车辆操稳性对路面激励的仿真分析

李 健，张亚岐

Li Jian1，Zhang Yaqi2

（1.公安部道路交通安全研究中心，北京 100062；2.东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430056 ）

0 引 言

车辆操稳性作为汽车最重要的性能之一，是行车安全的必要保障，且其性能优劣直接影响到驾驶员对当前车况的判断以及车辆对驾驶员指令的执行力。汽车操稳性包括操纵性和稳定性，影响操稳性的因素主要包括悬架、传动系统以及轮胎特性。这些因素在车辆行驶过程中相互交错互相影响，综合作用于车辆，且各因子间的匹配特性直接影响到各个系统的有效协同工作。通过分析，确定出影响操稳性的关键性因子，准确掌握这些因子间的协调关联性，能够为车辆操稳性能的提升提供理论依据。为全面客观表现车辆的操稳特性，国内外研究机构进行了广泛深入的研究。Guo Xingdong在对车辆操控特性进行理论分析的基础上，确定出影响车辆瞬时车速、横向力、重心位置、轮胎侧偏特性、转向系统刚度、转向传动比以及绕 Z轴的转动惯量的因素，将车辆与驾驶员作为有机整体进行分析[1]。Wu Jiangyong针对四轮转向提出结合匹配控制器的稳健车辆模型，此种控制器在改善车辆操稳性方面有优异的表现[2]。杨荣山等人考虑到车辆的运动特性，建立多体动力学模型，将车辆操稳性与平顺性进行协同优化仿真，对悬架弹簧、减振器以及横向稳定杆建立多目标优化函数，通过目标优化工具对平顺性和操稳性的协同优化问题进行求解分析[3]。上述研究偏重操稳性影响因素之间的协调性，未充分考虑路面影响，而道路试验采集到的数据均含有路面影响因子，分离出路面激励的影响，能够为准确确定出整车各个机构间的协同作用提供理论依据。路况较差的路面对操稳性的影响不容忽视。为此，依据常见路面激励建立相应的不平度函数，在Carsim[4-5]中构建路谱对车辆操稳性影响的仿真控制模型，为保证前后轮对同一激励具有同等遍历特性，依据车速变化设定时间延迟，最终在Simulink中对典型路面激励进行仿真，分析不同路面激励对车轮的横向力、车身横摆角速度以及前后车轮侧偏角差值的影响。

1 路面脉冲激励对操稳性影响

车轮的相对动载直接影响到车轮垂直载荷的变化，由此可见，车辆受路面激励作用时，其各个车轮的垂直载荷是动态变化的，将Carsim中路面输入设为I/O通道，并将4个车轮处路面高程相对于参考基准面的垂直位移作为输入，利用脉冲信号模拟道路凸起，为保证仿真过程更为逼近真实情况，依据设置的车速，换算出各个车轮通过凸起的时间，并设置时间延迟，确保前后车轮依次通过凸起，最后，将 Carsim中车辆模型导入Simulink[6-8]，在Simulink中对路面脉冲激励响应进行仿真，仿真模型如图1所示。

横摆角速度对转向盘的响应是表征车辆操稳性的指标，分析不同路面激励下横摆角速度变化，能够为车辆稳态控制模型提供数据支持。图 2是横摆角速度仿真结果的变化曲线。

图2中脉冲信号1的幅值为8mm，带宽为0.1 s，脉冲信号2的幅值为16 mm，带宽为0.1 s，车速是60km/h，车辆前后轮依次受到脉冲信号的激励，仿真时间为13 s，1 s后两脉冲信号对横摆角速度的影响均为零。从图 2可以看出，路面激励对车辆的横摆运动产生一定影响，随脉冲激励幅值的增大，横摆角速度波动峰值也相应增大，且达到稳态所需时间更长。图 2中曲线可以近似为线性 2自由度车辆模型的横摆角速度瞬态响应曲线，经计算，图2中曲线相当于转向盘转角发生±5°变化，而车辆变道过程中转向盘转角变化不大于 8°，若车辆在变道过程中受到路面脉冲激励过大，会使车辆出现非稳态的变道，所以，在特定驾驶行为下，路面激励对操稳性的影响变得尤为重要。

车轮所受横向力的波动变化，直接决定了车轮抵抗横向干扰能力的大小，若横向力波动较大，会使车轮在某个瞬间保持恒定行驶的能力大大降低，从而使车辆的动态操稳性降低，分析横向力对路面激励的响应，可以为驾驶员精确操控车辆提供参考。图3是左前轮L1在路面脉冲激励下横向力的变化。

图3表明在0～0.4 s之间车轮受到很大横向力作用，且车轮的垂直载荷与横向力变化不同步，致使车辆在该时间段内抵抗横向干扰能力大大下降，此过程驾驶员驾驶行为的随意性会直接导致车辆出现非稳态。横向力峰值随激励脉冲信号幅值增加而增大，横向力达到稳态的时间小于横摆角速度主要是由于前轮定位参数和前轮的摆振对横向力波动具有一定的削减作用。

2 随机路面激励对操稳性影响

路面高程是平稳的随机过程，路面高程的数学期望为零，因此，分析随机路面对车辆操稳性的影响具有一定的现实意义。同样在Simulink中建立随机路面高程激励下车辆运动模型，由于左右两侧车轮相距较近，可认为左右轮行驶过的路面高程相等，而路面高程对于前后车轮具有同等遍历性，为此，对在Simulink中产生的随机信号进行延迟，延迟时间与车速有关，设轴距为L，车速为u，则延迟时间近似为L/u。设定道路高程满足宽带白噪声，能量信号是有限可积的，可用信号能量来描述，而路面随机信号的能量是无限的，所以，不能用能量来描述，故用其功率来描述。在Simulink中是利用信号功率和采样频率来对噪声进行控制，信号功率就是幅度平方积分对可积时间的平均，此处对不同功率噪声下车辆操稳性参数（前向侧偏角之差）进行分析，图4是不同随机路面下前后车轮侧偏角差值的变化情况。

图4中随机路面1的功率为10-9W，随机路面2功率为10-7W，采样频率为10 Hz，图4直观体现出随机信号功率对车辆操稳性参数的影响，较大功率信号使前后轮侧偏角差值的波动性更大，侧偏角差值大部分大于 0，表明该车是不足转向，在0～1 s内，侧偏角差值为负值，此时车辆表现出过多转向，若车辆长时间行驶在颠簸路面上，其转向的稳定性会大大下降，所以，路面的不平度对特定工况下车辆操稳性有及其重要影响。

3 结束语

车辆操稳性作为车辆最重要的性能之一，对行车安全产生重要影响。现有的主观和客观的车辆操稳性评价均未考虑路面激励影响，为此，分析不同路面激励对车辆操稳性的影响。在Carsim中构建车辆模型，通过设定路面输入，在Simulink中加载路面激励信号，为保证前后轮能够同等遍历路面高程，依据车速设定时间延迟，并在Simulink中对典型路面激励进行仿真分析。通过对脉冲输入路面和随机输入下车辆横摆角速度、横向力以及前后轮侧偏角差值进行分析，确定不同信号幅值和信号功率对车辆操稳性的影响。结果表明：脉冲输入幅值和带宽越大，横摆角速度和横向力的衰减速度越慢，振动峰值越高；随机信号功率越大，前后轮侧偏角差值的波动性越大。路面激励对特定驾驶行为具有重要影响。

[1]Guo Xingdong，Guo Wenlong，Zhang Hao，etal.Analysis of Operating Vehicle Handling and Driving Stability Impact Element[C].CSIE 2011，PartⅡ，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，CCIS153，2011：42-47.

[2]Wu Jianyong，Tang Houjun，Li Shaoyuan，et al.Improvement of Vehicle Handling and Stability by Integrated Control of Four Wheel Steering and Direct Yaw Moment[C].Proceedings of the 26th Chinese Control Conference，July 26-31，2007，Zhangjiajie，Hunan，China，2007：731-736.

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