汽车侧翻稳定性与预警综述

汽车侧翻稳定性与预警综述摘要：近年来，汽车侧翻事故作为重要的安全问题，受到越来越多的关注。美国高速公路交通安全管理局统计数据表明，在汽车事故中，侧翻的危害程度仅次于碰撞事故居第二位。然而，我国目前针对高速急转弯时汽车侧翻动态稳定性及预警方面的研究还很少。因此，本文总结归纳了目前主流侧翻稳定性模型，侧翻预警的硬件系统与算法。通过仿真来计算侧倾角，来得测算汽车侧翻稳定性。以及时下最为新颖的通过DPS来获得汽车的侧倾角，横向加速度等数据来预警。本文比较了各种方案的利弊，对目前汽车的侧翻稳定性分析及预警研究做了一定程度的综述。关键字：侧翻模型，侧翻控制器，预警算法，侧翻仿真，GPS侧翻控制系统Abstract:inrecentyears,themostimportantsafetyproblemsasvehiclerolloveraccident,hasattractedmoreandmoreattention.HighU.S.Highwaytrafficsafetyadministrationstatisticsshowthat,inacaraccident,harmdegreerolloveraftertouchHitthehousesecond.However,China'scurrenthighspeedsharpturningvehicledynamicrolloverstabilityandrolloverwarningThestudyisalsoverylittle.Therefore,thispapersummarizesthecurrentmainstreamrolloverstabilitymodel,hardwaresystemandrolloverwarningalgorithm.Throughthesimulationtocalculatetherollanglemeasurement,moreautomobilesidetumblingstability.AndnowadaysthemostnovelthroughtheDPStogetthecar'ssideangle,lateralaccelerationandotherdatatoalert.Inthispaper,basedonthecomparisonoftheadvantagesanddisadvantagesofthevariousschemesonthecurrentcarrolloverstabilityanalysisandearlywarningresearchmadeacertaindegreeofreview.Keywords:rollovermodel,rolloverwarningalgorithm,controller,rolloversimulation,GPSrollovercontrolsystem1.汽车侧翻模型及动态稳定性分析1.1简明汽车模型建立模型为研究汽车侧翻提供了很大的便利。合适的模型可以直观反应汽车的运动状态。成光华在分析国内外有关汽车侧翻预警的研究基础上，建立了由“自行车模型”或侧倾平面模型组成的线性三自由度汽车侧翻模型。该模型不仅包含了汽车静态因数，也包含轮胎、悬架等造成的动态因数，是汽车侧翻预警算法和硬件在环仿真的基础。汽车侧翻预警算法中选用汽车的横向载荷转移率作为汽车是否发生侧翻的判断标准，根据汽车左右车轮的载荷LTR（Lateral-loadTransferRate）的变化，计算汽车模型当前状态距离侧翻的时间值TTR（Time-To-Rollover），对汽车侧翻状态及时地预警。而对于客车这类形状较为单一的运载工具。覃祯员建立了立柱模型，揭示了侧面结构。依据侧翻试验要求，客车应从水平位置缓慢翻转到不稳定角，在这个翻转过程中车辆不应出现摆动和受翻转速度的影响。在侧翻仿真模拟过程中，可以模拟车辆及翻转平台从水平位置翻转到不稳定角后车辆靠自身重力自由翻转撞击到刚性地面，但为了节省仿真计算时间，笔者将客车翻转过程中与地面接触时刻作为初始仿真时刻，并赋予车辆绕着旋转平台转轴作旋转，其初始翻转角速度ω计算方式如下:式中:m为车辆整备质量，mm;IXX为转动惯量，kgmm2;ΔH为车辆从不稳定角翻转到接触地面过程中其质心高度的变化量，mm;r为车辆在不稳定角位置其质心到翻转平台旋转轴的旋转半径，mm。通过刚性单元模拟生存空间，生存空间与车身地板骨架刚性连接，生存空间与车辆结构件、地面之间无需定义接触，目的是为了观察侧翻过程中侧面结构请入情况。笔者建立了某12m客车侧翻有限元仿真模型，如图4所示。1.2三自由度汽车模型金智林等人以运动型多功能汽车为研究对象，在车辆坐标系下建立了其线性三自由度侧翻模型。该模型包括横向、横摆以及侧倾方向的响应及其耦合影响，能反映影响运动型多功能汽车高速急转弯时侧翻的主要因素。此外，考虑汽车侧翻过程中引起的轮胎及悬架变形因素对车轮侧偏角的影响，建立了线性的轮胎动力学模型。1.3.1汽车侧翻动力学模型汽车侧翻动力学模型是研究汽车侧翻问题的基础，其形式和复杂程度因不同的研究目的而异。为了研究汽车侧翻动力学基础的一般规律，可以抓住汽车侧翻的主要特征，而对其它影响因素进行简化，建立简单的侧翻动力学模型。三自由度汽车侧倾模型[59-97]，是研究汽车侧倾运动的最为基础的模型。如图1.5所示，该模型由“自行车”模型和侧倾平面模型组成，包括汽车横向运动、横摆运动以及侧倾运动。运用理论力学可以得到这三个自由度方向反映汽车侧翻运动特性的数学模型，根据数学模型可以分析汽车侧翻指标以及汽车结构参数和随机因素对侧倾运动的影响。祝军等人分析汽车在侧翻和滚翻过程中的受力状态和轮胎或车身与路面的相互作用方式,建立汽车侧翻和滚翻的运动学和动力学模型,揭示汽车临界侧翻碰撞力与持续作用时间等参数的关系,推导侧翻车辆侧向速度的范围,确定滚筒模型中关键参数的选取方法。杨利勇利用具有可变形悬架和轮胎的汽车侧翻模型,分析了悬架及轮胎等因素对汽车侧翻的影响,推导出包括轮距变化、举升效应、轮胎转动惯性力矩等因素在内的汽车侧翻阈值公式,突出影响汽车侧翻的悬架因素,为评估悬架对汽车侧翻稳定性影响提供了理论依据。果忽略了悬架和轮胎侧偏的影响,汽车就视为刚性汽车。刚性汽车做稳态转向时,受力如图1所示。对弯道外侧轮胎的接地点取矩,则有:∑T=mgB/2-mayhg-FziB=0式中,m为汽车质量,g为重力加速度,B为汽车轮距,ay为侧向加速度,hg为质心高度,Fzi为转弯内侧的垂直载荷。当汽车转向时的侧向加速度达到侧翻阈值时,转弯内侧的轮胎载荷Fzi为零。因此侧翻阈值为:ayg=B/2hg忽略了悬架的影响和轮胎的侧偏,会使计算值比实际值大很多。因此,上式的计算结果通常用来比较汽车的侧翻稳定性。1.2具有可变形悬架的汽车侧翻模型具有可变形悬架的汽车侧翻模型的建立稳态转向中,车身会绕侧倾轴线转过角,即:=TK=mayhK(3)式中,T为作用在车身上的侧倾力矩;m为汽车的质量;h为质心到侧倾中心的距离;K为汽车悬架组合侧倾角刚度。其中,mhK表示汽车的侧倾率,即单位加速度的侧倾角。它表明,包括轮胎刚度在内的组合侧倾角刚度,会直接影响汽车的侧倾率。在轮胎发生变形(垂直方向)时,侧倾角会增大,如图2所示。图中,hr为侧倾中心高度,点C为汽车的侧倾中心。同时,车身的侧倾导致了汽车质心的侧向偏移,将使汽车轮距发生一定的变化。车身的侧倾使重心有了沿加速度方向的分力,这个分力反过来又加剧了车身的侧倾。余强等人针对被动悬架系统侧翻稳定性比较差的问题,提出采用主动悬架系统的方法进行改善。通过汽车侧倾运动状态分析,建立了被动悬架系统、主动悬架系统和控制系统模型。模拟分析得到主动悬架系统使得汽车在弯道行驶时的侧倾角有效值下降了92.8%,侧倾角加速度有效值下降了78.2%,侧翻因子有效值下降了92.6%。结果表明:利用主动悬架系统可以有效地降低汽车非直线行驶时的侧倾角以及侧倾角加速度,提高汽车的侧翻稳定性,是提高汽车非直线行驶状态下安全性的一个合理的解决方案。2.侧翻控制器2.1防侧翻控制器设计汤敏等人通过对侧向加速度信号反馈控制的方式，计算确定汽车所需的补偿横摆力矩ΔM，控制器算法采用经典的PID控制，输入为反馈信号的参考值和实际值的差值e，侧向加速度的参考值设置为0，即控制器的目标是减小扰动输入的作用，控制器的输出为补偿横摆力矩ΔM，该防侧翻控制流程图结构如图3.4所示。图3.4防侧翻控制流程图控制器的触发条件如3.1部分所讲的，当0.8thLTR≥LTR=时进行侧翻预警和触发控制器；施加制动的方式为外前轮制动的差动制动方式。翁建生等人为了减少汽车侧翻事故,提出了一种基于模型的汽车侧翻预警算法以及在预警基础上的防侧翻控制算法岑达希提出了主动转向技术可以主动改变转向角的大小来调整汽车的运动姿态。本文通过深入分析转向角大小对汽车侧翻的影响,采用主动转向来进行防侧翻控制,并进行了数值仿真分析,分析结果说明主动转向能够通过改变汽车的横摆角速度和侧向加速度来降低汽车的横向载荷转移率,从而提高了汽车的防侧翻能力。同时该分析结果为主动转向防侧翻控制设计提供依据。差动制动能够通过改变汽车的动力学特性来改变汽车的行驶姿态。本文通过分析单轮差动制动对汽车动力学特性的影响以及差动制动防侧翻控制的基本原理,建立了基于横向载荷转移率的汽车差动制动防侧翻动力学模型,并在此基础上进行数值仿真研究。通过比较了差动制动与普通制动的防侧翻效果来说明差动制动的优越性,然后研究分析了差动制动时制动力大小对汽车运动姿态的影响,为防侧翻控制设计提供依据。械式主动转向系统的主要工作原理为汽车行驶的运动状态参数由传感器测得,主要参数包括车速,横摆角速度。,方向盘转角占、等,按照预先编制好的控制逻辑,设定附加转角占。的目标值,并通过执行机构将氏叠加到方向盘转角上,实现总的前轮转角今。这样,可以使得转向盘转角和前轮转角的传动比根据汽车的实际行驶状态而发生连续的变化,从而提高汽车的操纵稳定性。那么主动前轮转角应为双行星齿轮机构产生的前轮转角与伺服电机通过转向机构产生的前轮转角之和,表达式为刘汪洋等人根据PID控制主动转向技术能够主动改变驾驶员给定的转向轮转角，使得汽车的响应尽可能地与理想响应特性一致，从而提高汽车的操级稳定性。通过深入分析转向角对汽车侧翻特性的影响，釆用主动转向技术进行防侧翻控制，并通过仿真分析说明主动转向能够通过改变汽车的侧向加速度和横摆角速度来降低汽车的横向载荷转移率，因而可以提高汽车的防侧翻性能。本文采用自适应模糊控制器来对驾驶员模型进行控制。系统的输入为误差和误差变化率，参数可以使用模糊控制规则进行在线修正。该控制系统的原理框图如图所示。该控制的传递函数可以表达为其中，分别表示为比例增益，积分增益和微分增益。其中，比例增益尺可以加快系统的崎应速度，从而提高系统的调节精度；积分增益火可以消除系统的稳态误差；微分增益：的主要作用则是在控制过程中抑制误差的变化，从而改善系统的动态特性。李占旗设计了基于差动制动的横摆稳定性控制算法。算法以汽车的横摆角速度偏差以及质心侧偏角导数作为控制变量，利用门限值和PID控制方法进行横摆力矩决策，然后选择效率车轮进行差动制动并通过液压调节实现需求的制动压力，从而实现汽车的横摆稳定性。通过GM公司的ESP评价方法设定的低附着路面工况以及NHTSA的FMVSS126法规关于ESP评价设定的高附着路面工况的仿真验证，表明本文的横摆稳I定性控制算法可以有效地提高汽车的横摆稳定性。综合以上，我们对YSC与RSC进行集成的基本思路是：在汽车仅有横摆危险时把横摆稳定性作为唯一控制目标；仅有侧翻危险时把侧翻稳定性作为唯一控制目标；而兼有横摆与侧翻危险时把横摆与侧翻稳定性作为联合控制目标，并根据横摆与侧翻的危险程度充分协调地实现汽车的横摆与侧翻稳定性。3.侧翻预警算法3.1侧翻预警侧翻预警时间(Time-To-Rollover)定义为固定当前时刻输入,以当前时刻状态