SUV侧翻稳定性的脉冲主动后轮转向技术研究

SUV侧翻稳定性的脉冲主动后轮转向技术研究SUVRolloverControlUsingPulsedActiveRearSteeringStrategy1.侧翻研究背景2.侧翻动力学建模3.脉冲后轮转向系统设计4.仿真与试验5.总结与展望SUV侧翻稳定性的脉冲主动后轮转向技术研究21.侧翻研究背景2.侧翻动力学建模3.脉冲后轮转向系统设计4.仿真与试验5.总结与展望3侧翻研究背景41研究背景及意义

什么是SUV？SUV既具有轿车的舒适性，又具有一定越野性的车型。它的特点是强动力、越野性、宽敞舒适及良好的载物和载客功能。由此，对悬架系统和底盘控制提出了更高的要求。SUV的快速增长SUV需求量日渐增长，已经成为一个家庭常用的汽车。根据中汽车工业协会数据统计，2007年的销售量为35.7万辆，到2013年SUV销量猛增为303.9万辆。汽车侧翻静态稳定因子StaticStabilityFactor,SSF侧翻研究背景5SUV比一般轿车更容易侧翻SUV较一般轿车质量大、质心高，悬架独特，上下跳动量大，且行驶路况较差，因此SUV更容易产生车身侧倾甚至侧翻。侧倾对驾驶员的视觉点和姿态变化有很大影响，侧倾过大容易使驾驶员产生疲劳与不安全感。

侧翻事故的致命率更高侧翻事故中SUV的致死率是普通乘用车近3倍之高，且侧翻事故比非侧翻事故的致死率更高。侧翻研究背景62

汽车侧翻机理分析与原因

侧翻的两种形式侧翻是汽车失稳的一种表现形式。汽车侧翻定义为汽车在行驶过程中绕纵轴线出现了转动90度或以上，以至于脱离地面接触的一种危险侧向运动。曲线运动引起的侧翻(untrippedrollover)

汽车行驶在道路时，由于汽车侧向加速度或侧倾角超过一定极限值，使得汽车内侧车轮脱离地面或者接近脱离地面而引起的侧翻。绊倒引起的侧翻(trippedrollover)汽车行驶时产生侧向滑移，与路面上的障碍物侧向撞击而“绊倒”。侧翻研究背景7侧翻的主要原因车的原因

SUV离地间隙较大，必然要求SUV的重心离地面高度增加，汽车侧翻静态稳定值会大大减小，产生侧翻的可能性增大。所以，汽车结构设计参数，如重心高度，轮距，悬架和轮胎的特性等都会影响汽车侧翻安全性。路的原因

许多随机因素出现在行驶过程中，SUV要保证汽车在的高速时有很好舒适性，在急速转弯时容易导致较大侧向加速度，由于重心又偏高所以造成较大的侧倾力矩是汽车发生侧翻。SUV的外部行驶环境比较复杂，地形变化多样，比如坑洼的路面以及紧急转弯路况都使得SUV更容易发生严重的侧翻事故。人的原因

驾驶员的经验水平也是SUV发生侧翻的原因，越来越多女性或年轻人追求时尚购买SUV，驾驶经验的不足且喜欢高速驾驶汽车，发生紧急侧翻情况不能很好采取应对措施。侧翻研究背景83

目前侧翻控制技术现有的侧翻控制技术主动/半主动悬架差动制动控制主动转向控制联合控制侧翻研究背景9主动/半主动悬架悬架两侧各有一个液压动作器，来调节左右悬架两边的垂直作用力，形成附加的侧倾力矩，补偿汽车失稳发生的侧倾，以此保证汽车的侧倾或侧翻状态。差动制动控制/直接横摆力矩控制差动制动控制是利用分配不一样的制动力给到各个车轮上，由此形成附加横摆力矩，来控制汽车侧翻的方法。侧翻研究背景10主动转向控制以主动前轮转向为例，前轮转角为驾驶员输入转向角及控制器输入转向角的代数和，由此形成附加侧向力来改善汽车横摆和侧向运动，提高汽车抗侧翻能力。控制系统有效性复杂性经济性主动/半主动悬架一般很高差差动制动道路两侧附着条件不一样情况下，效果受限不高。可利用现有ABS系统高主动转向轮胎线性区很有效高差各种控制系统对比114脉冲主动后轮转向（本论文研究）在脉冲主动转向(PulsedActiveSteering,PAS)的概念中，前轮或后轮的转向信号是脉冲式的，由控制器决定是增加转向还是减少转向。它取代了传统转向中转向角为常数的形式。由于本技术是提供更加经济合理的侧翻控制系统，且只有在系统探测SUV有侧翻危险时发挥作用。侧翻研究背景该研究的目标/优势：

较好的性能表现，有效控制侧翻。经济性好，系统简化成一个组件。(试验部分可以看出)可实现性好。可集成现有系统，如标配ABS。1.侧翻研究背景2.侧翻动力学建模3.脉冲后轮转向系统设计4.仿真与试验5.总结与展望12侧翻动力学建模131三自由度侧翻模型三自由度的侧翻模型实际上是由线性二自由度模型加上一个自由度的侧倾模型。二自由度汽车模型用来研究汽车匀速运动的横摆运动和侧向运动。侧倾模型描述了汽车侧倾及侧翻运动状态。轮胎侧向力及力矩与侧偏角的关系侧向运动方程:横摆运动方程:侧倾运动方程:侧翻动力学建模142轮胎特性的考虑在侧向加速度和转向角度较小情况下，轮胎的侧向力与其相对应的轮胎侧偏角成线性关系；但在侧向角度和转向角都较大情况下，轮胎进入明显的非线性区。“魔术公式”轮胎模型“魔术公式”轮胎模型(MagicFormulaTireModel，它用三角函数组合的形式来拟合轮胎实验数据，得到了一个有相同表达形式并可同时表达纵向力、侧向力和回正力矩，以及纵向力和侧向力的联合工况。故称“魔术公式”，具有统一性强，拟合精度高等特点。其形式如下：

联合工况下轮胎侧向力学特性在实际路况中，轮胎的垂直载荷、侧向力与纵向力之间相互影响。汽车在侧倾状态下，垂直载荷发生转移，在左右两侧轮胎上重新进行分配。侧翻动力学建模153汽车侧翻评估指标

汽车侧向加速度和汽车侧倾角汽车侧向加速度和汽车侧倾角可以作为衡量汽车侧翻状况的变量。通过静态实验的方法，让一侧车轮离开地面或接近离开地面，此时对应的值就是最大侧向加速度和最大侧倾角度。把汽车半轮距宽度与重心高度之比定义为汽车侧翻静态稳定因子。

汽车横向载荷转移率汽车横向载荷转移率被更广泛定义为左右两侧车轮的垂直载荷之差比上整车重量，取值范围就变成了[-1,1]。1.侧翻研究背景2.侧翻动力学建模3.脉冲后轮转向系统设计4.仿真与试验5.总结与展望16脉冲主动后轮转向系统设计171PARS系统概念

PARS系统由控制器提供额外的转向来配合当前驾驶员对前轮的转向，直到当侧翻因子落入到安全范围之内。

该系统可以是一个简单、廉价和轻量的组件，安装在现有汽车上。

利用已经配置的ABS系统。ABS传感器获得各种测量参数供PARS系统使用。

该系统也可联合与差动制动系统，直接横摆力矩控制系统等共同控制。脉冲转向装置—负责产生的转向信号来驱动后轮转向。开关控制器—控制器里面包含了一个稳定性评估器，来计算汽车横摆和侧倾稳定状况,当汽车失稳时，系统将会被激活。182转向脉冲信号为了设计一定脉冲形式的转向信号，脉冲信号的方程在仿真和实验应用上都是合理的和可调的，包括脉冲信号的幅值和频率选用了标准正弦脉冲信号，其方程如下：一个由偏心轮连杆机构产生的脉冲转向信号脉冲主动后轮转向系统设计

转向脉冲频率设计及优化利用频率响应分析，得到最优的转向脉冲频率应为H最大值所对应的角频率值。约3Hz

转向脉冲幅值设计及优化在考虑如何使得后轮脉冲转向时，采用电动机来驱动脉冲转向，考虑到当转向脉冲幅值增大时，意味需要更大侧向力来驱使转向，那么就需要更大功率的电机来产生次转向力。所需的转向机械功率有：19脉冲主动后轮转向系统设计结论：考虑到在实际试验和实际应用中电动机在悬架位置的安装空间和尺寸限制，太大的功率电动机意味着需要的尺寸更大，本文选定3度左右作为PARS系统的转向脉冲信号幅值。203控制器的选择和设计

PID控制器PID控制器的比例单元P、积分单元I和微分单元D分别对应系统的目前误差、过去累计误差及未来误差。脉冲主动后轮转向系统设计PID控制器的不足之处：控制器一直是处于激活状态，即使是在一些不是很危险的工况下。这反而会给汽车造成额外的不稳定性和对司机有所干扰。如果侧翻因子有所偏离，那么PID控制就会启动PARS系统，并且输出一定大小的后轮转向角度。21

开关控制器在控制理论，开关控制器在两个状态之间切换。经常被用来控制一个二进制输入，例如控制电灯的开关。脉冲主动后轮转向系统设计特点：如果R是在安全范围之内，那算法就会输出为“0”的额外转向信号，也就意味着PARS处于关闭状态。但是如果R超出设定阀值，那么算法就会启动PARS系统，输出相应的脉冲转向信号给其中一个后轮，直到侧翻因子R再一次落入到安全范围之类。启动依据1.侧翻研究背景2.侧翻动力学建模3.脉冲后轮转向系统设计4.仿真与试验5.总结与展望22231CarSim介绍MSCCarSim软件主要针对轿车、SUV、货车等车辆进行动力学仿真分析，模拟不同路面情况下汽车的加速、制动和方向盘调整，通过曲线和动画直观地分析汽车的各种响应，CarSim还可以跟Matlab/Simulink、LabVIEW、dSPACE等软硬件兼容，对运行工况（EventsandProcedure，如双移线测试，K&C实验等）和环境条件进行设置具有很好的扩展性。仿真与分析242CarSim&Simulink联合模型根据侧翻因子可知，当汽车向右急转时，R为负值。当R继续降低直到小于-0.8时，此时应该左侧后轮向外转向(即与前轮同向转向)。同理，当汽车向左急转时，R为正值。当R继续增大直到大于0.8时，此时应该右侧后轮向外转向。由此便实现了PARS系统的开关控制。仿真与分析联合仿真模型开关控制器模型253J-turn工况仿真在很短时间内转角从0快速变化到某一个值，汽车从直行突然进入圆周轨迹。设定汽车初始车速为100km/h。在J-Turn工况取前轮转角幅值为6°对于PARS主动控制系统，转向脉冲信号取设计的最优化值，转向角度大小为3度，频率为3赫兹。仿真与分析前后轮转向输入

侧翻因子26横摆角速度

车身侧偏角质心侧倾角

质心侧向加速度仿真与分析274双移线工况仿真双移线工况描述了实际交通情况下，汽车高速行驶时道路超车的过程。仿真以80km/h速度进行。对于PARS主动控制系统，转向脉冲信号同样取转向角度大小为3度，频率为3赫兹。由图可知，左右后轮并不是同时工作的，后轮的脉冲转向是配合前轮转向方向而独立启动的。仿真与分析前后轮转向输入

侧翻因子28横摆角速度

车身侧偏角质心侧倾角

质心侧向加速度仿真与分析295Slalom工况仿真Slalom工况描述了驾驶员的正弦前轮转角输入，仿真以100km/h速度进行。前轮是幅值为7度，周期为4秒的正弦输入。对于PARS系统，同样脉冲转向角度大小为3度，频率为3赫兹。同样地可见左右后轮是配合前轮转向方向而独立启动的。仿真与分析前后轮转向输入

侧翻因子30横摆角速度

车身侧偏角质心侧倾角

质心侧向加速度仿真与分析311PARS设计及试验车改造选择多连杆后悬的SUV进行试验。如图所示，考虑到把其中一根连杆（如图圆圈内）更换掉，变成可以往复运动的一个机构，再加以控制，则可以实现PARS系统所阐述的功能，进行脉冲转向。试验与分析32如图(a)和(b)所示分别是多连杆悬架中的一根连杆替换前和替换后的情形。这样的话就可以通过改变后轮前束来使得后轮转向，一个可调的偏心轮连杆机构所产生的行程是7mm，对应后轮的转向角度为3°。可见PARS系统在应用到汽车方面有很高的可实现性和性价比。试验与分析(a)替换前

(b)替换后+测试

332试验测试设备试验车：雷克萨斯SUV和本田雅阁来作为试验用车。

该车的后悬架类型是多连杆后悬，有利于PARS系统的替换与安装。

测试车辆配备了上述实验设备及一系列传感器。角度，速度，加速度，轨迹。试验与分析

341.阶跃转向2.等速圆周运动3.双移线工况4.Slalom工况试验试验与分析

353道路试验A阶跃转向下转向频率的对比分析在此工况的测试中，脉冲信号是一个幅值为3°的正弦脉冲信号，正如上文第3章中设计的一样。为了从实验的角度验证频率对系统的影响，本文通过调节电机电压分别为48V和60V来达到脉冲信号频率为3Hz和5Hz。得到了最佳转向脉冲频率将确定用来做之后工况的所有试验。试验与分析(a)横摆角速度

(b)侧向加速度36B阶跃转向试验试验与分析

(a)横摆角速度

(b)汽车轨迹

(c)侧向加速度

(d)侧倾角37C双移线工况试验试验与分析

(a)横摆角速度

(b)汽车轨迹(c)侧向加速度

(d)侧倾角38D前轮阶跃输入下的等速圆周运动试验试验与分析

F等速圆周运动下正反转向对比

侧向加速度

横摆角速度侧向加速度

横摆角速度1.侧翻研究背景2.侧翻动力学建模3.脉冲后轮转向系统设计4.仿真与试验5.总结与展望3940以SUV为对象，提出一种新的脉冲主动转向技术来控制发生侧翻。从理论、仿真和试验对该系统进行了研究和验证。建立三自由度线性汽车侧翻模型，提出了侧翻动态稳定因子R作为汽车侧翻评估参数。详细介绍了脉冲主动后轮转向系统，从理论和工程实际的角度对脉冲幅值和频率进行了优化并