2007PLM征文之17：4WS汽车虚拟样机建模与操纵稳定性试验仿真

1 前言

    随着交通运输业的发展，全球发生公路交通事故的数量呈逐年上升趋势，因而各国都在加强汽车主动安全性能的研究。四轮转向(Four-Wheel Steering，简称4WS)系统由于能够有效改善车辆的机动灵活性和操纵稳定性，受到了各大汽车公司的青睐，正在得到不断发展和应用。

    由于汽车是一个包含众多环节的复杂的非线性系统，无论是建模还是参数测量都比较困难，目前国内外研究人员都倾向于应用比较简单的包含非线性轮胎和线性车辆系统来研究车辆动力学，设计具有一定鲁棒性的4WS控制系统，通过后轮先逆相位转向再同相位转向，并取得了一定的控制效果。

    本文研究的主要内容是虚拟模型的4WS系统在控制策略控制下的操纵动力学特性。按照ISO汽车操纵稳定性规定的试验条件，进行某一车型的二轮转向车辆的操纵稳定性试验；为实现车辆的动力学特性在虚拟环境下的仿真和预估，基于ADAMS/Car建立一个整车动力学虚拟模型。动力学模型包括汽车的车身、轮胎模型、悬架系统、转向执行机构；给以一定的前轮转向角输入及相应的四轮转向控制方法，研究模型的瞬态和稳态响应特性，包括横摆角速度和侧向加速度的响应特性，以及其他的动力学特性指标。

2 4WS汽车虚拟样机模型的建立

    假设车辆的横向动力学特性都可以用一个简单的信号跟踪模型描述，将两个前轮在前轴的中心集中简化为一个车轮。将两个后轮在后轴的中心集中简化为一个车轮。假设两个前轮的转角相等，两个后轮的转角也相等。忽略车辆的内倾角、俯仰角和侧向滑移，车辆只在水平面上运动，图1为车辆横向动力学信号跟踪模型。

图1 车辆信号跟踪模型

    信号跟踪模型在恒速和零转向角的条件下进行了线性化。对图1的数学模型建立车辆运动微分方程：

    式中,和是系统的前、后转角输入；β是侧偏角，是横摆率。
 

    与（1）（2）式状态空间方程对应的传递函数如下：

图2  4WS整车的多体动力学模型

    4WS整车模型有97自由度数、58个可移动的部件（不包括大地）、6个圆柱副约束、9个旋转副约束、12个球面副约束、4个平移副约束、8个Convel约束副、11个固定约束副、3个万向副和4个驱动。各部件之间的束关系、及约束的位置如图2所示。

    这97个自由度包括悬架和车轮的96个弹性体自由度，因此整车自由度为1，即前轮的转向输入。