一种新型开关式主动横向稳定杆装置的控制研究

陈松 夏长高 潘道远

Automobile Technology - - Qiche Jishu -

陈松1,2 夏长高2 潘道远3 ( 1.南通航运职业技术学院,南通 226010;2.江苏大学,镇江 212013;3.安徽工程大学,芜湖 241000) 【摘要】针对装有被动横向稳定杆的车辆在高速大转角转向时容易发生侧翻及在直线行驶时乘坐舒适性变差的问题,设计了一种开关式主动横向稳定杆装置。基于整车6自由度模型设计了线性二次型最优控制器对车辆转向时的侧倾进行控制;直线行驶时,主动横向稳定杆处于“OFF”状态,降低悬架刚度,提高车辆舒适性。采用时域与频域仿真验证了该装置的有效性,并通过台架试验对基于粒子群优化的线性二次型最优侧倾控制策略进行了验证。主题词:主动横向稳定杆 粒子群 线性二次型 侧翻 乘坐舒适性U461 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20170461中图分类号: 文献标识码: DOI: Research on the Control of A New Switch-Type Active Anti-Roll Bar Device Chen Song1,2, Xia Changgao2, Pan Daoyuan3 1. Nantong Shipping College, Nantong 226010; 2. Jiangsu University, Zhenjiang 212013; 3. Anhui Polytechnic University, ( Wuhu 241000) Abstract The vehicle with passive anti- roll bar device is prone to rollover when steering with big angle at high【 】speed and the ride comfort is poor in straight driving. A switch- type active anti- roll bar device was designed to solve these problems. The linear quadratic optimal controller was designed to control the roll of the vehicle based on the six degrees of freedom model. In the straight driving, the active anti- roll bar device is in the "OFF" state, which decreases the rigidity of the suspension and improves the comfort of the vehicle. In order to verify the effectiveness of the device, the simulation tests in the time domain and frequency domain were carried out. Finally, the linear quadratic optimal roll control strategy based on particle swarm optimization was validated by the constructed test bench with the active anti-roll bar device. Key words: Active anti- roll bar device, Particle swarm, Linear quadratic, Rollover, Ride comfort

1 前言

横向稳定杆作为车辆悬架的辅助弹性元件,主要

SUV

作用是减小车辆在转向时的侧倾。而质心较高的车辆在紧急避障等高速大转角工况下,如采用传统横向稳定杆,由于无法主动调整悬架的侧倾角刚度,易发

Active Anti

生侧翻。针对上述问题,主动横向稳定杆(

Roll Bar,AARB) [1] [2]

成为研究热点。文献 、文献 分别

PID AARB

采用 控制和前馈控制研究了电机驱动式 装置对车辆的侧倾控制,在此基础上进行了硬件在环测

[3] AARB

试。文献 根据提出的液压式 装置,设计了前 馈与反馈控制器,并通过仿真与台架试验验证了其侧

[4] AARB

倾稳定性控制效果。文献 采用直流电机作为的执行机构,实现侧倾控制的同时,优化了执行电机的结构设计并采用鲁棒控制提高了电机对转速的控制性

[5] AARB

能。文献 提出了一种电动液压控制 装置,实

[6]

现车辆侧倾的主动控制,有效防止车辆侧翻。文献

AARB

提出了一种电动控制式 装置,建立了单自由度车辆动力学模型,采用滑模变结构控制实现对车辆侧

[7] AARB

倾的控制。文献 根据提出的 装置设计了模糊

PID

控制器,仿真验证了该装置的侧倾控制效果。文献

[8] AARB

针对某重型车辆提出一套液压控制式 装置, * 17KJB460010); CXLX12_0629);基金项目:江苏省高等学校自然科学研究面上项目( 江苏省普通高校研究生科研创新计划项目( 226 HYKJ/2016QN02)江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人项目;南通市“高层次人才”培养工程项目;南通航院科技项目( 。

ADAMS

依据不同路况制定了相应控制策略,运用 与

MATLAB

联合仿真技术对整车侧倾稳定性进行了研究,仿真结果表明该系统能很好地改善重型车的侧倾

AARB

稳定性。上述文献的研究都集中在采用 装置替换传统的被动横向稳定杆装置对车辆转向时的侧倾进行主动控制,而车辆直线行驶时,采用传统横向稳定杆的车辆仍存在舒适性变差的问题。

为实现车辆转向时的主动侧倾控制,同时解决直

AARB

线行驶舒适性变差的问题,考虑到电子控制式较液压控制式响应速度快、结构简单、成本低、维修与

AARB

改装方便,本文提出了一种新型开关式电动 装置。车辆转向时,利用线性二次型最优控制理论设计了侧倾控制器,实现侧倾主动控制。车辆直线行驶时,

AARB OFF”

处于“状态,降低悬架刚度的同时实现了两侧车轮在不平路面干扰时的相互独立跳动,改善了车辆的乘坐舒适性。

2 AARB装置及车辆动力学模型 2.1 AARB装置

1 AARB

图 所示为本文提出的开关式电动 装置结构示意[9]。电机的电枢轴通过电磁离合器与左、右两侧谐波齿轮中的波发生器相连。 为使左、右稳定半杆经谐波传动后输出的力矩大小= Z4, 1) 2)

相等、方向相反,取 Z 由式( 、式( 可知,此时

ih=- i′ ,即左、右谐波齿轮的传动比大小相等、传动方向

h

相反。汽车转向行驶时,控制器根据车身侧倾角、转向盘转角与侧向加速度传感器信号控制电机输出扭矩,电机的电枢轴通过与之相连的左、右谐波齿轮机构带动左、右稳定半杆相对扭转,从而形成扭矩阻止车身侧倾。车辆直线行驶时,控制器使电磁离合器断电令其断开,左、右稳定半杆相互断开,在功能上相当于未安装横向稳定杆,减小悬架刚度的同时使得左、右车轮的跳动相互独立,有利于提高车辆直线行驶时的乘坐舒适性。

2.2 车辆动力学模型的建立

2 4

如图 所示,建立包括车身的垂直、侧倾及 个车轮6

的垂直运动在内的 自由度整车动力学模型。

3

图 所示为侧向加速度干扰下的频域仿真结果,车

0.5~1.5 Hz

辆在干扰下的响应频率为 。在此范围内,

AARB

在减小车辆的侧倾角与侧倾角速度方面有明显

AARB

改善,故在车辆侧倾控制方面, 优于被动横向稳定杆。 AARB

为进一步验证 在车辆侧翻控制方面的效果,

4

采用转向盘转角鱼钩输入下的时域仿真。输入如图

80 km/h

所示,车辆以初始速度 行驶在路面附着系数为

0.8 5 5a 5b

的道路上,仿真结果如图所示。由图 、图 可

AARB

知, 相比于被动横向稳定杆,在车辆的侧倾角与

5c 5d

侧倾角速度方面有了明显的改善。由图 、图 可知,

AARB

在车辆横摆控制方面, 相比于被动横向稳定杆具有更小的横摆角速度与质心侧偏角,且响应曲线波动与

AARB

超调量小,故采用 能有效地降低车轮横向载荷转移率、改善轮胎的法向受力、提高附着力,从而使车辆具有更好的横摆稳定性。 AARB

为对比 与被动横向稳定杆在车辆的舒适性与侧倾控制方面的效果,假设车辆在直线行驶时,左侧车轮

6

突遇凸起路面干扰所得到的频域仿真结果如图 所示,

1~15 Hz

其中,在不平路面干扰下车辆的响应频率为 。

6a 6b AARB OFF”

在该范围内,由图 、图 可知,虽然 处于“状态的车辆的侧倾角刚度下降,但在减小车辆侧倾方面

6c AARB

优于被动横向稳定杆车辆。由图 可知,装有的车辆相对于装有被动横向稳定杆的车辆具有更小的

6d

侧倾角加速度,由图 可知,在车辆的垂直加速度方

AARB

面, 的控制效果也略好于被动横向稳定杆,故从

侧倾角加速度与车辆垂直加速度方面的控制效果来看,

AARB 6e

装有 的车辆具有更好的乘坐舒适性。由图 、图

6f AARB

可知,在车辆左侧悬架动行程方面,装有 的车辆在该侧悬架的动行程比装有被动式的悬架动行程略大;而在右侧悬架动行程方面,装有被动横向稳定杆的车辆在该侧悬架的动行程比装有主动式车辆悬架的动行程大得多。总体而言,当车辆一侧车轮遇不平路面干

AARB

扰时,采用 的车辆在侧倾角、侧倾角速度、侧倾角加速度与车辆垂直加速度方面与装有被动横向稳定杆

AARB

的车辆相比,均有明显改善,对于装有 的车辆,在凸起路面一侧的悬架动行程增加,但另一侧悬架的

AARB

动行程明显减小,综合来看,在车辆直线行驶时,

不但可以减小车辆的侧倾,还明显改善了车辆的乘坐舒适性。

4 AARB台架试验验证

为验证主动横向稳定杆装置在车辆转向侧倾时基于粒子群优化的线性二次型最优控制策略的正确性,采

8 AARB

用如图 所示的 台架试验装置进行验证。在该试验装置中,将主动横向稳定杆的一端固定,为了模拟在不同侧倾角与侧向加速度下车辆产生侧倾力矩的大小,对另一端采用液压加载器进行加载,同时在不同侧

AARB

倾力矩下 输出的侧倾反力矩进行测试。

9 10

图 、图 所示分别为侧向加速度ay、侧倾角 ϕ 与AARB

产生的侧倾反力矩M 的试验与仿真对比结果。 9 10

从图 、图 可知,在不同的侧向加速度与侧倾角下车辆产生不同的侧倾力矩,而通过台架试验得到的

AARB AARB

产生的侧倾反力矩与采用 侧倾控制仿真

AARB

得到的反力矩相一致,这说明了对 建立的整车模型及采用的最优控制策略的正确性。

5 结束语

本文针对装有被动横向稳定杆的车辆处于高速大转角工况下时容易出现侧翻及在直线行驶时影响车辆乘坐舒适性的问题,提出了一种能根据车辆行驶状况自动切换的开关式电动主动横向稳定杆装置。为实现车辆的侧翻控制,设计了线性二次型最优控制器。为节省控制器设计的时间并避免设计过程的主观性,采用了PSO

算法对控制器的权系数进行优化。时域、频域仿真及试验表明,开关式主动横向稳定杆装置在对转向时的车辆侧倾控制效果与直线行驶时改善舒适性方面均明显优于被动横向稳定杆系统,很好地解决了传统被动横向稳定杆不能实现车辆高速大转角转向侧倾时的主动控制及在车辆直线行驶时舒适性变差的问题。 参考文献[1] Sorniotti A, Alfio N D. Vehicle Dynamics Simulation to Develop an Active Roll Control System[J]. SAE Paper No. 2007-01-0828, 2007. [2] Aldo S. Electro- Mechanical Active Roll Control: A New Solution for Active Suspensions[J]. SAE Paper No. 2006-011996, 2006. [3] Kim S, Park K, Song H J, et al. Development of Control Logic for Hydraulic Active Roll Control System[J]. International Journal of Automotive Technology, 2012, 13 (1): 87-95. [4] Davide D, Philippe K, Sorniotti A, et al. Active Roll Control to Increase Handling and Comfort[J]. SAE Paper No. 200301-0962, 2003. [5] Gaffney E F, Keane J C, Nicols J T. High Efficiency 2 Channel Active Roll Control System[J]. SAE Paper No. 2009-01-0222, 2009. [6] Jeon K, Hwang H, CHOI S, et al. Development of An Electric Active Rollcontrol (ARC) Algorithm for A SUV[J]. International Journal of Automotive Technology, 2012, 13 (2): 247-253. [7] , , .郑恩瑞 夏长高 陈松 基于主动横向稳定器的车辆稳定[J]. , 2015, 34(12): 1952-1955.性研究 机械科学与技术[8] . [D]. :丁义兰 汽车主动式横向稳定杆技术研究 南京 南京, 2014.理工大学[9] , , , .陈松 孙旭 李胜永 等 一种谐波齿轮式主动横向稳定杆: , ZL 2016 20543546.6[P], 2017.装置 中国[10] . [J].李振 基于主动横向稳定杆的汽车防侧翻控制 北京2015(5): 11-14+31.汽车, [11] Peter J N, Neild S A, Wagg D J. Quasi- active Suspension Design Using Magnetorheological Dampers [J]. Journal of Sound and Vibration, 2011, 330(10): 2201-2219. [12] , , , .郭迎庆 徐赵东 费树岷 等 磁流变智能结构的微粒群[J]. , 2011, 30(9): 59-63.优化控制 振动与冲击[13] , , .陈贵敏 贾建援 韩琪 粒子群优化算法的惯性权值递减[J]. , 2006, 40(1): 53-56+61.策略研究 西安交通大学学报[14] Seongjin Yim, Kwangki Jeon, Kyongsu Yi. An Investigation into Vehicle Rollover Prevention by Coordinated Control of Active Anti- roll Bar and Electronic Stability Program[J]. International Journal of Control, Automation, and Systems, 2012, 10(2): 275-287. (责任编辑 斛畔) 2017 6 2修改稿收到日期为 年 月 日。

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