商用汽車車身穩定控制系統仿真研究

熊艷飛

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商用汽車車身穩定控制系統仿真研究

熊艷飛

（江西應用科技學院智能制造工程學院，江西 南昌 330100）

電子穩定系統ESP（Electronic Stability Program）是一種新型主動安全系統。采用ADAMS/Car建立商用汽車整車模型，對模型進行仿真分析。在MATLAB/simulink軟件的基礎上，建立汽車二自由度模型，得到理想橫擺角速度和質心側偏角，與實際值進行比較，將偏差值作為輸入，在MATLAB/Simulink平臺上對汽車車身穩定控制系統進行仿真。仿真結果表明有ESP的汽車其路徑保持能力較好，汽車在操縱上和行駛上的穩定性問題，可通過ESP來改善，進而大大降低汽車的安全風險。

商用汽車；ESP；ADAMS/Car；橫擺角速度

1 ESP的結構及工作原理

商用汽車是在設計和技術特征上是主要用于運送人員和貨物的汽車，并且可以牽引掛車。由于該類車絕大多數不配置車身穩定控制系統，導致每年事故發生率很高，因此對ESP控制系統[1]進行自主研究并配置在商用車上極具現實意義，它能最大限度地降低交通事故的發生。作為車輛的輔助控制系統，能有效控制由路面濕滑而引進的側滑問題。只要傳感器感應到車輛有側滑時，系統能自動控制車輪的制動及對發動機的動力進行控制。針對國產4500SC6443A型商用車開展研究，探討在商用車上配置ESP系統的必要性。

1.1 ESP[2]的結構

汽車的電子控制系統包括電子控制單元（ECU）、傳感器和執行器。由傳感器采集到的車身狀態數據通過ECU進行計算，得到車身狀態，比較存儲器預先設定的數據。如果ECU得到的數據超出預存值，說明車身即將失控或者已經失控，需要命令執行器進行工作，使得車身行駛狀態能在駕駛員控制下行駛。ECU發出的命令信號由執行器接收，同時控制信號也由執行器來執行。

1.2 ESP的工作原理[3]

ESP首先要進行信號采集和信號處理計算，再由ECU判斷，由執行器來執行。各種傳感器采集汽車的運行狀態信息，再將采集到的信號傳送給ECU。由ECU來進行計算、分析，以便得到汽車實際行駛狀態參數信息，而理想狀態參數由汽車二自由度數學模型來進行計算。ECU會計算實際值與理想值之間的偏差，由行駛穩定性判斷標準可以得出汽車的行駛狀況，如果處于非理想狀況，就需要調節制動器制動力和控制驅動輪驅動力。為了使汽車的制動、轉向及驅動系統能一直處于最理想的狀態，在執行ECU指令的同時，調節制動器制動力或驅動輪驅動力大小，及時調整汽車行駛過程中出現的問題，從而提高汽車行駛的安全性。

2 汽車模型建立

2.1 在ADAMS/Car中建立汽車整車模型

利用ADAMS/Car模塊[4-6]建立國產4500SC6443A型商用車的整車模型，首先需要建立各個子系統模型。懸掛系統是車輪與車架之間一切傳力的連接裝置，主要是傳遞車輪與車架之間的力，緩沖由于路面不平給車身帶來的沖擊力。轉向系統是改變或保持汽車行駛方向的裝置，按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。制動系統是使路面對汽車車輪施加一定的力，對其進行一定程度的強制制動的裝置，能夠讓運行的車輛在駕駛員的控制下有效地進行減速或停車，能夠讓沒有啟動的車輛穩當地停放在任何路面環境下。發動機是一個能量轉換機構，對外輸出動力。該型商用車關鍵參數如表1所示。

表1 4500SC6443A型商用車整車模型關鍵參數

發動機總成質量320 kg后轎質量132 kg 車身總成質量1 220 kg車輪質量62 kg 前懸掛彈簧剛度系數16 N/mm后懸掛彈簧剛度系數38 N/mm 前輪距1 435 mm后輪距1 435 mm 軸距2 800 mm前輪前束0°±7° 前輪外傾角﹣0.6°±3°后輪前束0°±7° 主銷內傾角11°±5°主銷后傾角6°±1° 后輪外傾角﹣1°45′±25′

2.2 建立汽車數學模型

整個車輛作為一個整體，是一個多自由度的系統。二自由度是確定系統狀態所需的獨立變量個數為2個，即橫擺角速度和質心側偏角，這兩個關鍵參數能有效地反映汽車的穩定性。汽車橫擺角速度和質心側偏角的理想值由汽車二自由度數學模型的運動方程來計算，而汽車橫擺角速度和質心側偏角的實際值由ADAMS/Car模塊中建立的整車模型來得到，仿真時將二者的偏差值作為控制系統的輸入。將前輪轉角也作為輸入，認為汽車的車廂只作平行于地面的平面運動，認為側向力與其相應的側偏角成線性關系，對汽車的運動方程進行拉普拉斯變換，建立數學模型。汽車運動狀態方程為：

將式（1）與式（2）代入到式（3）中并進行拉氏變換可得到傳遞函數：

式（1）（2）（3）（4）（5）中：為汽車總質量；Z為繞軸的轉動慣量；為質心與前軸的距離；為質心與后軸的距離；為橫擺角速度；為轉向輪轉角；為軸車速；為軸車速；f為前輪總的側偏剛度；r為后輪總的側偏剛度。

由式（4）與式（5）可知，只要提供駕駛員轉向盤轉角和相應運行速度，就能獲得ESP所需要的橫擺角速度和質心側偏角的理想值[7-8]。

3 汽車ESP控制系統分析

汽車行駛過程中存在兩種控制措施，即不足轉向和過度轉向，如圖1所示。在汽車轉向不足時，需要對彎道內側的后輪施加瞬時制動力，由ESP來發出控制命令，在車輪邊滑邊滾情況下產生相應的滑移率，以及時減小車輪側向力，增大縱向制動力，通過橫擺力矩方向的一致性來改變汽車轉向不足，實現汽車中性轉向，使汽車能夠在穩定狀態下行駛。在汽車轉向過度時，需對彎道外側車輪施加瞬時制動力，由ESP來發出控制命令，減小車輪的側向力和行駛速度，產生反向橫擺力矩，提高汽車行駛穩定性。

圖1 過度轉向和不足轉向的控制措施

4 仿真結果分析

圖2為轉向盤輸入為階躍輸入。汽車在5檔，速度為80 km/h情況下行駛，地面附著系數為0.6，角階躍轉向作為前輪轉角輸入，2 s為轉向初始時間，共經歷了1 s。通過仿真得到階躍條件下橫擺角速度變化曲線和質心側偏角變化曲線，分別如圖3和圖4所示。當汽車在ESP控制下，其橫擺角速度和質心側偏角的變化曲線比較緩慢，保持了比較理想的軌跡，有效地提高了汽車的行駛穩定性。當汽車在沒有ESP控制下，變化趨勢比較明顯，由于過度轉向的原因使汽車不能按預期的軌跡行駛，導致后輪出現側滑或甩尾現象，處于不穩定狀況。

圖2 轉向盤輸入角變化曲線

圖3 橫擺角速度變化曲線

圖4 質心側偏角

5 結束語

在汽車行駛穩定性問題上，ESP具有舉足輕重的作用，無論汽車在何種狀況下行駛，ESP控制的汽車能有效解決汽車側滑或者甩尾等不穩定問題，在過度轉向或不足轉向狀況下ESP系統的控制效果更加明顯，提高了汽車行駛的安全性，保證了汽車行駛的穩定性。由仿真結果可以分析得到，以角階躍為輸入時，汽車在ESP控制下能使汽車在理想軌跡下行駛，并保證其行駛的穩定性，汽車在沒有ESP控制時，當汽車行駛出現不穩定狀況時，不能及時得到改善。

［1］裴錦華.汽車ESP控制系統研究［D］.重慶：重慶大學，2005.

［2］付百學.汽車電子穩定程序控制系統［J］.汽車技術，2002（06）：45-61.

［3］韓建寶，云志剛，陳厲兵.汽車電子穩定系統ESP的工作原理及應用［J］.汽車電器，2004（04）：29-31.

［4］仇建華，張永輝，王鑫.基于ADAMS和MATLAB的汽車ESP系統的聯合仿真［J］.山東交通學院學報，2010（3）：12-15.

［5］李仲興，石秉良，張瑜.基于ADAMS的輕型商用車操縱穩定性的仿真與試驗［J］.江蘇大學學報，2009（07）：71-139.

［6］李志高，薛亮，鐘紹華.基于ADAMS與Simulink的汽車ABS控制聯合仿真［J］.上海汽車，2010（11）：14-17.

［7］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［8］賈豫東.用于電子穩定程序的汽車模型和控制策略［D］.北京：清華大學，2008.

2095－6835（2019）05－0076－02

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.076

熊艷飛（1988—），女，湖南人，講師，2014年畢業于湘潭大學（碩士研究生），主要從事車輛工程方面的研究。

〔編輯：張思楠〕