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1、基于半主动空气悬架的重型车辆侧翻稳定性控制研究摘要：建立基于半主动空气悬架的重型车辆半车侧翻动 力学模型，作为防侧翻控制的基础模型，采用模糊控制策略 控制空气悬架刚度，改变车辆的侧倾刚度，实现重型车辆的 防侧翻控制。仿真结果表明，基于模糊控制的半主动空气悬 架能够优化车身侧倾角及侧翻因子，在保障重型车辆转向能 力的同时，有效的提高重型车辆的防侧翻能力。关键词：重型车辆；半主动空气悬架；侧翻；模糊控制DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.09.1750 引言重型车辆作为大型运输工具，装载货物质量大、种类繁 多，并且车辆自身质心高， 在行驶过程中， 易发生侧翻危险， 造成重
2、大的人员伤亡和财产损失，引起交通拥堵等问题，一 些运送危险物品的车辆发生侧翻还会引起环境污染等问题。 因此，对重型车辆的侧翻稳定性控制的研究意义重大。目前，车辆防侧翻的方法主要有车辆侧翻预警和主动防 侧翻控制。车辆侧翻预警根据当前车辆行驶状况及驾驶意图， 预测车辆的侧翻稳定性，提前给出预警，但由于驾驶员的反 映及机械操纵需要时间，因此，预警系统不能有效的防止车 辆侧翻。主动防侧翻控制通过车辆底盘控制系统，如主动转 向控制、制动控制、主动 / 半主动悬架控制 1-2等，控制车辆 的运动状态， 实现车辆的防侧翻控制。 主动 / 半主动悬架控制 系统可根据车身侧倾状况调整参数，产生防侧倾力矩，对车
3、辆的转向能力和运行轨迹影响不大。 Westhuizen1 采用油气 半主动悬架，褚端峰 2 采用磁流变半主动悬架，一定程度上 实现防侧翻控制。相对的，电控空气悬架已广泛应用于豪华 汽车、大型客车和重型货车 3 ，对空气悬架的研究主要集中 在车身高度的调节 4 、行驶平顺性、道路友好性等方面 5 本文建立四自由度的车辆侧翻动力学模型及半主动空 气悬架模型，设计模糊控制策略计算期望空气改变量，采用 电磁阀控制左右两侧空气空气弹簧充放气，改变空气悬架刚 度，抑制车身侧倾角。1 半车侧翻动力学模型1.1 半车侧翻动力学模型 依据车辆实际情况，考虑车辆侧倾、横摆及垂向运动的 耦合关系，建立如图 1 所示
4、的半车侧翻动力学模型，对模型 作如下假设：模型以前轮转角、路面为输入，匀速行驶；忽 略动载荷变化引起的轮胎特性变化及轮胎回正力矩；非簧载 质量相对于簧载质量比重较小，且均假设为刚体。半车侧翻动力学模型为：1.2 半主动空气悬架模型 图 2 为半主动空气悬架模型示意图，三位三通电磁阀控 制空气弹簧充放气，实现空气悬架刚度调节。对模型作如下 假设：忽略气路损耗，电磁阀的响应时间；气体变化过程为 绝热过程。空气弹簧的数学模型为： 该模型忽略了空气弹簧工作中有效承载面积及体积变 化的非线性，简化建模。1.3 侧翻因子横向载荷转移率（LTR反映载荷转移程度，可以作为判 定车辆侧翻危险程度的评价指标， 定
5、义横向载荷转移率 （ LTR） 为：2 防侧翻控制设计2.1 防侧翻控制策略 基于空气悬架的重型车辆防侧翻控制策略的目的是利 用半主动空气悬架系统控制车身侧倾，防止因车身侧倾角过 大而导致的车辆侧翻，控制示意图如图 3 所示。ECU根据侧倾角传感器和横向加速度传感器实时采集的 动态侧倾角及横向加速度信号，计算动态横向载荷转移率 LTR若横向载荷转移率的绝对值 |LTR|超过预设的横向载荷 转移率阈值 |LTR|th 时，调用模糊控制器分别计算左右悬架空 气弹簧内部气体期望的变化量，对空气弹簧快速充、放气， 调整空气悬架的刚度，生成与侧倾运动相反的侧倾力矩，抑 制车辆侧倾角。2.2 模糊控制器设
6、计 模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，简化了系 统设计的复杂性，适用于非线性、滞后、模型不完全系统的 控制，因此，采用双输入单输出模糊控制器。模糊控制器以 车辆的侧倾角 及侧倾角的变化率d/dt为输入变量e、ec, 空气悬架充气量 mqi 为输出变量 u。输入、输出变量的基本论域为：=?0.08, 0.08rad、d /dt=?0.5 , 0.5rad/s、mqi=?0.008 , 0.008kg。输入变量的 隶属度函数论域设为 ?1， 1，输出变量的隶属度函数论域设 为-1 , 1，量化因子分别为：Ke=12.5、Kec=2、Ku=0.008,输入输出变量的模糊语言变量均设为负大（NB
7、）、负中（NM ）、负小（NS）、零（ZE）、正小（PS、正中（PM）、正大（PB） 7 个等级。车身侧倾时，左右悬架的行程方向相反，需根据不同悬 架分别设计的模糊控制规则（见表 1、 2）。模糊控制能够解决空气悬架建模中的线性化假设，容易 控制，鲁棒性好。3 仿真结果及分析根据所设计的模糊控制器，在 MATLAB/Simulink 环境下 搭建控制系统模型，建立基于模糊控制的半车侧翻动力学模 型。以C级路面和前轮转角为模型的输入信号，前轮转角分 别采用图 4所示 J-turn 和 Fish-hook 工况，分别对被动空气悬 架、模糊控制空气悬架的半车侧倾动力学模型进行仿真分析。3.1 J-t
8、urn 工况下的仿真在 MATLAB/Simulink 中，以 J-turn 工况为转向输入，车 速 60km/h ，分别对被动空气悬架、 模糊控制空气悬架的半车 侧翻动力学模型进行仿真分析，结果见图5。由图 5 可知，与被动空气悬架相比，通过模糊控制，车 辆的侧翻因子|LTR|的最大值由0.547下降到0.535，下降了 2.19%,车辆的侧倾角 的峰值由4.277°下降到3.224° , 下降了 24.91%，侧翻因子及侧倾角明显得到降低。3.2 Fish-Hook 工况下的仿真在MATLAB/Simulink中，以Fish-Hook工况作为转向输入， 车速 60km/
9、h ，分别对被动空气悬架、 模糊控制空气悬架的半 车侧翻动力学模型进行仿真分析，结果见图6。由图中 6 可知，通过模糊控制，车辆的侧翻因子 |LTR| 的最大值由 0.571 下降到 0.560，下降了 1.75%，车辆的侧倾 角的最大值由4.123°下降到3.320 °,下降了 19.48%。 Fish-hook 工况主要反映车辆在紧急避障过程中， 车身的侧倾 运动,试验结果表明,在连续转向的情况下,车身侧倾角及 侧翻因子也能得到较好的控制。4 结论 建立半主动空气悬架系统模型及重型车辆半车侧翻动 力学模型,通过模型仿真分析重型车辆运动耦合关系,为防侧翻控制策略提供基础数
10、学模型；基于模糊控制的半主动空气悬架系统控制效果好，可以 有效减小 J-turn、 Fish-hook 工况下的车身侧倾角，降低侧翻 因子值，提高车辆侧翻稳定性。参考文献：1 Westhuizen S F V D， Els P S. Slow active suspension control for rollover preventionJ.Journal of Terramechanics ， 2013，50(01)：29-36.2 褚端峰，李刚炎 .半主动悬架汽车防侧翻控制的研究J.汽车工程， 2012 ( 05)： 399-402+432.3 黄启科，麻友良， 王保华 .汽车电控空气悬架发展与研究现状综述J.湖北汽车工业学院学报，2013 ( 02): 27-33.4 Height and Leveling Control of Automotive AirSuspension System Using Sliding Mode Approach5 赵晶， 何锋， 王浩宇， 邹俊辉 .基于道路友好性的重型汽车半主动空气悬架联合仿真J.起重运输机械，2011( 10): 36-40.