基于A D A M S的四輪轉向汽車建模與仿真

王春林，張培明，馬樂群

（1. 青島理工大學，山東 青島 266520；2. 濰坊科技學院，山東 濰坊 262700）

1 引言

四輪轉向技術（Four Wheel Steering，4WS）是主動底盤控制技術的重要組成部分，其模型一般采用的是簡化的線性二自由度車輛模型，沒有考慮車輛中高速轉向時車輪垂直載荷轉移和輪胎的非線性問題［1］。為使車輛模型更加逼近真實車輛，本文考慮懸架系統、轉向系統以及輪胎、襯套等部件的非線性，運用ADAMS/Car建立4WS車輛的虛擬樣機模型，采用后輪轉角比例于前輪的控制策略對其操縱穩定性進行仿真分析。

2 建立4WS車輛虛擬樣機模型

2.1 建模假設

建模時做如下假設：①車身簡化為一個具有集中質量的剛體，并將質量集中于重心處，重心位置在運動過程中不變；②輪胎、彈簧、阻尼、襯套等由特性文件描述其力學特性，其它零部件均看做剛體。

2.2 整車建模

在共享數據庫整車模型 MDI－Demo－Vehicle－It的基礎上，通過改造轉向模板和車身模板來創建四輪轉向汽車整車模型。其模板是在齒輪齒條式轉向系示范模板的基礎上增加一個齒條式后輪轉向機構而建立的。

齒套 rear－rack－housing與車身固定連接，為了保證轉向系模板能與車身模板正確裝配，必須使用Mount part來保證正確的位置。所建模型車輛的主要結構參數，見表1。

表1 車輛參數

2.3 后輪轉角控制的實現

后輪轉角控制的實現就是確定后輪轉向機構中的移動驅動函數，也就是建立后輪轉角與方向盤轉角之間的關系。后輪轉角比例于前輪的控制方式可以實現四輪轉向車輛低速“反相轉向”，高速“同相轉向”功能，它通過前后輪轉角成比例（δ2＝Kδ1）的實時控制，使汽車穩態轉向時的側偏角β為零，從而使汽車具備良好的方向性。其中比例系數K是通過令4WS汽車2DOF模型的運動微分方程中的質心側偏角為零計算得出，具體計算公式如下：

式中參數k1，k2，u均可從表1查出。模型中k1＝－152 843.442 6 N/rad，k2＝－164 538.707 8 N/rad。這樣，知道仿真車速的情況下，比例系數K可以通過計算求出。

要通過公式（1）計算后輪轉角δ2，還需要知道前輪轉角δ1，而前輪轉角δ1可以通過方向盤轉角除以轉向傳動比得到。將轉向系統與前懸架系統裝配成懸架總成，對其進行轉向仿真分析。齒輪齒條式轉向器默認的轉向系傳動比大約為25。根據轎車的轉向系傳動比一般為12～20，本文將其設置為15，即在前輪轉角為5°時，方向盤轉角必須為75°。

通過公式（1）計算后輪轉角δ2。確定后輪轉向機構移動驅動函數為：2.5*K*（VARVAL（.steeringwheel_angle））/15。其中，系數 2.5是后輪轉角與移動位移的轉化系數，K值由公式（1）確定，15為轉向傳動比。

3 4WS虛擬樣機模型仿真分析

對建立的4WS整車模型進行前輪角階躍輸入仿真，階躍信號以0 s為起躍時間，持續時間為0.5 s，仿真時間為10 s，分別取幅值為5°，仿真車速20 km/h和幅值為2°，仿真車速100 km/h，并把仿真結果與同參數的前輪轉向2WS整車模型MDI_Demo_Vehicle_lt相比。質心側偏角和橫擺角速度瞬態響應分別如圖1～4所示。

圖1 20 Km/h質心側偏角瞬態響應曲線

圖2 100 Km/h質心側偏角瞬態響應曲線

圖3 20 Km/h橫擺角速度瞬態響應曲線

圖4 100 Km/h橫擺角速度瞬態響應曲線

從以上曲線可以看出：①對比圖1和圖2，兩輪轉向汽車2WS車速越高，其質心側偏角達到穩態值的時間越長。4WS汽車的質心側偏角有明顯減少，穩態值更接近于零。4WS汽車能更好的控制汽車的運動姿態，提高汽車行駛時的操縱穩定性。②低速時4WS的橫擺角速度增益大于2WS，表明轉過同樣彎道時4WS汽車更加容易，即4WS能較大地減小最小轉彎半徑，提高了汽車的機動性。高速行駛時，四輪轉向車輛橫擺角速度超調量要小于兩輪轉向車輛，有助于汽車更加平穩的轉向。

4 結束語

根據仿真結果，可以看出4WS汽車的優點是減少了汽車轉彎過程中的質心側偏角，同時低速時4WS的橫擺角速度增益大于2WS，能較大地減小最小轉彎半徑，提高了汽車的機動性；高速時，階躍響應超調量較小，使轉向更平穩。但后輪轉角比例于前輪的控制策略也存在缺陷。高速時4WS汽車橫擺角速度穩態增益減小，這導致高速行駛時駕駛員的疲勞程度增加，增大了駕駛的難度。

［1］周紅妮，陶健民.車輛穩定性控制策略研究［J］.湖北汽車工業學院學報，2007（1）.