半主动悬架的汽车防侧翻控制

半主动悬架的汽车防侧翻控制

静态稳定性系数根据多段研究和研究，高心率和狭窄间距的汽车容易发生侧壁事故，因此，这些车辆的侧壁防护尤为重要。避免侧翻事故主要包括两个方面的任务:侧翻预测和防侧翻控制。针对汽车的侧翻预测,美国汽车工程师协会定义了一种静态稳定系数,它表示为1/2轮距与质心高度的比率。该系数可衡量汽车的侧倾稳定性。然而,静态稳定系数的计算未考虑悬架和轮胎变形对汽车侧倾稳定性的影响。为此,人们提出采用汽车行驶过程中的侧倾角或侧向加速度等状态变量建立侧翻预测模型。文献[1]中提出了一种TTR(time-to-rollover)方法,通过建立一个TTR时间指数来估计汽车临近侧翻的程度。文献[2]中提出了一种基于改进TTR的侧翻预警方法,避免了质心位置和荷载等参数变化对预警效果的影响。文献[3]中通过计算侧翻指标来捕捉汽车一侧轮胎即将离地时的侧翻临界状态。针对防侧翻控制,人们先后尝试过多种方式,如差动制动1汽车侧翻危险度的计算汽车侧倾动力学和垂向动力学可用半车模型来表示(见图1),左右两侧悬架弹簧的压缩和回弹在引起汽车垂向运动的同时,还会影响汽车的侧倾状态。图中,半车的簧载质量为m基于上述半车模型,通过计算汽车的侧翻指标来判断汽车的侧翻危险程度。该方法可预测到汽车某一侧轮胎即将离地的“紧急情况”。忽略汽车的垂向运动,即汽车的垂向受力总和为汽车的重力。定义汽车侧翻指标(rolloverindex,RI)为式中F车轮离地时F式中:m由式(2)可知,当汽车作直线运动时,其侧向加速度和侧倾角均为零,即侧翻指标为零,此时可认为汽车发生侧翻的危险程度亦为零。显然,根据侧翻指标的定义可知其绝对值不能超过1,即|RI|≤1。当|RI|值接近1时,表示汽车临近侧翻状态。2防侧翻控制cdc基于半主动悬架的汽车防侧翻控制采用连续减振控制器(continuousdampingcontrol,CDC)。它是一种分层式结构,分为上层控制器和下层控制器(见图2)。上层控制器根据防侧翻控制目标,采用滑模控制方法计算并输出期望侧倾力矩,由下层控制器执行;下层控制器根据期望侧倾力矩,采用线性插值方法,计算出半主动悬架中各减振器的输入电流。2.1系统的正确理解针对上层控制器建立汽车侧倾动力学模型为式中:I式中:K采用滑模控制方法,控制系统的输入为M定义滑模面s为式中:λ为一正实数;y其中f=m(a式中:c为期望的侧倾角,一般选为0。然后,选取接近条件如下:式中:η为控制增益;Ф为滑模面边界宽度;K为系统的不确定性,它们均为正的常数。综合滑模面的定义与接近条件,可计算得到汽车即将侧翻时,半主动悬架产生的等效力矩u即:该等效力矩即可作为上层控制器输出的期望侧倾力矩M2.2减振器的输入电流根据汽车防侧翻目标,下层控制器依据上层控制器计算出的期望侧倾力矩M减振器的阻尼力可表示为控制输入u式中k为阻尼力与减振器两端相对速度的比率,即阻尼系数。对每条阻尼力曲线都存在一条“替代直线”,如图3(b)中的虚线所示。减振器的阻尼系数在一定范围内连续变化,且与输入电流存在一一对应的关系。因此,可将减振器的输入电流作为下层控制器的控制变量采用线性插值法,便可得到减振器任意阻尼力对应的输入电流。针对上层控制器计算出的期望侧倾力矩,计算得到每个减振器的输入电流如下。式中:i因此,下层控制器设计主要基于线性减振器模型,即阻尼力与减振器两端相对速度呈线性关系。这种线性化过程既能简化控制设计过程,又有利于控制系统的实际应用。3向角输入至物理极限的工况,模拟汽车侧翻危险J-turn和Fishhook都是转向角输入至物理极限的行驶工况,它们均能模拟出汽车的侧翻危险。为分析基于半主动悬架的CDC的控制效果,针对某款客车3.1cdc作用下的侧翻行为如图5所示,在无CDC作用的情况下,汽车在5s后会出现振荡,然后逐渐发散,这表明汽车到达非稳态,所建立的动力学模型也开始失效,侧翻事故不可避免。在有CDC作用后,侧倾角始终限制在3°以下,同时侧翻指标一直保持在0.8以内,并逐渐降低至0.4以下。CDC对于提高汽车防侧翻能力的作用较明显。3.2丧失稳定性测定同样,在Fishhook工况下,汽车无CDC作用时,会在5s后丧失稳定性;在有CDC作用后,汽车的侧翻指标、侧倾角和侧向加速度等始终限制在一定范围内,能够满足防侧翻控制的要求,如图6所示。4减振器的选择利用半主动悬架改善汽车在紧急情况下的侧倾稳定性,通过控制半主动悬