基于聯(lián)合控制仿真的主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿控制策略研究

丁義蘭

長安馬自達(dá)汽車有限公司,江蘇 南京 210094

0 引言

相較于其他車輛,越野車質(zhì)心高、尺寸大、裝載質(zhì)量重,最易發(fā)生側(cè)傾,甚至誘發(fā)側(cè)翻。為了解決該問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究,其中黃康 等[1]、趙樹恩 等[2]、張瑞棟[3]研究了主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿對(duì)車輛的防側(cè)傾技術(shù),王國麗 等[4]、孟愛紅 等[5]以及劉少軍 等[6]研究了主動(dòng)懸架對(duì)車輛側(cè)翻性能的影響,并進(jìn)行了仿真分析,但對(duì)于橫向穩(wěn)定桿對(duì)車輛側(cè)傾甚至側(cè)翻性能的影響,鮮有人研究。

橫向穩(wěn)定桿是懸架中的一個(gè)部件,在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí),橫向穩(wěn)定桿桿體發(fā)生扭轉(zhuǎn),桿身變形產(chǎn)生的彈力就會(huì)阻止車輪抬起,預(yù)防側(cè)傾,但實(shí)際應(yīng)用中,桿身的變形有限,難以滿足復(fù)雜多變的工況要求。

本文正是在原車輛橫向穩(wěn)定桿的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一款主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng),它將原桿件從中間斷開,在中間加裝了一個(gè)激勵(lì)器系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)設(shè)置了4種控制策略,可以根據(jù)車況的要求,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車輛所需的防側(cè)傾力矩。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)控制策略的有效性,先利用ADAMS建立整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,再利用MATLAB/Simulink的模塊化功能,建立相應(yīng)控制策略的控制模型,最后通過接口相連進(jìn)行聯(lián)合控制仿真,驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)整車側(cè)傾甚至側(cè)翻的改善程度。

1 基于主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的搭建

1.1 基于被動(dòng)式整車剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

本文建模所需的越野車3D和詳細(xì)參數(shù),均為某合作廠家提供。根據(jù)提供的參數(shù),利用轉(zhuǎn)動(dòng)副、固定副、襯套等,分別將該車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、前后懸架、前后被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿、前后車輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身與地面等部件,在ADAMS中逐一進(jìn)行簡(jiǎn)化連接,其中忽略了與本研究無關(guān)的制動(dòng)系。

另外,因本文主要研究對(duì)象為橫向穩(wěn)定桿,在實(shí)際應(yīng)用中,桿件自身可以承受部分變形,故選用結(jié)構(gòu)和力學(xué)響應(yīng)性更高的柔性體更符合實(shí)際情況。本文利用HyperMesh軟件,來算出橫向穩(wěn)定桿的固有頻率和模態(tài),并將其模態(tài)結(jié)果進(jìn)行合成,獲得其柔性化的模型,并將該模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中。最終,將各模塊的簡(jiǎn)化模型和橫向穩(wěn)定桿柔性化模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),得到整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

圖1 整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

1.2 基于主動(dòng)式整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的建立

以被動(dòng)式整車剛?cè)狁詈夏Ｐ蜑榛A(chǔ),其余零件不變,只將原橫向穩(wěn)定桿件一分為二,并在中間設(shè)立一個(gè)變量力矩,該力矩是依靠MATLAB/Simulink中的輸入來控制(接口相連),用于抵抗車身的側(cè)傾,相當(dāng)于激勵(lì)器的作用(ADAMS簡(jiǎn)化模型)。

1.3 模型的驗(yàn)證

依據(jù)GB/T 6323.6—1994的要求進(jìn)行實(shí)車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn),獲得的數(shù)據(jù)與仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)的質(zhì)心軌跡和仿真獲得的質(zhì)心軌跡差距極小,近似于重合,且前后軸的側(cè)偏值分別為0.78(°)/(m/s2)和0.82(°)/(m/s2),因此,可以確定該整車剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏?zhǔn)確度較高。

2 主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)的控制策略研究

2.1 被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)計(jì)算

主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)以原車型的被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿為基礎(chǔ),不改變其安裝位置和原桿件的剛度、直徑、彎曲性狀,只是將橫向穩(wěn)定桿從中間斷開,加裝激勵(lì)器,故被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的相關(guān)參數(shù)可根據(jù)廠家提供的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,其中,本文中被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的兩端位移工作范圍為(-40,40)mm。

通過以下的公式進(jìn)行測(cè)算:

(1)

式中:φ1為車身側(cè)傾角;f為穩(wěn)定桿端點(diǎn)距離;ay為側(cè)向加速度;a為剛度比(前后側(cè)傾);Maf為激勵(lì)器輸出的總側(cè)傾力矩;Ws為車輛的簧上質(zhì)量;hs為車輛質(zhì)心距側(cè)傾中心的距離;kφf為前輪側(cè)傾剛度;kφr為后輪側(cè)傾剛度。

可計(jì)算出原桿件自身扭轉(zhuǎn)變形能提供的側(cè)傾角和側(cè)向加速度如下。

φmax=3.81°,φmin=0.45°,ay min=0.05 g

(2)

式中:φmax為車身最大側(cè)傾角;φmin為最小側(cè)傾角;ay min為最小傾向加速度。

橫向穩(wěn)定桿通過自身的扭轉(zhuǎn)變形,為整車提供一個(gè)抑制側(cè)傾的力矩,但由計(jì)算可知,該桿件自身的最大側(cè)傾角僅為3.81°,一旦超過該限值,桿體就會(huì)因發(fā)生塑性變形而失效。而本文研究的主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿,其激勵(lì)器會(huì)在整車側(cè)傾角大于原桿件最小側(cè)傾角0.45°時(shí)開始工作,根據(jù)所制定的控制策略判斷系統(tǒng)此時(shí)所需的力矩,驅(qū)動(dòng)電機(jī),為整車系統(tǒng)提供一個(gè)新的抗側(cè)傾力矩,有效防止車輛的側(cè)翻,避免該桿件發(fā)生塑性變形。

激勵(lì)器的組成如圖2所示。

圖2 激勵(lì)器剖面圖

2.2 主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)控制策略的確定

控制策略是主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)的核心,本文研究的主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)除了包含原桿件和電機(jī)激勵(lì)器,為了實(shí)現(xiàn)其控制策略,還設(shè)有控制單元ECU,此外還包含各種傳感器,如力矩傳感器、側(cè)向加速度傳感器及車身側(cè)傾角傳感器等。電控ECU基于來自側(cè)向加速度傳感器和車身側(cè)傾角傳感器的數(shù)值,來確定車身的側(cè)傾狀況,并根據(jù)側(cè)傾狀況計(jì)算所需的扭矩,以驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng),從而達(dá)到改善車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性的目的。

為了更好地研究該系統(tǒng),首先得確認(rèn)車輛行駛時(shí)的實(shí)況,本文總結(jié)了3種常見行車工況:水平路面,車輛直線行駛;水平路面,車輛轉(zhuǎn)彎;左右兩邊傾斜的路面,無轉(zhuǎn)彎,因車輛左右車輪引起的傾斜。

依據(jù)以上3種工況,制定主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)的控制原理(見圖3)。

圖3 主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)的控制原理圖

在正常行車中,確保所有傳感器均在工作狀態(tài),為了實(shí)現(xiàn)有效的控制,結(jié)合上文所研究的原桿件的最大側(cè)傾角、最小側(cè)傾角和側(cè)向加速度等相關(guān)參數(shù),得到以下的控制策略。

1)若控制單元檢測(cè)到的側(cè)傾角φ小于0.45°,則判定為車輛無側(cè)傾,直線行駛。此時(shí)調(diào)用的是第1種控制策略,即此時(shí)控制電機(jī)主動(dòng)力矩為0,桿體左右2部分分離,懸架剛度降低,乘坐舒適性大大改善。

2)若控制單元檢測(cè)到的側(cè)傾角φ大于等于0.45°,ay大于等于0.05 g,則判定車輛轉(zhuǎn)彎中。調(diào)用的控制策略如圖4所示,即將側(cè)向加速度和抗側(cè)傾力矩作為輸入量,通過ECU計(jì)算出理論側(cè)傾角,并將理論側(cè)傾角與傳感器測(cè)得側(cè)傾角的差值作為反饋,不斷修正,直至該差值小于0.45°,固定電機(jī)的施加力矩M。

圖4 第2種控制策略流程

3)若控制單元檢測(cè)到的側(cè)傾角φ大于等于3.81°,ay小于0.05 g,判定該車無轉(zhuǎn)彎,行駛在左右存在傾斜的路面;或者由左右車輪引起的傾斜,此時(shí)已超過側(cè)翻的閥值有側(cè)翻危險(xiǎn),可調(diào)用第3種策略,即控制激勵(lì)電機(jī),將其輸出的力矩固定在最大值,進(jìn)行持續(xù)工作,直至車身回正。

4)若控制單元檢測(cè)到的側(cè)傾角大于0.45°,小于3.81°,ay小于0.05 g,判斷該車輛處于側(cè)傾狀態(tài),但未到側(cè)翻的閥值,調(diào)用的控制策略如圖5所示,即將側(cè)向加速度和側(cè)傾角作為輸入量,通過ECU計(jì)算出系統(tǒng)此刻所需的力矩,并將車身的側(cè)傾角作為反饋,不斷修正施加系統(tǒng)的力矩,直至側(cè)傾角小于0.45°為止。

圖5 第4種控制策略

3 基于聯(lián)合控制仿真的主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿控制策略的驗(yàn)證

3.1 建立基于主動(dòng)式穩(wěn)定桿件的數(shù)學(xué)模型

為了便于在MATLAB/Simulink中調(diào)用模塊化功能來建立對(duì)應(yīng)的控制策略,需要先建立整車側(cè)傾的數(shù)學(xué)模型,確立與整車側(cè)傾相關(guān)的3個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系,即整車側(cè)傾角、側(cè)傾加速度、側(cè)傾力矩三者之間的關(guān)系。

首先,假定車輛正在勻速轉(zhuǎn)彎中,整車的受力示意圖如圖6所示。

圖6 車輛勻速圓周運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)彎受力示意圖

由整車動(dòng)力學(xué)簧上質(zhì)量的平衡方程,可推導(dǎo)出如下傳遞函數(shù):

(3)

式中:Maf為激勵(lì)器輸出的總側(cè)傾力矩;maf為電機(jī)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩;b1/l1為縱臂、橫向臂的位移率(橫向穩(wěn)定桿);α為剛度比(前后側(cè)傾)。另外,試驗(yàn)測(cè)出:μ=ay,未知量只有φ、ay及Maf,其余數(shù)值均為合作方提供或者試驗(yàn)測(cè)出的已知量。

3.2 聯(lián)合仿真模型的建立

針對(duì)上文制定的控制策略和建立的傳遞函數(shù),運(yùn)用ADAMS/MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真,驗(yàn)證控制策略的完整性,并根據(jù)結(jié)果不斷進(jìn)行修正和更新該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

先通過ADAMS軟件建立基于主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的整車動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)依據(jù)前文所制定的控制策略和傳遞函數(shù),在MATLAB/Simulink中建立了控制系統(tǒng),并通過接口將2個(gè)軟件系統(tǒng)中的模塊聯(lián)接起來,最后基于ADAMS和MATLAB/Simulink,建立了整車的聯(lián)合控制仿真模型,來驗(yàn)證該系統(tǒng)控制策略是否可行。另外,車輛質(zhì)心側(cè)向加速度和側(cè)傾角作為ADAMS中的輸出量,它同時(shí)也是Simulink中的輸入信號(hào),而電機(jī)的主動(dòng)轉(zhuǎn)矩作為Simulink中的輸出量,它也是ADAMS中的輸入量。

3.3 主動(dòng)式與被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿對(duì)整車側(cè)傾性仿真結(jié)果分析

基于上文建立的ADAMS和MATLAB/Simulink的整車模型,依據(jù)國標(biāo)和美標(biāo)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),分別選取與整車側(cè)傾相關(guān)的2種試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,即穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)及魚鉤試驗(yàn),并將其與被動(dòng)式穩(wěn)定桿的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,來確認(rèn)該系統(tǒng)制定的控制策略是否可行,并確認(rèn)主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)是否對(duì)車輛側(cè)傾的改善有所幫助。

3.3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

從圖7～8可知,穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中(根據(jù)國標(biāo)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法,在相同時(shí)間,2種條件下的速度相同),在低速階段,安裝主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)的側(cè)向加速度和側(cè)傾角更加穩(wěn)定,接近0值,但在高速階段,該系統(tǒng)相對(duì)于安裝被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的系統(tǒng),無論是側(cè)向加速度還是側(cè)傾角,降幅明顯,對(duì)車輛的整車側(cè)傾性改善明顯。

圖7 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)2種條件下側(cè)向加速度曲線圖 圖8 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)2種條件下側(cè)傾角曲線圖

3.3.2 魚鉤試驗(yàn)

如圖9～10所示,魚鉤試驗(yàn)中(模擬車輛行駛一段行程偏航后,方向快速回正的過程,美標(biāo)),在方向回正的過程中,安裝主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)的側(cè)向加速度降幅明顯,峰值較安裝被動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的系統(tǒng),降低了50%,而側(cè)傾角峰值降低了25%,可以得出本文研究的主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)可以很顯著降低車輛急速回正時(shí)的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 魚鉤試驗(yàn)2種條件下側(cè)向加速度曲線圖 圖10 魚鉤試驗(yàn)2種條件下側(cè)傾角曲線圖

4 結(jié)論

本文主要研究主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿對(duì)某款越野車的側(cè)傾的影響,先通過ADAMS中建立了基于該系統(tǒng)的整車剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,然后詳述了該系統(tǒng)的4種控制策略,且在MATLAB/Simulink中建立相應(yīng)的控制模型,最后進(jìn)行聯(lián)合控制仿真,得到以下結(jié)論。

1)制定的主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿的控制策略是有效的。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和魚鉤試驗(yàn)中,隨著時(shí)間的增加,該控制策略響應(yīng)快、靈敏度高,能顯著降低車身的角速度和側(cè)向加速度。

2)主動(dòng)式橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)相較于被動(dòng)式穩(wěn)定桿,對(duì)車身側(cè)傾狀態(tài)改善明顯,有很大的研究空間。