四轮转向汽车操纵动力学虚拟仿真分析

四轮转向汽车操纵动力学虚拟仿真分析姓名XX江苏大学京江学院车辆工程2班学号XX［摘要］从机械动力学仿真的角度，研究4WS汽车的瞬态和稳态操纵动力学特性。运用虚拟样机技术，给出4ws车辆在适当前轮转角及不同的大小、比值、方向以及转向时间差等后轮转角的条件下，车辆的瞬态和稳态动力学性能的表现。关键词：4轮转向，操纵稳定性，机构动力学，虚拟仿真1前言汽车四轮转向（4WS）技术是改善汽车操纵稳定性的主要手段之一，也是汽车主动底盘技术的重要组成部分。运用4WS技术，可以有效地减小低速行驶时汽车的转弯半径，使汽车在低速行驶时更加灵活。同时，该技术还可以大大地改善汽车在高速行驶时横摆角速度和侧向加速度等瞬态响应指标，提高高速行驶时的操纵稳定性。在4WS汽车的研究方面，大量的是关于后轮参与转向而带来的车辆响应变化以及采用各种转向控制策略而产生的车辆响应的差异。早期的后轮转向控制方法主要有以下几种：后轮与前轮逆向的转角比例控制方式；后轮与前轮同向的转角比例控制方式；后轮延时控制和前轮相位提前控制方式；后轮位相反转控制方式；前轮转角比例（后轮位相反转控制）P横摆角速度比例控制方式［1］。近期的研究主要集中于利用现代控制理论进行4WS控制，如模型参考控制，或QR／Q!多目标优化控制等［2-4］。在上述研究中，人们主要是从控制器设计的角度研究4WS车辆的。所利用是刚体多自由度系统模型，基本不考虑车辆转向系统的机构动力学特征。建立车辆多自由度简化数学模型是从理论上研究4WS车辆动力学特性的最基本也是极为有效的方法。从控制算法改进出发的4WS的研究大部分使用包含横摆角速度和侧向加速度的经典的2自由度所谓“自行车”模型；进一步的考虑有包括车辆侧倾的3自由度模型；更仔细地有7自由度、16自由度甚至更多自由度的线性或非线性车辆动力学模。理论和试验都已经说明［4,5］，在低加速度和小的转向角的情况下，这些模型能以较好的精度表征车辆转向的实际物理过程，基于它们设计的控制器能够正常工作。特别要指出的是：目前实用控制器设计所用的车辆动力学模型仍是前面最简单的2、3自由度模型；相对更复杂的多自由度车辆动力学模型，虽然理论上更加完善，但由于模型过于繁琐，需解决的问题未必能在实际的车辆系统中实现，并可能提高使用成本，在实际控制器设计时反而较少使用。由上可见，对于汽车这样结构复杂的机械系统，运动时各个结构部件之间做大位移的约束运动，仅用少数基于集中质点的动力学模型不能完整地描述整个系统的运动学和动力学关系，因此需要运用多刚体系统机构动力学的知识对包含各构件的车辆整体进行建模。同时，采用多刚体系统方法进行空间机构的运动分析，进而可能进行车辆底盘机构的优化设计，并为车辆控制的执行机构设计提供一些基本数据。因此，利用车辆虚拟样机技术的车辆机构多刚体／多柔体动力学虚拟仿真是目前的研究热点，已有许多商品化的软件可以利用，如ADAMS，DAS，VISUALNASTRAIN等。然而，国内外目前车辆虚拟样机技术的研究大量的集中于普通前轮转向车辆的［7］。上述商品化软件的一些专业模块也主要针对前轮转向车辆。作者针对4WS车辆系统进行虚拟建模和动态仿真分析的探索研究。从机构分析和车辆转向运动的角度看4WS实际是一种新的转向机构，其转向机制与普通前轮转向车辆的机制有了很大差异。为此，利用ADAMS软件，建立4WS轿车系统的底盘悬架和转向系统的机构动力学虚拟样机模型，可以可视化地定量研究不同的4WS底盘系统的定位参数下，有适当前轮转角及不同的大小、比值、方向以及转向时间差等后轮转角时的车辆的瞬态和稳态动力学性能。2多刚体系统动力学虚拟仿真多刚体系统动力学的研究方法有：Newton-Eu-Ler方程法、,Langrage方程法、图论（R-W）方法、Kane-Houston方法、变分方法。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMe-chanicalSystem)在车辆虚拟样机技术中应用比较广泛，特别是利用ADAMS/CAR模块在对前轮转向车辆的可视化仿真应用方面是比较方便的。其建模仿真的精度和可靠性在各动力学分析软件中也名列前茅。应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算。ADAMS软件采用拉格朗日乘子法建立了多刚体系统动力学方程方程组（1）包括了机构联接所要求的运动学约束。对方程（1）数值积分，并每步校核是否满足约束就是解机构动力学数值仿真问题。各软件都提供不同的解法并将适当时间步长的广义坐标和拉氏乘子（拉氏乘子物理上常常相应于约束反力，许多情况下也是希望获取的）的解可视化地显示出来以形成虚拟仿真。由于方程（1）的强烈非线性，方程（1）常导致条件数很大的刚性方程。因此，方程（1）数值解的收敛性并不总是保证。为此，数值计算技巧和物理建模的合理性，对于获得准确的结果就非常重要了［6，7］。34WS汽车虚拟模型的建立参考国外某汽车公司提供的一种前轮转向房车车型的实际及试验数据，按照该模型的运动学几何定位参数，运用ADAMS软件，建立整车系统的运动部件、机构约束，从而建立整车系统的机构运动学模型。建模过程涉及定义模型中机构部件、铰链连接与约束、弹性及阻尼元件，获得子系统模型的动力学参数，及定义外界条件如道路模型、空气阻力等的特性。初步建成后，要通过仿真计算比较结果的合理性和正确性，并反复对模型及算法参数进行调整、试算，最终建立了该4WS汽车的虚拟模型，形成了针对文中研究目标的所谓虚拟样机。由于一般商品化软件的专用模块，如ADAMS/CAR等，大都针对前轮转向车辆，对于4WS的机构动力学建模相对比较困难，需要结合ADAMS/CAR模块和ADAMS/VIEW模块进行。主要考虑汽车在转向时的动力学特征，故忽略制动系与传动系的影响。同时，为实现四轮转向目的，将原参考车型的钢板弹簧非独立后悬架改为了带转向的双摆臂独立悬架，由螺旋弹簧、减震器、上控制臂和下控制臂组成，如图1所示。在运用ADAMS软件建立车辆的机构动力学模型时，可以对悬架以及转向机构的一些关键点进行参数化建模，如前轮前束、主销后倾、主销内倾、车轮外倾角的定位参数等。通过改变这些定位参数，可以方便地仿真车辆在不同定位参数下的平顺性及操纵稳定性状况，还可以通过定义目标函数，对悬架及转向机构进行优化，从而选出最为合理的结构模型。44WS汽车操纵稳定性的虚拟仿真主要研究在开环状态下，4WS车辆对不同前后轮转角输入的转向响应仿真结果。其用意在于：考察不同4WS车辆转向、悬架机构定位设计参数对转向操控性能的影响；了解在不同的前后转向角度配合的情况下，4WS车辆的开环物理表现。目前4WS车辆前后转向都是闭环控制的。但如前所述，其分析和控制器设计所用的常常是相对简单的模型，基本不考虑机构定位设计参数。因此，其分析适用范围应该相当有限，如不注意这点，可能会得到完全错误的结果。这样，从物理上把握车辆前后轮不同角度的转动后，车辆究竟是如何运动的，特别是定量地掌握它们就非常重要了。利用对应车辆的虚拟样机模型来先行进行虚拟测试，其优点和重要性也就显而易见了。限于篇幅，仅分析一组结构参数的结果。所选的车辆及机构定位参数如表1。针对课题的需要，选择了角阶跃工况进行仿真。这个试验是评价各种汽车操纵稳定性瞬态响应的基本试验。在速度为40km/h下进行4WS样车模型的操纵稳定性试验仿真，根据前、后轮转角的不同关系，仿真按照如下的三种情况进行。从表2、图2的数据可以得到如下结论。（1）前后轮同向转动时，随着的增大，横摆角速度峰值、稳定值逐渐减小，但是横摆角速度超调量及稳定时间逐渐变大。（2）前后轮同向转动时，随着的增大，侧向加速度峰值及稳定值逐渐减小。（3）后轮相对于前轮滞后一段时间再进行转向，与同转角情况下无滞后情况相比，车辆响应的模摆角速度及超调量、侧向加速度均变大。（4）后轮与前轮逆向转动时，后轮转角变大，可能使车辆的稳态性能发生根本变化。当后轮逆向转动2度时，车辆的横摆角速度曲线不能收敛，车辆的运动变为过度转向。由图3和表3可以得到如下结论。（1）前后轮同向转动时，随着的增大，横摆角速度峰值、稳定值逐渐减小，但是横摆角速度超调量及稳定时间逐渐变大。（2）前后轮同向转动时，随着的增大，侧向加速度峰值及稳定值逐渐减小。（3）后轮相对于前轮滞后一段时间再进行转向，与同转角情况下无滞后情况相比，车辆响应的横摆角速度和侧向加速度稳定值无显著变化，但是横摆角速度和侧向加速度峰值变化较大。横摆角速度和侧向加速度峰值变化与情况相比，其变化幅度较小。由表$可以看出在相等时，车辆的瞬态响应表现出如下的性质。（1）后轮与前轮同向或逆向转动时，前轮转角越大，则横摆角速度峰值、稳定时间及超调量越大，但是横摆角速度稳定值逐渐减小。（2）后轮与前轮同向或逆向转动时，前轮转角越大，则侧向加速度峰值越大，但其稳定值逐渐减小。4结论（1）前后轮同向转动的情况下，随着的增大，横摆角速度峰值、稳定值及稳定时间逐渐减小，但是横摆角速度超调量逐渐变大；侧向加速度峰值及稳定值逐渐减小；继续增大后轮转角可能导致操纵性能的恶化。（2）后轮相对于前轮滞后一段时间再进行转向，与同转角情况下无滞后情况相比，车辆响应的横摆角速度和侧向加速度峰值均变大；但是稳定值的变化还与滞后时间、前后轮转角等有关。（3）在相等，后轮与前轮同向或逆向转动，前轮转角越大，则横摆角速度峰值、稳定时间及超调量越大，但是横摆角速度稳定值逐渐减小；侧向加速度峰值越大，但其稳定值逐渐减小。从这些结论可以看出，对于4WS车辆，适当的控制前轮转角与后轮转角的大小、比值、方向以及转向时间差，将对车辆的瞬态和稳态动力学产生很大的影响。具体说来，在适当的较小后轮转向配合情况下，可以减小转向时的侧向加速度和横摆角速度，减少其超调量，稳定时间缩短等。在当前工作的基础上，正在进一步研究不同的轮胎侧偏刚度与路面情况对回正力矩的影响，以及加上前后轮转向控制器，仿真各种控制方法对车辆操纵稳定性的瞬态及稳态响应，以实现4WS的实时闭环仿真。参考文献1WhiteheadJohnC.FourWheelSteering:ManeuverabilityandHighSpeedStabilization.SAE,1988:8806422KoumboulisFNandSkarpetisMG.RobustControlofCarswithFrontandRearWheelSteering.IEEEProcControlTheoryAppl,2002,149(5)3GuanXQ,QuQZ,ZhangJWetc.FourWheelSteeringSystemBasedontheVariableModelFollowingControl.ChinaJ.Mech.ENG,2002,38(3)4YouSS,ChaiYH.Multi-objectiveControlSynthesis:AnApplica-tionto4wsPassengerVehicles.Mechatronics,1999,95庄继德.汽车电子控制系统工程［M］.北京：北京理工大学出版社.19986VillocG.Co-simulationofanAutomiboleControlSystemUsingADAMSandXmath,1998InternationalADAMSUserConference7宋健，张越今.ADAMS软件应用中解决数值发散的技巧0汽车技术.1996.(12)