（机械制造及其自动化专业论文）车辆自动稳定杆系统控制规律的研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席 委员： 导师： 他文 伽以澎眵摇 维砂钐火乙列馓， 翰款鳓墨 j 蓐珞z 氍吁 莲雨胁嘶。瓠赴 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金趁王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 名戋术艮 签字日期：阳f 年细矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 铡芥段 签字日期：溯f 年够月) ；7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲喂彘 签字日期：刀f 年年月杉日 电话： 邮编： 车辆自动稳定杆控制规律的研究 摘要 车辆横向稳定杆是车辆独立悬架的重要组成部件，当汽车在转弯或者外界 环境( 包括路面的倾斜等) 作用下发生车身倾斜时，稳定杆的作用就显得非常 重要，它直接影响了车辆的安全性、平稳性和舒适性。车身倾斜时，横向稳定 杆相应的发生变形被动地提供反侧倾力减少了车身的侧倾程度。然而，随着汽 车技术的发展，由于自身的局限性目前的车辆横向稳定杆已经不能满足人们的 要求了。 本文中，首先简单介绍一种车辆自动稳定杆系统，相较于被动式的横向稳 定杆，它具有着更好的性能使车辆安全、平稳和舒适地行驶。该系统是在被动 式横向稳定杆的基础上研发而来，它有硬件和软件两个部分组成。硬件部分包 括传感器、稳定杆主体、液压元件、控制元件和活塞。软件部分即自动稳定杆 系统工作的控制规律。本文以该控制规律为主要研究对象。 控制规律的好坏决定了整个控制系统的成败，而且对于同一系统，不同的 控制规律也会导致该系统不同的工作状态。为了研究制定较为完善的控制规 律，第一步要建立起准确、简单、完善的数学模型；第二步要分析自动稳定杆 系统的工作状态，即该系统什么条件下工作且不同条件下怎么工作；第三步利 用被动式横向稳定杆的工作参数，以此为基础计算并总结出自动稳定杆的控制 规律。 在a d a m s 软件中建立车辆转弯行驶的模型，利用该软件仿真模拟，在相 同转弯条件下比较未安装稳定杆、安装被动式横向稳定杆和安装自动稳定杆系 统三种情况下的车辆的行驶状态，分析得出自动稳定杆系统的优越性，体现开 发自动稳定杆系统的重要意义。 关键词：横向稳定杆，自动稳定杆系统，控制规律，a d a m s r e s e a r c ho nc o n t r o ll a wo fv e h i c l ea u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a r s y s t e m a b s t r a c t v e h i c l es t a b i l i z e rb a rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nw h e n t h eb o d ys w a y st a k e sp l a c eb yt u r n i n gac o r n e ro re x t e r n a le n v i r o n m e n t ( i n c l u d i n g r o a dt i l t ，e t c ) ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h es a f e t y ，s t a b i l i t ya n dc o m f o r to ft h ev e h i c l e t h es t a b i l i z e rb a rp r o v i d e sap a s s i v ea n t i - r o l lf o r c et or e d u c e dt h el e v e lo fb o d y r o l l ，w h i c hp r o v i d e d b yi t so w np a s s i v e d e f o r m a t i o n h o w e v e r , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v et e c h n o l o g yt h ec u r r e n tv e h i c l es t a b i l i z e rb a rc a nn o t m e e tp e o p l e sr e q u i r e m e n tb e c a u s eo fi t sl i m i t a t i o n s an e wv e h i c l ea u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a rs y s t e mi sd e s c r i b e d b r i e f l yi nt h i s a r t i c l e ，w h i c hh a sab e t t e rp e r f o r m a n c ef o rd r i v i n gv e h i c l es a f e l y , s t a b l ya n d c o m f o r t a b l yc o m p a r e dw i t hp a s s i v es t a b i l i z e rb a r t h ev e h i c l ea u t o m a t i cs t a b i l i z e r b a rs y s t e mi ss t u d i e df r o mt h eb a s eo fp a s s i v es t a b i l i z e rb a r , w h i c hi sm a d eu po f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ei n c l u d e ss e n s o r s ，m a i nb o d yo fs t a b i l i z e rb a r , h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，c o n t r o lc o m p o n e n t sa n dp i s t o n s o f t w a r ei st h ec o n t r o ll a w f o rw o r k i n go fa u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a rs y s t e m t h ec o n t r o ll a wi st h em a i no b je c t o fs t u d yi nt h i sa r t i c l e t h eq u a l i t yo ft h ec o n t r o ll a wi st h ek e yf o rs u c c e s so rf a i l u r eo ft h ew h o l e c o n t r o ls y s t e m ，a n dd i f f e r e n tc o n t r o ll a w sc a nl e a dt od i f f e r e n tjo b si nt h es y s t e m f o rt h es a m es y s t e m t h e r ea r et h r e es t e p st od e v e l o pam o r ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o l l a w t h ef i r s ts t e pi se s t a b l i s h i n gam a t h e m a t i c a lm o d e lo fa c c u r a c y ，s i m p l i c i t ya n d i n t e g r i t y t h es e c o n ds t e pi sa n a l y z i n gt h ew o r k i n gs t a t u so fa u t o m a t i cs t a b i l i z e r b a rs y s t e m ，w h i c hm e a n sw h a tc o n d i t i o ni tw o r k si na n dh o wt ow o r ki nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s a n dt h et h i r ds t e pi sc a l c u l a t i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec o n t r o ll a wo ft h e a u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a ro nt h eb a s eo ft h ew o r k i n gp a r a m e t e r so fp a s s i v es t a b i l i z e r b a r t h em o d e lo ft u r n i n gv e h i c l ei sc r e a t e da n dt h ev e h i c l es t a t ew i t h o u ts t a b i l i z e r b a r ，w i t hp a s s i v es t a b i l i z e rb a ra n dw i t ha u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a rs y s t e mi nt h es a m e t u r na r es i m u l a t e da n dc o m p a r e di na d a m s ，w h i c hd r a w st h ec o n c l u s i o no f s u p e r i o r i t yo fa u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a rs y s t e ma n dr e f l e c t st h ei m p o r t a n c eo ft h e d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a rs y s t e m k e y w o r d s ： s t a b i l i z e rb a r ；a u t o m a t i cs t a b i l i z e rb a rs y s t e m ；c o n t r o ll a w ； a d a m s 致谢 本论文是在导师一一黄康教授的悉心指导下完成的。黄康老师知识渊博， 治学严谨，对学术问题精益求精的精神，使我受益匪浅。在这三年的研究生学 习生涯中，我从导师身上不仅学到了许多科学文化知识，还学到了如何正确认 识问题，克服困难的精神。这将对我将来的生活产生重大影响。我深深的感谢 老师这三年来给予我的无微不至的关怀和照顾，感谢老师在我做论文期间给予 的认真指导。 同时也要感谢机械设计教研室的所有老师，和2 0 0 8 级机械制造及其自动 化的所有同学、师兄师弟们，他们在我做课题期间给予了无私的帮助，在此也 表示诚挚的感谢。还要感谢我的父母对我的养育和教育。 最后感谢合肥工业大学研究生部为我提供了良好的学习和生活条件，使我 得以顺利地完成学业。 祝愿合肥工业大学的明天更美好! 钱根 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景：1 1 2 车辆被动稳定杆与自动稳定杆的综述2 1 2 1 车辆稳定杆的简介以及发展现状2 1 2 2 自动稳定杆系统简介以及国内外发展现状3 1 2 研究控制规律的目的与意义6 1 3 本文的主要研究内容7 第二章车辆自动稳定杆系统的数学模型8 2 1 自动稳定杆系统的结构简介8 2 2 自动稳定杆系统的建模9 2 3 数学模型的求解1 3 2 4 本章小结1 4 第三章车辆自动稳定杆工作状况及对应控制规律1 5 3 1 自动稳定杆控制规律的概述1 5 3 2 外界条件的影响1 5 3 3 稳定杆的强度限制：1 6 3 4 自动稳定杆控制规律的制定1 6 3 4 1 自动稳定杆系统的设计要求1 6 3 4 2 参考车型的相关参数与被动稳定杆的参数计算1 6 3 4 3 自动稳定杆系统控制规律的制定。2 2 3 5 本章小结2 6 第四章自动稳定杆典型工作状况分析及控制规律的验证2 7 4 1a d a m s 软件介绍【引2 7 4 2 某种相同行驶条件下三种情况的车辆的软件模拟与比较2 8 4 2 1 未安装有稳定杆的车辆的软件模拟仿真2 9 4 2 2 安装有被动稳定杆的车辆的软件模拟仿真3 4 4 2 3 安装有自动稳定杆系统的车辆的软件模拟仿真3 6 4 2 4 三种情况下的某些转弯条件下的曲线对比3 8 4 3 本章小结3 9 第五章总结与展望4 0 5 1 总结4 0 5 2 展望4 0 参考文献。4 2 攻读硕士学位期间发表的论文4 5 插图清单 图1 1 汽车独立悬架中的横向稳定杆结构位置图3 图1 2 改进前后的自动稳定杆系统a s b s 5 图2 1 一种液压式自动稳定杆的结构9 图2 2 一种机械式自动稳定杆的结构9 图2 3 自动稳定杆系统的结构示意图1 0 图2 - 4 装有自动稳定杆系统的侧倾车辆的简化模型1 1 图2 5 车辆的数学模型1 2 图3 1 被动稳定杆的模型1 7 图3 2 被动稳定杆简化模型1 8 图3 3 被动稳定杆最大位移时简化模型1 9 图3 4 装有被动稳定杆系统的侧倾车辆的简化模型2 0 图3 5 自动稳定杆系统的结构框图2 2 图3 - 6 控制单元判断车辆侧倾情况的流程图2 3 图3 7 第一类情况的控制规律流程图2 4 图4 1a d a m s 仿真时的车辆模型2 8 图4 2a d a m s 软件仿真时被动稳定杆模型2 9 图4 3a d a m s 软件仿真时自动稳定杆模型2 9 图4 4a d a m s 软件车辆参数设置3 0 图4 5 车辆侧倾行驶参数设置3 0 图4 6 条件下未安装稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 l 图4 7 条件下未安装稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 l 图4 8 条件下未安装稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 2 图4 - 9 条件下未安装稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 2 图4 1 0 条件下未安装稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 3 图4 1 1 未安装稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线对比图3 3 图4 1 2 条件下安装被动式稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 4 图4 1 3条件下安装被动式稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 4 图4 1 4条件下安装被动式稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 5 图4 1 5安装被动式稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线对比图3 5 图4 1 6条件下安装自动稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 6 图4 1 7条件下安装自动稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 6 图4 1 8条件下安装自动稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线3 7 图4 1 9安装自动稳定杆的车辆行驶中侧倾角位移变化曲线对比图3 7 图4 2 0在条件下三种车辆的行驶中侧倾角位移变化曲线对比图3 8 图4 2 l在条件下两种车辆的行驶中侧倾角位移变化曲线对比图3 8 图4 2 2在条件下两种车辆的行驶中侧倾角位移变化曲线对比图3 9 表格清单 表3 1 稳定杆刚度计算简化模型尺寸1 8 表3 2 被动稳定杆工作时对应参数表2 2 第一章绪论 1 1 选题背景 随着汽车制造业的迅速发展，越来越多的人们逐渐接触并使用各类汽车， 它在给人们的生活带了极大便利的同时，也带给人们了一个不可避免且非常严 重的问题一一车祸。车祸的后果不仅导致巨大的经济损失，也会带来严重的社 会问题，因此，减少车祸发生的方法一直是人们不停研究的目标。 据统计，在世界范围内车辆的侧倾事故( 简称“翻车 ) 占所有车辆事故的 4 0 ，它是一个严重而且非常广泛的问题。2 0 0 1 年，在英国仅有记录的就有5 7 3 次车祸事故是由于车辆发生侧倾导致的。一份来自于加拿大的调查显示，针对 那些运输危险液体的车辆发生的车祸，其中有4 5 的车祸是由于车辆侧倾导致， 而这些事故中有7 5 是发生在车辆转弯的时候。最近一项来自于美国交通运输 部门的数据统计显示在每年约7 0 0 次的恶性车祸事故统计中，大约有一半事故 是由于车辆侧倾导致。 车辆侧倾事故导致非常严重的经济与社会后果，危害巨大。对于驾驶员每 起侧倾事故平均大约需要花费7 5 0 0 0 到10 00 0 0 之间，包括事故车辆的修理， 损坏路面的维修，运输货物的损害替换等。另外每年约花费4 百万额外的间 接支出费用，比如受伤人员的医疗费用等。据估计，在英国每年大约要花费 5 0 1 0 0 百万的支出用于车辆侧翻事故。这些巨额的花费和导致的人生安全的 危害都迫使人们必须去防止侧倾事故的发生【l j 。 产生车辆侧倾的原因比较复杂，下面总结了几条，具体侧倾事故可能是多 个原因共同作用的结果。 ( 1 ) 通过反坡路段时容易翻车。因道路失修，加之暴雨冲刷或是路基发生 不均匀沉陷，使路面出现反坡，车辆在通过反坡路段时，受离心力的作用就会 翻车。这就需要驾驶员在行车中要视坡度及路面情况充分掌握好车速及方向， 并随时加强观察，确保车辆安全行驶。 ( 2 ) 雨后及冰雪路面容易翻车。夏季在下雨的天气行车，冬季在冰雪路面 上行车，都会使车辆轮胎与路面的附着力降低，致使车辆出现侧滑、摆头等现 象。如果车速较快，很容易发生翻车。在下雨天气及冰雪路面上行车时，要保 持高度警惕，特别要注意保持适当车速，并把握好方向盘。 ( 3 ) 山路行驶容易翻车。山路上坡下坡，绕来绕去，且大都路面狭窄，给 行车带来不小的困难，常会发生翻车事故。在山路上行驶时要特别小，i i , ，要根 据上坡下坡控制好车速，并做好急刹车的准备，做到减速慢行，更不能强行超 车。 ( 4 ) 在急拐弯时容易翻车。车辆在急拐弯时，会产生巨大的离心力，使车 辆失衡，导致翻车。在遇到急拐弯路段时，务必要放慢车速，尽力避免会车和 采用紧急制动，做到平稳运行。 ( 5 ) 许多突发性机械故障容易翻车。例如，刹车失灵、轮胎脱落、轮轴断 裂等，往往引起翻车事故。这就需要驾驶员对车辆要加强日常的保修保养，发 现故障，及时排除，使车辆经常处于完好状态。 总结上述几个原因，在车辆行驶过程中，由于道路不平问题、急转弯问题、 车辆某侧轮胎突然漏气问题等会使车辆重心位置瞬间大范围的变化，极易导致 车辆向某侧倾斜，最后产生翻车事故。 因此，不考虑主观原因( 驾驶员的问题) ，为了降低车辆翻车的风险，可以 采用尽量减少车辆行驶过程中的侧倾角度的方法，即在设计与改进车辆时可以 增加车辆悬架部分的刚度，减小变形。因此在增加悬架刚度的同时，也设计出 汽车横向稳定杆来增加车体的刚度。 稳定杆是车辆独立悬架系统的重要安全组件，在车辆转弯或外界环境导致 倾斜时可提高操作的稳定性，保证行驶安全性和舒适性。其作用是防止车身在转 弯等情况下发生较大的背离转弯中心的横向侧倾。随着国内汽车的迅猛发展， 对车辆安全性和舒适性的要求越来越高，稳定杆也越来越开始引起人们的关注。 1 2 车辆被动稳定杆与自动稳定杆的综述 1 2 1 车辆稳定杆的简介以及发展现状 横向稳定杆，又称防倾杆，是车辆悬架部分的一种辅助弹性元件。它的作 用是防止车身在车辆转弯或者外界环境导致倾斜时发生过大的横向侧倾现象。 目的是防止汽车行驶时发生横向倾翻和改善车辆左右的平衡性，减少驾驶员感 觉到的侧倾程度。目前国内横向稳定杆是用弹簧钢制成的扭杆弹簧，形状呈“u ” 形，横置在汽车悬架部分的前端和后端。杆身的中部，用套筒与车架铰接，杆 的两端分别固定在左右悬挂上。车辆行驶时，如果车身只作垂直方向变化时， 两侧悬挂变形相同，横向稳定杆随着车身左右两端不产生相反的变形，此时稳 定杆不起作用。当车身发生侧倾现象时，两侧悬挂跳动不一致，则横向稳定杆 两端产生相反的变形，稳定杆发生扭转，杆身的弹力变成了减小侧倾的阻力， 起到横向稳定的作用j 。 横向稳定杆的工作状态：左右两轮行经相同的路面凸起或凹坑，防倾杆并 不会产生作用。但是如果左右轮分别通过不同路面凸起或凹坑时，也就是左右 两轮的水平高度不同时，会造成杆身的扭转，产生防倾阻力( r o l lr e s i s t a n c e ) 抑制车身滚动。也就是说当左右两边的悬吊上下同步动作时防倾杆就不会发生 作用，只有在左右两边悬吊因为路面起伏或转向过弯造成的不同步动作时防倾 杆才产生作用。过弯时因防倾杆的作用可以降低车身侧倾的程度，并改善轮胎 的贴地性。侧倾程度减少会使外侧车轮的承受的荷重减少：且降低内侧车轮荷 2 重减少的量。从而使车身侧倾程度减下。 横向稳定杆只有在作用时才会使行路性变硬，不像硬的弹簧会全面的使行 路性变硬，这是他不同于普通的大刚度弹簧的特点。如果要完全靠弹簧来减少 车身的侧倾那可能需要非常硬的弹簧，更要用阻尼系数很高的避震器来抑制弹 簧的弹跳，这样一来我们就必须去承受硬的弹簧和避震器所造成诸如行路性、 行经不平路面时循迹性不良的后遗症。但是如果配合适当的防倾杆不但可以减 少侧倾，更不必牺牲应有的舒适性和循迹性。因此，防倾杆和弹簧的搭配是协 调行路性和操控性的最可行方法。 横向稳定杆在汽车悬架系统中安装位置如图1 1 所示。 图1 1 汽车独立悬架中的横向稳定杆结构位置图 目前，汽车上安装的横向稳定杆的结构几乎都如图1 1 所示，为了便于区 别对待，本文称为“被动稳定杆 。因为该类稳定杆是随着车辆的变形而变形的， 属于被动的工作。被动稳定杆经过了多年的发展，已经取得了很大成绩，产品 已经普及各类汽车中，为了符合不同的车辆底盘布置可以设计出各种形状的被 动稳定杆，不仅可以满足人们对力的要求，而且也充分的考虑到使用寿命的问 题，同时随着各种合金材料的研究使用，被动稳定杆在满足要求的前提下被设 计的越来越轻，甚至已经出现了空心的被动稳定杆。随着被动稳定杆的进一步 研究，人们对它的要求也随之提高，不断的开发新的类型的稳定杆，此时，自 动稳定杆的研究已经逐步开始了。 1 2 2 自动稳定杆系统简介以及国内外发展现状 ( 1 ) 自动稳定杆系统简介 稳定杆在设计之初是以增加悬架的侧倾刚度减小车辆侧倾角为目标的，但 随着稳定杆技术的逐渐成熟，人们对它的要求也在提高，例如更大的减小侧倾 角，更安全的行驶，在安全性的基础上更多的考虑安装稳定杆后的车辆舒适性 等都被提出。然而仅在被动稳定杆的形状结构上修改已不能达到新的要求，此 时开发出了新的稳定杆，本文称为，自动稳定杆系统 。 常规装有横向稳定杆的被动悬架很难同时满足乘坐舒适性与操纵稳定性的 要求，而且无法实时调整悬架的侧倾刚度并且调整的范围很有限。在高速转向 时车辆易产生侧倾，侧倾过大容易使驾驶员产生疲劳和不安全感p j 。 自动稳定杆系统是在被动稳定杆的基础上发展而来的，并且在结构上以被 动稳定杆为基础，般是增加了自动控制部分与激励器，激励器包括机械式与 液压式，本文的对象是液压式自动稳定杆系统。自动稳定杆系统的工作原理也 很简单，利用传感器采集车辆行驶时的一些必要的信号，根据已制定好的控制 规律，通过控制单元控制执行机构及时、合理的工作。相较于被动稳定杆它的 优点很明显，能在车辆产生侧倾趋势时活塞工作给车辆快速施加反侧倾力矩， 减少车身侧倾程度和减缓车身的侧倾速度，同时增大独立悬架的轮胎法向力， 从而改善车轮与路面的附着状况等，另外，自动稳定杆系统的工作范围可以根 据车辆的不同需要进行设计，能最大程度上保证车辆的安全、舒适行驶。 ( 2 ) 自动稳定杆系统的国内外发展现状 目前，国外公司在车辆主动侧倾控制系统研究开发方面已经积累了丰富经 验，且设计和分析手段先进，试验规范，有一系列的标准，能够满足新型汽车 开发的需要。现有产品如，为宝马、福特、标志、现代等汽车企业提供的半主 动控制流体悬架系统和主动平衡杆系统，从产品的应用来看受到广泛好评，提 高了车辆的驾驶性能和越野性能，更好的防止翻车。 2 0 0 4 ，美国d e l p h 公司在法国m o r t e f o n t a i n e 举办的“r i d e d r i v e 试 驾会上，公开了能够对反作用力进行电控的稳定器一一“自动稳定杆系统 ( a c t i v es t a b i l i z e rb a rs y s t e m ，a s b s ) 。该系统已经配备于“l a n dr o v e r d is c o v e r y ( 陆虎发现者) 和“j e e pg r a n dc h e r o k e e ( 大切诺基) 等s u v 上，此次公开的是名为“t w oc h a n n e ls y s t e m ”的新型系统。其特点在于，过 度转向和转向不足时能够独立控制前后稳定器的反作用力。在此次试驾会上， 同“e s c2 0 ”一起配备到了戴姆勒克莱斯勒的“m c l a s s 上，2 0 0 5 年上市。 2 0 0 8 年，德尔福又推出据称“世界上最先进的防侧翻控制系统一一一新 型自动稳定杆系统( a s b s ) ，据悉，这是迄今为止第一个能够实现中心交叉控制 的稳定杆系统，其重量和体积也仅为上一代系统的4 0 和6 5 左右。 b w i 集团公司致力于刹车及车辆底盘系统研发，2 0 1 0 年，该公司公开其最 新技术进展，其中重要的一项是改进后的紧凑版自动稳定杆系统a s b s 。与之前 的型号相比，改进型系统的全重削减约3 0 。如图1 2 所示： 4 图1 2 改进前后的自动稳定杆系统a s b s 另外，b m w 5 系列轿车的车身行驶时不会剧烈摇摆主要因为自动稳定杆系统 很大程度上消除了操作性能和振动控制之间的利益冲突，该系统能够把弹簧和 减震器调节到振动控制和驾驶舒适的最佳水平。主动防侧倾系统有2 个主动防 侧倾稳定杆、1 个集成有传感器的阀体、1 个双机油泵、1 个加速计、1 个控制 单元和一些附加的辅助部件组成。其中的关键因素就是取代了前后桥上传统的 机械防倾杆的2 个主动防侧倾稳定杆。主动防倾杆或者执行元件是由1 个液压 旋转马达组合1 个旋转马达轴及壳体组成，并分别与半段防侧倾稳定杆相连。 行驶中，主动防侧倾系统几乎吸收了所有的摇摆运动，比如在市区交通中， 可以维持横向加速度o 3 9 以下车辆的完全平衡。在向前直线行驶时，由于防侧 倾稳定杆的2 个半段是断开的，避免了讨厌的”复制效果”，所以即使是在颠簸 的道路上，汽车的乘员也可以享受到最佳的悬架舒适性，而且b m w 5 系轿车可以 平稳地通过长长的弧形弯道，不会出现讨厌的侧摆或摇晃。即使在蜿蜒的乡间 道路上高速行驶，那里有的驾驶者可以开到较大的横向加速度，这时系统可以 减少8 0 甚至更多的车身摆动。在以变换车道或快速转动方向盘为代表的运动 驾驶情况下，主动防侧倾系统通过控制规律对汽车的转向行为进行控制。这样 就会带来更出色的行驶准确性并改善负载变化特性，实际上就意味着更高的主 动安全性。 在国内，暂无生产制造自动稳定杆系统的汽车企业，也不具备自主开发的 能力。仅有少数的高校对主动侧倾控制系统进行研究，如华中科技大学、南京 航空航天大学、吉林工业大学、合肥工业大学等，对自动稳定杆系统的研究有 一定的突破，结构部分采用液压结构或电机结构，液压部分采用比例电磁阀， 伺服阀或电磁开关阀，控制方法则有多种，如模糊控制、脉宽调制等。 1 2 研究控制规律的目的与意义 自动稳定杆系统属于自动控制系统。自动控制系统是指在无人员直接参与 下使生产过程或者其他过程按照预定的规律或者程序自动进行的控制系统。自 动控制系统是实现自动化的主要手段【4 】。 按控制原理的不同，自动控制系统可以分为开环控制系统与闭环控制系统 两大类。 在开环控制系统中，控制系统的输出只受到系统输入的影响，控制精度和 抑制外界干扰的能力都比较差。开环控制系统中，以时间顺序进行逻辑控制的 称为顺序控制系统。由控制单元、检测单元、执行机构、和被控对象组成。主 要应用于机械，化工，物料运输等过程控制及某些生产线中。 在闭环控制系统中，在反馈原理基础上，反馈装置检测输出量与期望值的 比较，利用它们的偏差对系统进行控制，可以获得较好的控制性能。闭环控制 系统又称为反馈控制系统。 自动控制系统的优点大致分为以下几个方面【4 j ： ( 1 ) 自动进行达到人们预定的要求，不需要人为的直接参与。由于自动控 制系统是根据规律或者程序自动工作，这样就避免了人自身操作导致的误差， 包括操作失误和判断失误。同时，也节约了人力，降低了人们的工作强度。 ( 2 ) 自动控制系统节约能量。与人为控制比较，自动控制系统能更准确和 及时的检测外界环境变化，迅速的改变工作状态，进行下一步的控制。能减少 系统工作的时间，节约了能量。 ( 3 ) 高品质的效果。在设计自动控制系统的过程时，研究人员以最满意的 工作效果为设计目标，全面的分析，综合了各种状况。因此自动控制系统具有 较高的品质。 自动稳定杆系统有硬件设备与软件两大部分组成。硬件设备包括信号检测 装置、控制装置、执行装置、显示装置等。软件包括控制规律以及将控制规律 转变为可以控制整个系统的程序。 对于一套自动控制系统，相同的硬件设备，使用不同的控制规律能达到不 一样的控制效果。控制规律的好坏尤为关键，它决定了这套系统的成功与否。 在制定控制规律时，需要研究人员全面分析，考虑到各种有可能发生的变化， 制定出完善及合理的规律，而且，控制规律研究的越早，也能影响硬件设备的 选择。否则，在设计的后期才考虑控制规律，可能导致为了符合已有的设备而 选择了功能并不是最完善的控制规律，从而导致自动控制系统大打折扣1 5 j 。 在自动稳定杆控制系统中，控制规律的好坏，也决定了这个产品是否成功。 并且，作为影响车辆行驶状态的稳定杆，它有个更重要的意义，即保证车辆行 驶时更加的安全与舒适。所以，它的控制规律必要严谨合理，能及时、完美的 工作从而达到人们对它的期望。 6 本文在制定稳定杆控制规律，是基于闭环控制系统的基础上，利用反馈控 制获得较高的控制性能。 1 3 本文的主要研究内容 对车辆稳定杆这类产品进行分析，弄清楚它的结构、工作原理以及作用。 在被动稳定杆的基础上引出自动稳定杆系统，简单介绍了自动稳定杆的组成与 作用，并与被动稳定杆进行了比较，得出自动稳定杆系统的优越性和可开发性， 同时也介绍了自动稳定杆系统的复杂性，最终引出了系统正常工作的最重要的 部分一一控制规律。本文的主要研究对象是自动稳定杆系统的控制规律，具体 内容如下： ( 1 ) 简单介绍了两种类型的稳定杆，并对它们进行简单的比较，确定了本文 研究的对象； ( 2 ) 对车辆的行驶状态进行研究，以稳定杆为中心，得出简化的车辆侧倾模 型，并在此基础上得出了简化的包含有自动稳定杆系统的数学模型以及 具体的参数； ( 3 ) 针对数学模型，制定控制规律。首先，自动稳定杆系统的开发是来自于 被动稳定杆，所以对被动稳定杆的工作参数，做了一些必要的计算，得 出参考数据。其次，简化自动稳定杆系统的工作，利用上述数据，在此 基础上制定系统工作的控制规律； ( 4 ) 简单介绍a d a m s 软件，并利用a d a m s 仿真车辆行驶过程中的状态， 并得出稳定杆的作用以及两种稳定杆的功效对比，同时验证制定的控制 规律。 7 第二章车辆自动稳定杆系统的数学模型 在自动控制系统的分析和设计过程中，首先必须要建立系统完善的数学模 型。自动控制系统的数学模型是描述系统内部物理量( 或变量) 之间关系的数学 表达式。在静态条件下( 即变量各阶导数为零) ，描述变量内部关系的关系式称 为静态数学模型；而描述变量各阶导数之间关系的微分方程叫动态数学模型。 如果已知输入量及变量的初始条件，对微分方程求解可以得到系统输出量的表 达式，并由此可对整个系统进行性能分析【5 1 。因此，建立自动控制系统的数学 模型是分析和设计自动控制系统的首要工作。 自动稳定杆数学模型是稳定杆工作过程的数学描述，即用数学方程式、图 表、函数曲线等近似反映真实的自动稳定杆系统的工作，是关于自动稳定杆系 统设计参数和使用条件与稳定杆性能参数之间的数学关系的表达。根据本文研 究的目的，需要推导出自动稳定杆较完善的数学模型。系统的数学模型的形式 多样化，一般可分为：线性和非线性的；确定的和随机的；定常和非定常的： 连续和发散的；实时和非实时的等。 建立自动控制系统数学模型的方法有两种：分析法和实验法。分析法是对 系统各部分的运动机理进行分析，根据它们所依据的物理规律或其它规律分别 列写相应的运动方程和关系式。例如，力学中有牛顿定律，电学中有基尔霍夫 定律，热力学中有热力学定律等。实验法是指人为地给系统施加测试信号，记 录其对应的输出响应，并用适当的数学模型去逼近，这种方法也称为系统辨识。 近来，系统辨识已发展成一门独立的学科分支。本文中采用分析法建立自动稳 定杆系统的数学模型【5 1 。 2 1 自动稳定杆系统的结构简介 自动稳定杆系统由稳定杆主体与激励器单元两大部分组成。通过控制单元 发出控制信号，驱动激励器按照预定的规律工作，从而迫使稳定杆主动的产生 变形，提供反侧倾力。因此，激励器的结构设计决定了稳定杆的工作原理。一 般分为液压式、机械式两种。如图2 1 和图2 2 所示。图2 1 中，安装在中间 的活塞运动时，能给稳定杆提供扭矩，使稳定杆两端产生位移达到调整车辆侧 倾的目的。在图2 2 中，自动稳定杆结构分为两部分，中间装置通过电机带动 使稳定杆两端产生位移l o j 。 8 图2 1 一种液压式自动稳定杆的结构 图2 2 一种机械式自动稳定杆的结构 2 2 自动稳定杆系统的建模 本文研究的自动稳定杆系统采用液压式激励，以奇瑞某型轿车为实验车辆， 目前，该型车辆采用的是被动稳定杆，安装方式如图1 1 所示，被动稳定杆的 两端使用连杆与车辆悬架连接。本次开发自动稳定杆系统过程中，结构上以被 动稳定杆为基础，不改变稳定杆主体弯曲形状，避免安装时与车辆底盘的结构 发生冲突，且安装位置不变化，最大的改变就是用一套活塞杆作为激励器，取 代起连接作用的一侧连杆，如下图2 3 所示。 9 图2 3 自动稳定杆系统的结构示意图 为了开发设计出该自动稳定杆系统，首先必须建立一个简单的侧倾车辆的 模型。该模型如图2 4 所示，图中显示簧上质量即车体向一侧发生倾斜。车辆在 转弯时，车体向着转弯方向的反方向侧倾。图中车辆的行驶方向应该为向前方 行驶同时向左边转弯。稳定杆的作用是在转弯时减少车辆的侧倾角，当侧倾较 大时不能完全使车体到达水平状态，因此还是存在一定的侧倾。该模型有2 个 自由度，即簧上质量的侧倾角和自动稳定杆的侧倾角。车轴被定义为刚性，所 以簧下质量的侧倾角可忽略不计。车辆是有着2 根或者多根轴，该模型认为图 中车轴的性能等同于实际中多根车轴的性能总和。悬架中心与簧上质量的质心 的连线与垂直方向的夹角被定义为簧上质量侧倾角矽e l l 。 该图2 - 4 中，标出了行驶方向，车辆为正前方同时左边转弯行驶，车簧上 部分向背离转弯中心倾斜，力m l a v 被认为是在非惯性系中( 以车底为参照系) 导致簧上部分发生侧倾的力，本文称为侧倾力。 该模型的动力学方程如下： 厶+ c j + ( 瓯一m l 幽弦一m l 口，h + z 乙= 0 ( 2 - 1 ) l 帕织+ k 舶办+ 瓦仲= 0 ( 2 - 2 ) 2 尝( 2 - 3 ) 式中： i b ：簧上质量的转动惯量： g ：悬架的侧倾阻尼； 1 0 k h ：悬架的侧倾刚度； m l ：簧上质量； 口y ：簧上质量的横向加速度； t a c t ：激励器提供的转矩； t o , b ：稳定杆主体变形提供的转矩； k ：稳定杆的转动惯量； y 。：活塞的位移( 与平衡位置比较) ； d a ：激励器与悬架中心的横向距离。 方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 是簧上质量和自动稳定杆瞬时平衡方程，方程( 2 3 ) 将两 个自由度的角度值与激励器的位移量联系起来。稳定杆的惯量远小于车身的转 动惯量，可忽略不计。 图2 - 4 装有自动稳定杆系统的侧倾车辆的简化模型 由 对于整个自动稳定杆系统，液压部分是必不可少的。因此为了使模型设计 更加合理，液压元件和激励器的数学模型也应考虑。建立包含有液压元件、激 励器和整体车身数学模型如图2 5 所示。图中包括一个完整的数学模型，它将 阀和激励器这两个液力元件组成了一个包含有类似直线的两自由度侧倾模型。 控制系统通过控制电磁阀的工作，驱动安装在稳定杆主杆上的液压单元活塞的 位移，活塞位移的变化能调整簧上质量的侧倾状态，最终达到减小车辆侧倾的 目的。 图2 5 车辆的数学模型 该模型液压部分关系式如下： t a c t = 2 f a o 兄= a a p 鱿= 矾+ p + 老面 式中： 只：激励器提供的力； 绞= k ，x ，一k p 时 1 2 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) a ：活塞的横截面： a p ：压力差； q ：流量： c , p ：活塞的泄露系数； 杉：高压下油的体积； 忽：油压系数； x 。：阀芯的位移； k 。：阀总压力系数。 公式( 2 4 ) 表示激励器提供的力与激励器的转矩的转化关系( 自动稳定杆系 统中将一边的连杆用活塞代替，因此可以认为另外一端的连杆也产生了相等的 扭矩) ； 公式( 2 5 ) 表示激励器提供的力与活塞压强的关系； 方程( 2 6 ) 表示的是流量与活塞的速度，横截面，以及油压的泄漏和压缩之 间的关系； 公式( 2 7 ) 表示的是液压阀的特性，即液体流量通过阀的位移和活塞表面压 强来表示。 另外，当活塞模块处于“自由 或者“自锁 状态时，自动稳定杆系统的 工作状态也是不相同的。在活塞“自动 状态下，激励器是自由活动的并不能 提供任何力去减小车辆的侧倾( 系统中微小摩擦忽略不计) ，所以导致 乙，=f=，此时相当于稳定杆失去作用，或者车辆未安装任何稳定杆。o 0 在活塞“自锁”状态下，另一部分由于活塞被锁死在固定的一个位置，不 能收缩与扩张，活塞位移的y 。= 0 ，此时活塞部分等同于另一侧的连杆，只有 自身的弹性变形去调整车辆的侧倾，因此该系统相当于被动式稳定杆。 2 3 数学模型的求解 从方程( 2 1 ) 到方程( 2 7 ) ，七个方程构成了有九个未知量( ，a ，y 口， 乙，兄，p ，骁，x ，) 的方程组，所以必须要有两个上述量是明确的才可以 求解。在这个模型中，假如参数x ，和a ，是输入量，而参数是作为整个稳定 杆控制系统需要被求解的输出。 因此，利用l a p l a c 。e 转化关系，得出如下的方程式： 其中： 7 七= g l ( j ) x ，+ g 2