四輪轉向車輛操縱穩定性仿真分析

劉澤明，黃妙華，周亞鵬

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

四輪轉向車輛操縱穩定性仿真分析

劉澤明，黃妙華，周亞鵬

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

采用線性二自由度汽車模型，建立汽車四輪轉向的運動微分方程式，從而對四輪轉向汽車進行轉向特性的進一步研究。在建立四輪轉向汽車操縱動力學的模型基礎上，借助MATLAB/Simulink模塊對四輪轉向汽車的動力學響應進行仿真分析，并將仿真結果與傳統的前輪轉向汽車作對比。仿真結果表明：四輪轉向汽車在高速行駛時具有更好的操縱穩定性。

四輪轉向；操縱穩定性；質心側偏角；橫擺角速度；側向加速度

四輪轉向（4WS）作為汽車主動安全的主要技術，其基本原理是利用車輛行駛中的信息控制后輪的轉角輸入以提高車輛的操縱穩定性。具備四輪轉向能力的汽車在低速行駛時，能夠提高車輛靈活性；在中、高速時，車輛的操縱穩定性會加強。本文將對傳統的前輪轉向汽車、前后輪轉角比為定值、后輪轉角僅有橫擺角速度控制、后輪轉角由前輪轉角和橫擺角速度共同控制的四輪轉向汽車四種車型進行分析。

1 4WS動力學模型建立

1.1 模型簡化

為了便于掌握操縱穩定性的基本特性，我們采用線性二自由度汽車模型進行分析，如圖1所示。假設車廂只做平行于地面的平面運動，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側傾角均為零。

1.2 受力分析

圖1 二自由度4WS汽車模型

根據數學運算關系可以得到：

如果采用的是前后輪轉角成比例的控制方法。此時因為橫擺角速度r為定值，則v'=0，r'=0可以得出：

2 MATLAB/Simulink下的仿真研究

2.1 四輪轉向系統的建模

Simulink是一個控制系統建模與仿真的實用工具。本文主要分析中高速行駛時四輪轉向和前輪轉向對車輛操縱穩定性的影響。橫擺角速度、側向加速度和質心側偏角是影響車輛側向穩定性的主要因素。

在MATLAB/Simulink中建立四輪轉向模型。如圖2所示：

圖2 前輪轉角控制的四輪轉向模型

2.2 仿真結果及分析

如圖3、4所示，運行建立的四輪轉向模型，得到仿真結果數據。采用Plot命令將結果繪制成圖，如圖5、6、7所示。

圖3 橫擺角速度控制的四輪轉向模型

圖4 前輪轉角和橫擺角速度共同控制的模型

通過仿真結果比較可知：由前輪轉角控制后輪轉角的四輪轉向車輛使得車輛的質心側偏角、橫擺角速度的最大值顯著降低，同時調整時間也有所縮短。四輪轉向汽車提高了汽車的操縱穩定性。

圖5 汽車側向加速度

圖6 汽車橫擺角速度

3 結論與展望

根據以上仿真分析，得出如下結論：

（1）四輪轉向車輛的質心側偏角、橫擺角速度和側向加速度的最大值顯著降低，同時調整時間也有所縮短，實現了穩態條件下轉向過程中的零側偏角，這有助于轉向運動更加平穩，提高了車輛的操縱穩定性。

圖7 汽車質心側偏角

（2）在四輪轉向的設計過程中，應根據具體情況合理選取K和值。

（3）未來的四輪轉向控制，應能降低車輛的質心側偏角以提高操縱穩定性，又能保持車輛的橫擺角速度基本不變以保證駕駛員的轉向感覺。四輪轉向具有良好的發展前景。

[1]王紀瑞，左曙光.四輪轉向汽車后輪轉角控制因子控制效果研究[N].佳木斯大學學報.2010，28（3）：2.

[2]萬百五，韓崇昭.控制論—概念、方法與應用[M].清華大學出版社，2009.

[3]黃忠霏.控制系統MATLAB計算及仿真[M].北京：國防工業出版社，2004.

[4]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2000.

Study on the Simulation of Four-wheel-steering Vehicles’Control Stability

LIU Ze-ming,HUANG Miao-hua,ZHOU Ya-peng
(Automotive Engineering,Wuhan University of Technology School,Wuhan,Hubei 430070,China)

A Four-wheel-steering vehicle dynamic model with two degrees of freedom is presented in the article,with which we can develop a deeper study on the steering characteristics of the Four-wheel-steering system.Based on the Four-wheel-steering vehicle dynamic model,we have a study on the dynamic response of the Four-wheel-steering vehicle in the MATLAB/Simulink.The conclusion shows that four-wheel-steering vehicle has a better control stability than the conventional front-wheel-steering vehicle in high speed.

Four-wheel-steering;Control stability;Sideslip of the yaw;Angular velocity;Lateral acceleration

U463.42

A

2095-980X（2015）02-0063-02

2015-01-18

劉澤明（1993-）男，山東鄆城人，碩士研究生，主要研究方向：新能源汽車。