四輪轉(zhuǎn)向車輛操縱穩(wěn)定性仿真分析

劉澤明，黃妙華，周亞鵬

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

四輪轉(zhuǎn)向車輛操縱穩(wěn)定性仿真分析

劉澤明，黃妙華，周亞鵬

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

采用線性二自由度汽車模型，建立汽車四輪轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)微分方程式，從而對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向特性的進(jìn)一步研究。在建立四輪轉(zhuǎn)向汽車操縱動(dòng)力學(xué)的模型基礎(chǔ)上，借助MATLAB/Simulink模塊對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，并將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向汽車作對(duì)比。仿真結(jié)果表明：四輪轉(zhuǎn)向汽車在高速行駛時(shí)具有更好的操縱穩(wěn)定性。

四輪轉(zhuǎn)向；操縱穩(wěn)定性；質(zhì)心側(cè)偏角；橫擺角速度；側(cè)向加速度

四輪轉(zhuǎn)向（4WS）作為汽車主動(dòng)安全的主要技術(shù)，其基本原理是利用車輛行駛中的信息控制后輪的轉(zhuǎn)角輸入以提高車輛的操縱穩(wěn)定性。具備四輪轉(zhuǎn)向能力的汽車在低速行駛時(shí)，能夠提高車輛靈活性；在中、高速時(shí)，車輛的操縱穩(wěn)定性會(huì)加強(qiáng)。本文將對(duì)傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向汽車、前后輪轉(zhuǎn)角比為定值、后輪轉(zhuǎn)角僅有橫擺角速度控制、后輪轉(zhuǎn)角由前輪轉(zhuǎn)角和橫擺角速度共同控制的四輪轉(zhuǎn)向汽車四種車型進(jìn)行分析。

1 4WS動(dòng)力學(xué)模型建立

1.1 模型簡(jiǎn)化

為了便于掌握操縱穩(wěn)定性的基本特性，我們采用線性二自由度汽車模型進(jìn)行分析，如圖1所示。假設(shè)車廂只做平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側(cè)傾角均為零。

1.2 受力分析

圖1 二自由度4WS汽車模型

根據(jù)數(shù)學(xué)運(yùn)算關(guān)系可以得到：

如果采用的是前后輪轉(zhuǎn)角成比例的控制方法。此時(shí)因?yàn)闄M擺角速度r為定值，則v'=0，r'=0可以得出：

2 MATLAB/Simulink下的仿真研究

2.1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模

Simulink是一個(gè)控制系統(tǒng)建模與仿真的實(shí)用工具。本文主要分析中高速行駛時(shí)四輪轉(zhuǎn)向和前輪轉(zhuǎn)向?qū)囕v操縱穩(wěn)定性的影響。橫擺角速度、側(cè)向加速度和質(zhì)心側(cè)偏角是影響車輛側(cè)向穩(wěn)定性的主要因素。

在MATLAB/Simulink中建立四輪轉(zhuǎn)向模型。如圖2所示：

圖2 前輪轉(zhuǎn)角控制的四輪轉(zhuǎn)向模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

如圖3、4所示，運(yùn)行建立的四輪轉(zhuǎn)向模型，得到仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。采用Plot命令將結(jié)果繪制成圖，如圖5、6、7所示。

圖3 橫擺角速度控制的四輪轉(zhuǎn)向模型

圖4 前輪轉(zhuǎn)角和橫擺角速度共同控制的模型

通過(guò)仿真結(jié)果比較可知：由前輪轉(zhuǎn)角控制后輪轉(zhuǎn)角的四輪轉(zhuǎn)向車輛使得車輛的質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度的最大值顯著降低，同時(shí)調(diào)整時(shí)間也有所縮短。四輪轉(zhuǎn)向汽車提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。

圖5 汽車側(cè)向加速度

圖6 汽車橫擺角速度

3 結(jié)論與展望

根據(jù)以上仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）四輪轉(zhuǎn)向車輛的質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角速度和側(cè)向加速度的最大值顯著降低，同時(shí)調(diào)整時(shí)間也有所縮短，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)條件下轉(zhuǎn)向過(guò)程中的零側(cè)偏角，這有助于轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性。

圖7 汽車質(zhì)心側(cè)偏角

（2）在四輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選取K和值。

（3）未來(lái)的四輪轉(zhuǎn)向控制，應(yīng)能降低車輛的質(zhì)心側(cè)偏角以提高操縱穩(wěn)定性，又能保持車輛的橫擺角速度基本不變以保證駕駛員的轉(zhuǎn)向感覺(jué)。四輪轉(zhuǎn)向具有良好的發(fā)展前景。

[1]王紀(jì)瑞，左曙光.四輪轉(zhuǎn)向汽車后輪轉(zhuǎn)角控制因子控制效果研究[N].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào).2010，28（3）：2.

[2]萬(wàn)百五，韓崇昭.控制論—概念、方法與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.

[3]黃忠霏.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Study on the Simulation of Four-wheel-steering Vehicles’Control Stability

LIU Ze-ming,HUANG Miao-hua,ZHOU Ya-peng
(Automotive Engineering,Wuhan University of Technology School,Wuhan,Hubei 430070,China)

A Four-wheel-steering vehicle dynamic model with two degrees of freedom is presented in the article,with which we can develop a deeper study on the steering characteristics of the Four-wheel-steering system.Based on the Four-wheel-steering vehicle dynamic model,we have a study on the dynamic response of the Four-wheel-steering vehicle in the MATLAB/Simulink.The conclusion shows that four-wheel-steering vehicle has a better control stability than the conventional front-wheel-steering vehicle in high speed.

Four-wheel-steering;Control stability;Sideslip of the yaw;Angular velocity;Lateral acceleration

U463.42

A

2095-980X（2015）02-0063-02

2015-01-18

劉澤明（1993-）男，山東鄆城人，碩士研究生，主要研究方向：新能源汽車。