汽车操控稳定性研究

一．车辆车身各部件对车辆操纵稳定性影响的研究

1. 电动助力转向系统对汽车操控稳定性的影响

在电动助力转向系统中引入横摆角速度反馈传感器 ,建立了包含电动助力转向系统的人 -车系统数学模型 ;经模拟仿真分析 ,表明该模型在 EPS中引入横摆角速度负反馈可以显著改善前轮角阶跃输入下车辆的横摆角速度的瞬态响应 ;并且 EPS助力矩响应曲线上升平稳缓慢 ,有利于汽车在低附着系数路面高速转向行驶时的操纵 ,从而提高汽车的行驶安全性。

1.1. 横摆角速度反馈

当汽车的运动进入失稳状态时 ,驾驶员很容易做出过度转向的车辆 ,可在 EPS中引入一个负反馈 ,以降低系统的助力矩 ,削弱驾驶员快速改变前轮转向角的能力。 1.2. 仿真结果及结论

对于不引入反馈的系统 ,瞬态响应曲线的振荡幅度很大 ,收敛较慢 ,稳定性较差。引入反馈后 ,系统的超调量显著降低 ,并很快的趋于稳态值 ,但反应时间较前者增长。引入反馈后 (实线表示 )系统在横摆角速度出现剧烈振荡的阶段 ( t < 1 s)提供远小于常规系统 (虚线表示 )的助力矩。这样转向系能提供给驾驶员更多的“路感”,同时也使转向系变得较“迟钝”,削弱了驾驶员快速控制前轮转向的能力 [ 6 ] ,防止因驾驶员 (错误的 )快速转向操纵而导致的系统不稳定。另外 ,带有反馈的系统提供的助力矩曲线很平滑 ,而不带反馈的系统却出现了一定的波动。抑制助力矩的波动不仅有利于保持车辆的稳定性 ,也有利于延长助力电机的寿命。

因此在 EPS引入横摆角速度反馈可以减少前轮阶跃输入车辆的横摆角速度瞬态响应的时间 ,显著降低超调量 ,可明显改善车辆的行驶稳定性 ,但会增长反应时间。为 EPS引入横摆角速度反馈后 , EPS系统的助力矩上升较慢 ,但增长平稳 ,不出现明显的振荡。这有利于汽车横摆角速度出现剧烈波动的失稳状态下汽车的操纵 ,提高汽车的行驶安全性。 2. 悬架特性对操纵稳定性的影响

汽车的不足转向度是汽车操纵稳定性的一个重要评价指标，在汽车概念设计阶段，通过悬架在各种工况下的K&C性能分析，可计算分析整车的基本动力学特性，协助完成目标设定、目标改进和整车操稳性能优化提升等工作。本文最终以奇瑞某车型为例，分析并研究改变悬架的K&C特性（主要改变悬架的侧倾转向和侧向变形转向梯度）对整车不足转向度的影响，并在整车操稳性能的优化改进中进行了验证。 通过改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，运用MSC ADAMS分析悬架K&C性能的变化对整车操纵稳定性的影响；该方法也可用于悬架其它K&C性能的分析，为汽车悬架的概念设计和样车性能提升提供仿真支持。

2.1. 基本理论及内容研究

Kinematics研究悬架和转向系统的几何空间位置运动特性，不考虑质量或力的影响；Compliance是由于力的作用而引起的变形，如弹簧、稳定杆、衬套和部件的受力变形。通过悬架K&C性能的分析改进，可为整车性能的提升提供支持。 以ε代表侧倾转向系数，整车的不足转向度可表示为：

其中：φ――车身侧倾角； ay――侧向加速度；

随着前、后侧倾转向的方向与数值的不同，整车的不足转向度也会随着增加或较小。

侧向变形转向

侧向变形转向系数可定义为：

其中：δc――转向角； Fy――侧向力；

侧向力等于轴荷乘以侧向加速度，因此前轴转向角可表示为：

由侧向变形转向引起的整车不足转向度可表示为：

2.2. 分析及结果

改变前悬架的侧倾转向梯度和侧向变形转向梯度，而保持前后悬架和整车的其它参数不变，对整车进行稳态回转仿真分析，计算整车的不足转向度，即KRS和KLFCS，研究悬架的K&C特性变化对整车性能的影响。最终结果显示，随着前悬架侧倾转向梯度εf的增大，整车不足转向度KRS逐渐增大；随着侧向变形转向梯度Af的增大，整车不足转向度KLFCS逐渐增大。在汽车转弯时，前悬架外侧车轮的负前束变化趋势增大时，整车有增加不足转向的趋势 3. 集成底盘控制对汽车操纵稳定性的影响

为了应付的稳定性，操纵性能，以及高顺序和复杂的车辆拖车厂的冲突要求，模型跟踪方法。采用这种方法，反馈控制的目的是“脱钩”的车辆和拖车厂，使得每一个跟踪一个明确的二阶的参考模型尚未协调发展。前馈控制是为了维护其系统的稳态性能。因此，该方法不仅提高了系统的瞬态响应，而且其稳态性能。这种做法进一步产生了一个简单而分析控制推导，提供更多有识之士来系统动力学研究。

3.1. 实验模拟及结论

计算机模拟进行了比较系统的反应模拟阶跃输入。这些配置包括车辆单独与2WS与RWS的开环控制，车辆拖车与模型跟踪控制系统，汽车拖车，并与修正模型分别跟踪控制。模拟转向输入为60度和车辆在时速80公里匀速行驶。为了稳定车辆拖车组合，而在同一时间，以保持其操控性能，模型跟踪控制，提出了基于综合底盘控制，如全轮转向，（AWS）的控制，本文所描述。建议中的管制包括一个反馈控制和前馈控制。而反馈控制，主要是旨在通过“脱钩”的车辆和拖车等，每首曲目一个明确的二阶系统暂态响应的参考模型，前馈控制提高了系统的稳态性能。因此，一个简单而推导公式分析控制，提供更深入地了解其动态。为了应付模型的非线性，改进的模型跟踪双回路反馈控制进一步提出，其性能的改善是通过模拟显示。

二．车辆整体性能操纵稳定性的研究

1. 基于ADAMS的汽车操纵稳定性的研究

应用机械系统分析软件A D A MS ，建立丁整车的多柔体动理学仿真模型。详细考虑了悬架 、轮胎 ．横向稳定杆等部件的操纵稳定性的影响设计了于F环的虚拟试验， 对仿真结果进行了处理并同物理试验结果进行此较．验证了模型的可靠性应用相应的评价方法对车型进行计分评价，分析了影响稳态转向特性的各种因索．结合车辆实际情况提出了相应的改善措施。

1.1. 操纵稳定性的模拟试验的实现及评价

我国国家标准t S J G B ／ T 6 3 2 3 - 9 4的规定进行汽车操纵稳定性试验时，进行如下试验：①蛇行试验；②转向瞬态响应试验；③转向回正性 试验； 转向轻便性试验； ⑨稳态回转试验。本次仿真选择稳态回转试验来分析该车的操纵稳定性。 虚拟试验实现的方法是：汽车以最低稳定车速行驶(仿真中以 1 0 k m ／ h为准) 。调整方向盘转角使转弯半径为1 5 m，测量出此时的方向盘转角。仿真时用 S t e p ( ) 函数6 施加驱动力矩 ， 避免仿真开始时的数据突变。然后在仿真开始很短时间内( 如 1 S ) 用 S t e p ( ) 函数阶跃输入该转角，在驱动力矩的作用下车辆连续而均匀地加速( 纵向加速度不能超过 0 ． 2 5 m ／ s ，通过调整驱动力矩的大小来实现) 。直到汽车的侧向加速度达 到 6 ． 5 m ／ s ( 或达到汽车所能达到的最大侧向加速度) 为止。根据以下关系式建立 M e a s u r e测量出侧向加速度、转弯半径。

a= X t o ( 1 ) R= V ／ t o ( 2 ) 式中： a—— 侧向加速度， m ／ s ； V ——车辆前进车速， m／ s； R —— 转弯半径， I n； t o—— 横摆角速度， r a d ／ s ； 仿真开始时，横摆角速度 t o为零，从而 R为无穷 大，导致仿真失败，用 t o+ o ( t o) 代替 t o( o ( t o) 为一微小常数) ，此问题便可解决。

将试验结果进行处理， 然后按照评价方法进行评价计分， 可得中性转向点侧向加速度、 不足转向度和车厢侧倾度的评价计分值分别为 6 5 ，9 5 ， 6 6 ，综合评价计分值为 7 5 .3 。由以上数据判断，该车的稳态转向特性是合格的。但是，中性转向点侧向加速度、车厢侧倾度的评价计分值偏低，所以该车的操纵稳定性还有很大的改进余地。结合该车的实际情况，综合考虑提高评价指标计 分值，所采取措施易于在设计、生产过程中实现，对汽车其他主要性能影响较小。采取增大横向稳定杆角刚度及改变主销后倾角两项措施对该车操纵稳定性进行改善， 将主销后倾角调整为 3 ．5 。横向稳定杆角刚度由原来的 1 0 0 ． 5 N m ／ ( 。) 增加至 5 0 5 N m ／ ( 。) 进行仿真， 结果表明该车稳态转向特性有显著改善，中性转向点侧向加速度、 不足转向度和车厢侧倾度的评价计分值分别为 7 9 ，1 0 0 ，7 5 ；综合评价计分值为8 4 ．7 ，比原车型提高了 l 2 ．5 ％。

1.2. 结论

针对改型商务车的结构特点，建立了包括悬架、 轮胎、横向稳定杆、横拉杆、转向系等部件在内的整车 动理学仿真模型，完成了虚拟试验并将其与物理试验比较 ，结果验证所建立的模型是正确的，在仿真的基础上 对该车型的稳态转向特性进行了改善。研究表明，利用虚拟样机技术可以快速准确地对车辆操纵性 能进行仿真，从而对其性能做出预测和评估 ，为设计和改型提供依据和参考，减少开发费用，缩短设计周 期，提高产品竞争力，具有重要的现实及工程意义。 进一步可建立更为精确的模型，考虑更多的影响因素，进行操纵稳定性的其他各个试验的仿真研究 ，从而更为全面地对车辆操纵稳定性进行预测和评价 2. 汽车操纵稳定性的主观评价

2.1. 汽车操纵稳定性的主观评价概念和方法

汽车操纵稳定性的主观评价是驾驶员根据不同的驾驶任务操纵汽车时， 依据对操纵动作难易程度的感觉来对汽车进行评价， 即驾驶员对汽车的易操纵性所进行 的评价。 由于个体的生理心理存在很大。

汽车操纵稳定性的主观评价包含不同驾驶任务的多项目评价和总评价。 评价项目可分为： 直线行驶稳定性 ( 包括转向回正能力、侧风敏感性 、路 I 自 i 不 平敏感性等) 、 行 车变道的操纵性、转弯稳定 ( 包括转 向的准确性、 固有转向特性、 转弯制动特性等 ) 以及操纵负荷等。另外还常常进行多弯道路段L汽车总特性的评价。 2.2. 汽车操纵稳定性的主观评价的模拟器试验

本文驾驶员的主观评价主要是定性评价、 对1 4种车 辆方案在双移线和蛇行试验时进行主观排序,同时记录驾驶员的主观感觉。其目的是对试验测量和理论预测进行相关分析。 驾驶员对 1 4个车辆方案的主观感觉描述

方案 驾驶员的主观感觉描述

I 转向反应稍迟钝跟随性能可以，转向盘沉

2 转向厦应可阱、跟随性能可以，转向盘轻．稍有发飘感慌 3 转向反应稍迟钝，跟随性能可,转向盘力感不好，靠车不好控制 4 转向反应很灵艟．跟随性能好．转向盘力感适中 5 转向反应可以、跟随性能可，转向盘力感一般 6 转向反应灵敏，跟随性能较好，转向盘力感柔和

7 转向反应稍迟钝、跟随性能可，转向盘力感轻， 路感不太好 8 转向反应特灵敏，跟随性能好、转向盘沉

9 转向反应稍迟钝、跟随性能可以，转向盘力感一般 1 0 转向可反应灵敏、跟随性能好，转向盘力感适中 1 1 转向反应迟钝 ，跟随性能可以，转向盘力感适中 1 2 转向盘不稳，难于控制

1 3 转向反应太迟钝，跟随性能不好，转向盘力感可 l 4 转向反应太灵敏，转盘不稳，较难控村

2.3. 主观评价结果分析

9名驾驶员对l 4个车辆方案在车速为9 0 k m, ~ h 和 l l O k m／h时的主观评价的排序如表2 。主观评价分数最高的是第4种方案( 所有车轮侧 偏剐度增 加一倍 ) ，根据操纵稳定性的理论分析可知，提高车轮的侧偏刚度有利于改善汽车的操纵稳 定性，主观评价与理论结果是相符的。第 l 2种方案 是后轮侧倾转向系数e r =O ．3 ，增大了后轮侧倾转向效应。 第 l 4 种方案是前轮侧偏剐度增加，后轮侧偏刚度降低，这两种方案都呈现出严重过度转向， 汽车不稳定，较难操纵 ，驾驶员的主观评价分数最 低。第 l 3种方案是前轮侧偏刚度降低 5 0 ％，后轮侧偏剐度增加一倍， 呈现出严重不足转向，由于转向增益太小致使反应过于迟 钝，主观评价分数也较低。其他方案，如转向系传动比降低比增加好，转动惯量增加不好，转向系刚度的增加和降低在车速为9 0 k m／ h时， 体现出降低稍好；而在车速为 l l O k ~／时，体现出增高稍好。但从后面的评价指标计算结果看，还是转向系刚度增高为好。汽车的质心前移或后移一倍都使操纵稳定性变坏。

三、车辆操纵稳定性的评价总结

综上所述，汽车操控稳定性受到了个方面的影响，有车身、底盘、以及车辆的各个组成系统的影响。因此我们有必要深入的去研究车辆操纵的各个细节，只有好的汽车操控性才能使我们很好的驾驭自己喜欢的爱车，发挥汽车的优势。此外，汽车操控性还与汽车的安全性息息相关，一旦汽车失去了它的操纵稳定性，那么它就会像风筝断了线一样，没有方向，很容易导致交通事故的发生。所以这就要求我们要严肃而又认真地对待，让我们的汽车真正达到安全，舒适的奔驰在道路上。

参考文献：

【1】Weiwen Deng and Yong H. Lee，An Integrated Chassis Control for Vehicle-Trailer Stability and Handling Performance，Proceedings of the 2004 SAE Automotive Dynamics, Stability & Controls Conference ，May 4-6, 2004

【2】杨占鹏. 电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响. 山东：拖拉机与农用运输车.2008.4

【3】梅奋永,方锡邦,乔明侠. 基于ADAMS的汽车探纵稳定性仿真研究. 合肥工业大学机械与汽车工程学院.2004.3

【4】宗长富，郭孔辉. 汽车操纵稳定性的主观评价. 汽车工程. 2000(5)