減振器阻尼對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響的仿真研究

王靈龍，鄒博維

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

減振器阻尼對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性影響的仿真研究

王靈龍，鄒博維

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

質(zhì)心較高的車輛在行駛過程中由于轉(zhuǎn)彎等操作發(fā)生側(cè)傾對車輛操縱穩(wěn)定性的影響較大，甚至?xí)?dǎo)致車輛側(cè)翻事故的發(fā)生，該文以提高SUV等高質(zhì)心車輛的側(cè)傾性能為目的進(jìn)行相關(guān)研究。為增加減振器阻尼力來提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，對1/2車輛模型進(jìn)行研究，提出一種新的車輛側(cè)傾穩(wěn)定性控制方法，通過Matlab/Simulink與CarSim進(jìn)行聯(lián)合仿真，驗證提出的控制策略在保證車輛平順性的同時能有效提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性并達(dá)到防止車輛側(cè)翻的效果。通過采用可調(diào)阻尼減振器的半主動懸架對車輛進(jìn)行控制，可提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，防止SUV等高質(zhì)心車輛因側(cè)傾過大導(dǎo)致側(cè)傾穩(wěn)定性變差甚至發(fā)生側(cè)翻，預(yù)防交通事故的發(fā)生。

側(cè)傾穩(wěn)定性；側(cè)翻；可變阻尼減振器；控制策略

0 引 言

近年來，我國SUV市場需求增長迅速，按2006～2014年的銷售數(shù)據(jù)，SUV市場份額已從2006年的4.4%上升到21.3%，基本實現(xiàn)年均21.8%的增長[1-2]。然而由于車輛質(zhì)心較高，車輛在高速行駛過程中，駕駛員為躲避障礙物而進(jìn)行的緊急轉(zhuǎn)向或類似操作時，會導(dǎo)致車身側(cè)傾嚴(yán)重[3]。這種特性不僅對車輛的操控性有較大影響，而且在極端情況下可能會導(dǎo)致車輛側(cè)翻，形成安全事故。為提高車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，可對車輛安裝主動懸架，但主動懸架控制車輛側(cè)傾除需要復(fù)雜的控制理論外，還需要對車輛底盤及懸架重新設(shè)計布置，實施難度大，成本高。文獻(xiàn)[4]提出車輛的側(cè)翻閾值隨阻尼比的增大而增加，所以可以嘗試通過增大減振器阻尼的方法來提高車輛的側(cè)傾剛度。然而對被動懸架而言，增大阻尼會影響車輛的平順性[5]。所以，本文提出根據(jù)行駛工況來改變阻尼級別的可調(diào)阻尼減振器來提高車輛抗側(cè)傾能力的設(shè)想并對此進(jìn)行研究。

1 平面車輛模型分析

為驗證方案的可實施性，采用一個帶輪胎動態(tài)特性的4自由度車輛側(cè)傾平面模型[6]對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，模型如圖1所示。這樣的1/2車輛模型中包含了輪胎的動力學(xué)4自由度側(cè)傾平面，仿真結(jié)果可以精確反應(yīng)車輛的實際情況。利用圖1中各模型參數(shù)，振動過程的物理學(xué)公式如下：

圖1 4自由度側(cè)傾平面1/2車輛模型示意圖

把式（1）～式（4）轉(zhuǎn)化為矩陣，等式兩側(cè)同乘質(zhì)量矩陣的逆矩陣，可以得到如下矩陣表達(dá)式：

按線性式（5）建立車輛數(shù)學(xué)模型，其中車輛參數(shù)以某車型的整車數(shù)據(jù)（見表1）為模型參數(shù)即可建立模擬真實車輛的1/2車輛模型。然后用兩個不同頻率的正弦波疊加生成的信號模擬復(fù)雜路面輸入，信號中兩種正弦波頻率分別為1.3Hz和3.0Hz，振動幅值分別為25mm和75mm。采用以上信號，分別作用于兩側(cè)車輪并保證相位差為0.25 s以模擬對車輛模型產(chǎn)生垂直和側(cè)傾輸入。仿真過程中，通過調(diào)節(jié)減振器阻尼系數(shù)就可以得到不同的輸出變量結(jié)果，其中左右兩側(cè)的車身位移變化差值x1-x2代表車輛的側(cè)傾角。

表1 仿真用1/2車輛模型參數(shù)

由于車輛行駛過程中車輛的側(cè)傾峰值變化與側(cè)翻閾值、操縱穩(wěn)定性均相關(guān)，本文將仿真計算得到的側(cè)傾相關(guān)參數(shù)與阻尼比δ=1作為基準(zhǔn)進(jìn)行計算得到的變化率列入表2中，方便對比調(diào)節(jié)后的減振器阻尼系數(shù)和初始狀態(tài)仿真結(jié)果的變化率。

表2 仿真結(jié)果x1-x2輸出對比表

從仿真的結(jié)果來看，車身相關(guān)輸出均與減振器阻尼成負(fù)相關(guān)變化，符合本文前述的理論分析結(jié)論，同時也驗證了模型的正確性。同時，在小阻尼情況下隨著減振器阻尼的增大，車輛側(cè)傾控制效果改善明顯。對于處于運(yùn)動狀態(tài)的車輛，側(cè)傾峰值變化如果超過側(cè)翻閾值，是一種極其危險的工況[7]，這在車輛的行駛過程中必須予以避免；側(cè)傾未超過側(cè)翻閾值，位移峰值和平均值均為橫向側(cè)傾程度的評價指標(biāo)，會影響到車輛的操作穩(wěn)定性和乘員的直觀感受[8-9]。為了便于分析不同阻尼系數(shù)對車輛模型的輸出變量影響情況，本文把平均位移和峰值位移的仿真結(jié)果做成柱狀圖進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。圖中的仿真結(jié)果及減振器阻尼系數(shù)可作為后續(xù)仿真研究的依據(jù)。

圖2 平均位移、峰值位移變化直方圖

圖3 緊急避障試驗道路示意圖

2 控制策略及聯(lián)合仿真

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時，提高懸架阻尼系數(shù)有助于提高車輛操縱穩(wěn)定性，抵抗側(cè)翻；車輛轉(zhuǎn)向結(jié)束后，降低減振器阻尼以提高車輛平順性。這樣的懸架阻尼兼顧了車輛平順性和操控穩(wěn)定性，并可以最大限度地保證高質(zhì)心車輛的行車安全。為達(dá)到該控制目的，參考文獻(xiàn) [10]對天棚阻尼控制策略進(jìn)行擴(kuò)展的控制成果，本文對其進(jìn)行了修正，按式（6）提出了控制策略?？刂撇呗砸源帕髯儨p振器為對象對控制過程進(jìn)行描述，控制過程中，阻尼的調(diào)節(jié)通過電流變化來實現(xiàn)，該控制測量用數(shù)學(xué)公式來描述如下：

式中：isa——可變阻尼減振器輸入電流；

ωroll——車輛側(cè)傾角變化率；

ωr_LT——側(cè)傾角變化率閾值；

K——增益。

sgn函數(shù)如下：

當(dāng)車輛側(cè)傾角變化率小于側(cè)傾角變化閾值，減振器的阻尼保持不變，按半主動懸架的控制策略控制車輛姿態(tài)，此時的行車以平順性為主要控制目標(biāo)；否則，減振器阻尼增大，以控制車輛的操縱穩(wěn)定性為主。下文按該控制策略通過Matlab/Simulink建立的控制器，利用美國機(jī)械仿真公司（MSC）的CarSim中的車輛模型對控制效果進(jìn)行仿真研究。實施過程采用緊急避障試驗進(jìn)行，道路參數(shù)如圖3所示。緊急避障試驗是綜合測定“人-車-路”操縱穩(wěn)定性的閉環(huán)試驗，這樣的測試用于測定與交通事故有關(guān)的閉環(huán)行駛特性，對評價“人-車-環(huán)境”閉環(huán)系統(tǒng)在實際行駛條件下的特性是非常重要的[11]。

圖4 緊急避障仿真試驗（Carsim）

首先對良好路面進(jìn)行分析，設(shè)定水平試驗路面摩擦因數(shù)為0.85[12]，仿真畫面如圖4。按理論研究及試驗仿真結(jié)果，側(cè)傾閾值ωr_LT設(shè)定為5°/s。

仿真中設(shè)定增益K由1逐漸增大，隨著K的增大仿真車輛側(cè)傾角和側(cè)傾角速度峰值都表現(xiàn)出減小的趨勢，當(dāng)減振器阻尼系數(shù)超過了1.8之后，車輛的情況開始惡化，這與表2的分析結(jié)果是一致的。如果繼續(xù)增大K值，仿真中車輛轉(zhuǎn)向時甚至?xí)l(fā)生側(cè)翻。所以，過大的增益K會導(dǎo)致減振器阻尼系數(shù)過大并不利于車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的控制。從車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性兩方面來考慮，確定仿真車型參數(shù)中減振器阻尼系數(shù)最優(yōu)下限阻尼系數(shù)Cmin為0.6、上限阻尼系數(shù)Cmax為1.8。被動懸架和高、低兩種不同的增益（此處仿真設(shè)定的增益系數(shù)均大于1）的仿真結(jié)果如圖5和6所示。

壞路條件下，當(dāng)車輛行駛時進(jìn)行緊急避障試驗的仿真分析。設(shè)定顛簸路面距離與高度的變化規(guī)律為變幅頻正弦波，如圖7所示，路面摩擦因數(shù)為0.85。將顛簸路面的方向盤轉(zhuǎn)角與在水平路面試驗時方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行對比，如圖8所示。將固定阻尼級別的被動懸架車輛與兩種增益的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖9和10所示。由兩種增益在不同路面的車輛側(cè)傾控制的仿真結(jié)果可以看出，由于控制策略的作用，裝備可變阻尼減振器的半主動懸架系統(tǒng)的車輛側(cè)傾穩(wěn)定性要優(yōu)于被動懸架系統(tǒng)的車輛。經(jīng)控制的車輛，側(cè)傾角度及側(cè)傾角速度峰值降低，隨著時間的推移，經(jīng)過側(cè)傾穩(wěn)定控制的車輛在轉(zhuǎn)向后期較快趨于穩(wěn)定，側(cè)傾角度和側(cè)傾角速度也偏低。

3 仿真結(jié)果分析

圖5 側(cè)傾角度隨時間變化曲線（良好路面）

圖6 側(cè)傾角速度隨時間變化曲線（良好路面）

圖7 路面波動變化曲線

圖8 兩種路面方向盤轉(zhuǎn)角時間關(guān)系曲線

圖9 側(cè)傾角度隨時間變化曲線（壞路）

為方便比對，對前文仿真得到的車身側(cè)傾角、側(cè)傾角速度的相關(guān)數(shù)據(jù)匯總到圖11～圖14中。從仿真控制輸出結(jié)果圖11、圖12中可以看出，隨增益系數(shù)K的增加，車輛側(cè)傾角和車輛側(cè)傾角變化率都有明顯減小。在良好路面工況，控制后期側(cè)傾角及側(cè)傾角變化率控制效果比傳統(tǒng)的被動懸架均有30%以上的下降，在壞路工況側(cè)傾角變化率下降50%左右。由于模擬壞路工況過于復(fù)雜，真實行車過程中危險工況往往出現(xiàn)在高速行車的良好路面，結(jié)合側(cè)傾角速度隨時間變化曲線圖6，在良好路面高、低增益相比被動懸架，車身側(cè)傾角速度曲線峰值均有不同程度下降，從圖11中可以看出高增益控制效果要優(yōu)于低增益。同樣從圖13的結(jié)果可以對側(cè)傾角速度的變化得出類似的結(jié)論，隨峰值序號的變大，減小比例也在增加，到最后峰值也就是轉(zhuǎn)向結(jié)束側(cè)傾角速度減小幅度約為60%。在模擬多工況綜合的壞路情況下，到轉(zhuǎn)向結(jié)束側(cè)傾角減小幅度約為50%（圖12），側(cè)傾角速度減小幅度也達(dá)30%～40%（圖14）。實際的后續(xù)仿真過程中，隨著設(shè)定的增益系數(shù)變大，此時對車輛的操縱穩(wěn)定性逐漸產(chǎn)生負(fù)面影響，側(cè)傾角速度出現(xiàn)多個峰值。如果繼續(xù)增大K值，車輛甚至發(fā)生側(cè)翻，所以就當(dāng)前車型而言，減振器阻尼增大不宜超過原設(shè)計阻尼的1.8倍。結(jié)合以上分析及對其他不同路面的仿真研究，可以分析出當(dāng)車輛側(cè)傾角速度超過閾值ωr_LT時，車輛側(cè)傾角和側(cè)傾角速度都會減小。而且隨作用時間的增加，控制的效果就越明顯，這樣的結(jié)果也證明了本文提出的提高減振器阻尼來達(dá)到控制車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的控制策略是有效的。

圖10 側(cè)傾角速度隨時間變化曲線（壞路）

圖11 良好路面?zhèn)葍A角度及其變化率曲線圖

圖12 模擬壞路側(cè)傾角度及其變化率曲線

圖13 良好路面?zhèn)葍A角速度及其變化率曲線圖

圖14 模擬壞路側(cè)傾角速度及其變化率曲線圖

4 結(jié)束語

本文通過理論分析后提出了有效的控制策略，模擬驗證了采用阻尼可調(diào)減振器的半主動懸架來提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性的方法，同時可以利用該控制方法在非轉(zhuǎn)彎工況時保證車輛行駛的平順性。該控制策略通過瞬時提高懸架阻尼來提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，減小車輛在極限工況下發(fā)生側(cè)翻的可能，是一種簡單可行的控制策略，對車輛整體結(jié)構(gòu)影響較小，實施過程簡單易行，投入成本低并能得到較好的效果，值得在實車上進(jìn)行驗證研究推廣試行。

[1]賀勁剛.中國SUV汽車市場需求預(yù)測研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

[2]劉俞，張雨，文靜，等.中國乘用車市場需求現(xiàn)狀分析[J].企業(yè)改革與管理，2014（8）：135.

[3]汪祖國.汽車最大側(cè)傾穩(wěn)定角的簡化計算[J].汽車技術(shù)，2014（2）：33-37.

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：164-165.

[5]章蘭珠，王軍.汽車懸架對行駛平順性的影響[J].華東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，34（6）：908-913.

[6]曹源文，梁乃興，于清.四自由度車輛模型分析不平整路面上的行車動荷載[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2005（8）：60-61.

[7]吳新燁，葛曉宏，羅樹友，等.汽車側(cè)翻穩(wěn)定性研究[J].廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，49（6）：815-818.

[8]雷林，李強(qiáng).汽車操縱穩(wěn)定性的研究與應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，32（增刊）：64-67，75.

[9]宗長富，郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性的主觀評價[J].汽車工程，2000，22（5）：289-292，309.

[10]MARINE M C， WIRTH J L， THOMAS T M.Characteristics of on-road rollovers[J].SAE Paper，1999（1）：122.

[11]陳平.基于線控技術(shù)的主動轉(zhuǎn)向與差動制動集成控制研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[12]李長城，劉小明，榮建.不同路面狀況對路面摩擦系數(shù)影響的試驗研究[J].公路交通科技，2010，27（12）：27-32.

（編輯：李妮）

Simulation research of the damping force for controlling roll dynamics of vehicles

WANG Linglong，ZOU Bowei
（China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300，China）

Owing to the vehicles with high center of mass may roll when it turns a corner and it will affect the vehicle handling stability and even cause serious accidents.This paper put forward to increase the damping force of damper to improve the roll stability of vehicles with high center of mass such as SUV.A 1/2 vehicle model was studied first.After getting a good result，a new method to control the roll stability of vehicles was put forward.The joint simulation of Matlab/Simulink and CarSim proved that the control strategy can guarantee the vehicle roll stability and prevent vehicle rollover on the premise of ensuring vehicle ride comfort.The conclusion is that using the semi-active suspension of the variable damper to control the vehicle can improve the vehicle roll stability，prevent poor roll stability or rollover of vehicles with high center of mass such as SUV due to too large roll force and avoid traffic accidents.

roll stability； rollover； variable damper； control strategy

A

：1674-5124（2017）07-0139-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.027

2016-11-23；

：2017-01-20

王靈龍（1980-），男，山東榮成市人，高級工程師，碩士，主要從事汽車產(chǎn)品可靠性方向的研究。