進(jìn)行物理量建模,表達(dá)式見(jiàn)公式(2)。
針對(duì)公式(2)進(jìn)行處理,可得車(chē)輛運(yùn)行的狀態(tài)方程,表達(dá)式見(jiàn)公式(3)。
(2)控制器模型建設(shè)
假設(shè)汽車(chē)在行駛過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)了側(cè)傾角,這時(shí)汽車(chē)物理構(gòu)件中的兩側(cè)車(chē)輪彈簧會(huì)出現(xiàn)形變,說(shuō)明側(cè)傾角與彈簧形變情況存在映射關(guān)系,因此在控制器模型建設(shè)當(dāng)中,考慮到側(cè)傾角與彈簧形變關(guān)系,將彈簧形變情況作為側(cè)傾角考量因子,代表汽車(chē)兩側(cè)車(chē)輪的承載能力,同時(shí)介于汽車(chē)兩側(cè)承載能力與汽車(chē)是否側(cè)翻之間的物理關(guān)系,可說(shuō)明汽車(chē)操縱狀態(tài)下的穩(wěn)定性,就這一點(diǎn)采用線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行表示,控制器需要具備連續(xù)控制減振器阻尼的能力,保障彈簧形變量與車(chē)輛速度變化之間的線(xiàn)性關(guān)系。模型中通過(guò)輸入車(chē)輛行駛速度參數(shù),可以直接影響彈簧形變量,將形變量作為輸出量可以判斷汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。
介于不同車(chē)輛的制作工藝差異,不同車(chē)輛在仿真研究當(dāng)中不能一概而論,因此本文將選擇品牌某車(chē)輛的單軸模型作為仿真車(chē)輛條件;該軟件可以用于模擬路況,且兼容汽車(chē)單軸模型;仿真路況條件有三,即直線(xiàn)路況、轉(zhuǎn)向路況、變速路況。
仿真測(cè)試分為兩個(gè)步驟,即非半自動(dòng)控制條件下與半自動(dòng)控制條件下車(chē)輛在不同路況下的參數(shù)測(cè)試,該步驟將兩個(gè)條件下的行駛參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,了解非半自動(dòng)控制對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生的影響;不同路況下車(chē)輛行駛狀態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比。各步驟內(nèi)容見(jiàn)下文。
(1)非半自動(dòng)控制條件下與半自動(dòng)控制條件下車(chē)輛在不同路況下的參數(shù)測(cè)試
采用的是正弦信號(hào)作為輸入信號(hào),可以有效反映出汽車(chē)在轉(zhuǎn)向路況中的運(yùn)動(dòng)狀況,根據(jù)狀況參數(shù)結(jié)合線(xiàn)性關(guān)系原理進(jìn)行分析,可得汽車(chē)側(cè)傾角大小、加速度、速度變化。在這一條件下進(jìn)行了兩組測(cè)試,即非半自動(dòng)控制條件下汽車(chē)在轉(zhuǎn)向路況的行駛;半自動(dòng)控制條件下車(chē)輛在轉(zhuǎn)向路況的行駛。
(2)不同路況下車(chē)輛行駛狀態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比
采用半自動(dòng)控制條件下車(chē)輛的測(cè)試模型,將其分別行駛在直線(xiàn)、轉(zhuǎn)向、變速三個(gè)路況當(dāng)中,仿真過(guò)程當(dāng)中以直線(xiàn)路況參數(shù)為對(duì)照(因直線(xiàn)路況條件下,汽車(chē)狀態(tài)最穩(wěn)定),對(duì)比于轉(zhuǎn)向路況、變速路況條件下的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性,如果對(duì)比結(jié)果顯示汽車(chē)在轉(zhuǎn)向路況、變速路況條件下的操縱穩(wěn)定性與直線(xiàn)路況表現(xiàn)差距過(guò)大,則說(shuō)明半自動(dòng)控制策略較差,相反則有效,差距標(biāo)準(zhǔn)值為0.0005。
測(cè)試結(jié)果一:根據(jù)結(jié)果中車(chē)輛速度變化曲線(xiàn)來(lái)看,兩組曲線(xiàn)中汽車(chē)在相同行駛條件下的最大傾角從0.2885 降低至0.1045,差值61.3%;側(cè)傾角絕對(duì)值從0.0923 降低至0.0342,差值 60.1%;加速度曲線(xiàn)變化從 10.0954rad/s 降低至3.5345rad/s,差值60.8%。綜合來(lái)看,在本文半自動(dòng)控制條件下,車(chē)輛的穩(wěn)定性整體提高了35.7%,由此可見(jiàn)半自動(dòng)控制策略對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性有正面影響,有利于行駛安全性。
綜合測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),測(cè)試組在行駛過(guò)程當(dāng)中,其最大傾角、側(cè)傾角絕對(duì)值、加速度曲線(xiàn)變化的數(shù)值表現(xiàn),比之照組相同的三個(gè)指標(biāo),差距均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值0.0005。由此可見(jiàn),通過(guò)本文半自動(dòng)控制策略,車(chē)輛操縱穩(wěn)定性將大幅度提高,即使面對(duì)轉(zhuǎn)向路況、變速路況,也可以成功抑制車(chē)輛穩(wěn)定性下降幅值。
根據(jù)仿真測(cè)試可見(jiàn),在本文半自動(dòng)控制條件下,汽車(chē)的穩(wěn)定性因子:加速度、速度以及側(cè)傾角大幅度減小,這代表汽車(chē)在大部分行駛狀態(tài)下,都不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的晃動(dòng)、震蕩現(xiàn)象,說(shuō)明汽車(chē)駕駛安全系數(shù)提高,同時(shí)駕駛者可以通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)的減振器進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)一步優(yōu)化控制效果,使減振器的阻尼線(xiàn)性變化更加突出,有效抑制側(cè)翻因子的影響。
本文車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的半主動(dòng)控制策略進(jìn)行了研究,研究首先對(duì)影響穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析,闡述了各因素與穩(wěn)定性之間的影響關(guān)系,并進(jìn)行了建模。其次提出了半自動(dòng)控制方案,并對(duì)方案模型進(jìn)行了建設(shè)。最終在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩組仿真測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),半主動(dòng)控制策略可使車(chē)輛穩(wěn)定性整體提高,且縮小其在轉(zhuǎn)向、變速路況條件下與直線(xiàn)路況的穩(wěn)定性表現(xiàn)差距。