一種轉(zhuǎn)彎時(shí)調(diào)整座椅側(cè)向高度差減輕側(cè)推感的方法

鐘蔓芩， 鐘克華

（1.哥倫比亞大學(xué)， 美國 紐約 10027；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院， 廣州 廣東 510640）

1 前言

由于離心作用，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)向轉(zhuǎn)彎方向外側(cè)傾斜，使得乘坐的用戶感受到一股側(cè)推感，側(cè)推感的強(qiáng)弱與轉(zhuǎn)彎時(shí)的車速有較強(qiáng)關(guān)系。如果需要減輕側(cè)推感，可以通過調(diào)節(jié)懸掛力度（軟硬） 來實(shí)現(xiàn)。石春[1]和陶永明[2]利用調(diào)節(jié)懸架，使車輛轉(zhuǎn)彎性能得到提升，因而減輕側(cè)推感，其可提高車輛乘坐舒適度，也可以通過調(diào)節(jié)座椅側(cè)向高度差的方式來實(shí)現(xiàn)。本文提出一種轉(zhuǎn)彎時(shí)調(diào)整座椅側(cè)向高度差減輕側(cè)推感的方法，該方法是通過獲取路面信息與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，利用向心力公式計(jì)算出轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)合適的上升高度或內(nèi)側(cè)的下降高度，得到側(cè)向高度差，以此高度差調(diào)節(jié)座椅左右側(cè)向高度。這樣可減輕轉(zhuǎn)彎時(shí)用戶乘坐的側(cè)推感，提高用戶乘坐的舒適度。

2 基礎(chǔ)和原理

轉(zhuǎn)彎時(shí)調(diào)整座椅側(cè)向高度差，減輕側(cè)推感，提高乘坐舒適度。此方法分低速和高速兩種情況處理。在低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，不需要調(diào)整；在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，則通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)彎時(shí)的理論傾斜角度，減去道路轉(zhuǎn)彎處實(shí)際的傾斜角度，從而計(jì)算出座椅側(cè)向高度差，以此高度差調(diào)整座椅左右側(cè)高度，即可實(shí)現(xiàn)減輕側(cè)推感進(jìn)而提高乘坐舒適度。

前提條件：車輛前后輪間距L、車輪左右間距W是車輛的固定參數(shù)，當(dāng)車輛確定后，即為確定值。這些參數(shù)作為后面計(jì)算的基本數(shù)據(jù)輸入。

1） 低速轉(zhuǎn)彎：在低速時(shí)轉(zhuǎn)彎，后輪沒有轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向中心在后車軸的延長線上。如圖1所示，可得低速轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向計(jì)算簡圖。

圖1 低速轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向計(jì)算簡圖

前輪理想轉(zhuǎn)向角可以依據(jù)圖中的幾何關(guān)系和在轉(zhuǎn)向時(shí)給定的轉(zhuǎn)向角來確定。由于駕駛的轉(zhuǎn)向角非常的小，R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t，因而可用tanδ=sinδ=δ進(jìn)行近似處理。轉(zhuǎn)向中心到質(zhì)心的距離近似等于轉(zhuǎn)向中心到后軸中心的距離。外側(cè)轉(zhuǎn)向角和內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向半徑的關(guān)系為：

式中：δo——外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角；δi——內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角；L——軸距；R——車輛轉(zhuǎn)向半徑；t——左右車輪中心間距。此時(shí)，輪胎不需要產(chǎn)生側(cè)向力，側(cè)推感小，不需要調(diào)整左右座椅高度差。

2） 高速轉(zhuǎn)彎：在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑遠(yuǎn)大于車輛的軸距，方向盤轉(zhuǎn)角很小，轉(zhuǎn)向角為一小角度，可以忽略前軸內(nèi)、外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角差。因此，兩個(gè)前輪可以用轉(zhuǎn)角為δ的一個(gè)車輪表示，并且認(rèn)為左右車輪的側(cè)偏力是相等的。如圖2所示，可得到高速轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向計(jì)算簡圖。

圖2 高速轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向計(jì)算簡圖

在高速轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向狀況下，輪胎產(chǎn)生側(cè)向力。同時(shí)，輪胎滾動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生側(cè)偏。輪胎前進(jìn)方向與行駛方向之間的夾角是側(cè)偏角，側(cè)向力為側(cè)偏力。當(dāng)輪胎載荷一定時(shí)，側(cè)偏力隨著側(cè)偏角的增大而增大。

向心力的大小與車速大小高度相關(guān)，側(cè)推感也隨著速度的增高而變大。在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以依據(jù)下列步驟獲取數(shù)據(jù)輸入，計(jì)算得到左右座椅高度差。①車速、車重、轉(zhuǎn)向輪外側(cè)轉(zhuǎn)向角、道路轉(zhuǎn)彎處傾角等參數(shù)，可依據(jù)車輛的傳感器獲得；可以從車輛CAN[3]總線上獲得數(shù)據(jù)；②計(jì)算轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑；③計(jì)算轉(zhuǎn)彎處的理論傾角；④計(jì)算座椅左右高度差；⑤計(jì)算座椅內(nèi)外側(cè)升降高度。

依據(jù)計(jì)算得到的內(nèi)外側(cè)車輪高度差，調(diào)整座椅左右側(cè)高度，即實(shí)現(xiàn)了減輕側(cè)推感，提高乘坐舒適度。

3 實(shí)現(xiàn)方法

因低速轉(zhuǎn)彎側(cè)推感小，不需要調(diào)整左右座椅高度差，故在實(shí)現(xiàn)方法中，只考慮高速轉(zhuǎn)彎的情形。在車輛以較高速度轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑遠(yuǎn)大于車輛的軸距，轉(zhuǎn)向角為一小角度，忽略前軸內(nèi)、外側(cè)車輛的轉(zhuǎn)角差，計(jì)算簡圖如圖2所示。按下述步驟計(jì)算得到座椅左右側(cè)高度差。

1） 步驟1：獲取輸入數(shù)據(jù)。獲取當(dāng)前車速V、當(dāng)前車重G、轉(zhuǎn)向輪外側(cè)轉(zhuǎn)向角δ、道路轉(zhuǎn)彎處傾角γ（即道路轉(zhuǎn)彎處的道路本身的傾角）。這些數(shù)據(jù)均由車輛的傳感器獲得。

2） 步驟2：計(jì)算轉(zhuǎn)向半徑。根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)向角和車輛參數(shù)，計(jì)算得到此時(shí)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向半徑。

式中：δ——外側(cè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角；L——軸距；W——左右車輪間距；R1——外側(cè)轉(zhuǎn)向半徑；R2——內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向半徑；R——車輛轉(zhuǎn)向半徑；φ——車輛轉(zhuǎn)向半徑修正系數(shù)，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算獲得。

3） 步驟3：計(jì)算理論傾角。根據(jù)向心力公式以及整車重力，可計(jì)算得到轉(zhuǎn)彎理想傾角β（轉(zhuǎn)彎處理想路面跟水平面之間的傾斜角），即車身受力合力與垂直路面法線的夾角，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)彎傾角及高度差計(jì)算簡圖

式中：β——轉(zhuǎn)彎傾角；V——前進(jìn)速度；g——重力加速度；F——向心力；G——整車重量；m——整車質(zhì)量；R——車輛轉(zhuǎn)向半徑。

4） 步驟4：計(jì)算座椅左右高度差。根據(jù)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)彎傾角β，可得到內(nèi)外側(cè)車輪高度差，如圖3所示，即為需要調(diào)整的座椅高度差理論值：

式中：β——轉(zhuǎn)彎傾角理論計(jì)算值；γ——轉(zhuǎn)彎處道路傾角；H——左右車輪高度差；W——左右車輪間距。此高度差值為理論計(jì)算值，因車輛兩側(cè)剛度存在差異，故兩側(cè)變形量也與理論值會(huì)存在不一致。在實(shí)際調(diào)整時(shí)，需要通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸修正。

5） 步驟5：計(jì)算座椅內(nèi)外側(cè)升降高度。通過計(jì)算得出的座椅高度差H，可得出車輛兩側(cè)座椅上升/下降高度：座椅轉(zhuǎn)向外側(cè)升降高度Ho=H/2；座椅轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)升降高度Hi=-H/2。

至此，已計(jì)算得到座椅左右側(cè)需要調(diào)整的高度值，輸入給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成調(diào)整。此高度差考慮了轉(zhuǎn)彎處道路實(shí)際存在的傾斜角對(duì)轉(zhuǎn)彎傾斜的影響。

4 應(yīng)用

通過計(jì)算，可得出轉(zhuǎn)彎時(shí)座椅左右兩側(cè)高度差H，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸修正，得到車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)座椅兩側(cè)高度調(diào)整值，可實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)座椅實(shí)時(shí)調(diào)整。然后，利用座椅調(diào)整，減小轉(zhuǎn)彎的外拋感，可提高用戶乘坐體驗(yàn)，也就提高了車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的乘坐舒適性。轉(zhuǎn)彎平穩(wěn)，乘客安心，乘坐舒適。對(duì)于駕駛員來說，在面對(duì)緊急情況急轉(zhuǎn)彎時(shí)，減小外拋感有助于其掌控車輛，減小事故發(fā)生概率。

座椅左右側(cè)高度調(diào)整如與車輛懸掛系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，讓車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)懸架升高，內(nèi)側(cè)懸架降低，可以有效幫助車輛順利過彎，降低車輛發(fā)生側(cè)翻事故的可能性，減小事故發(fā)生的幾率，對(duì)行車安全有貢獻(xiàn)。