汽车动力学控制系统 2

汽车动力学控制系统
汽车动力学控制系统是一种新型的主动安全控制系统,它是继防抱死系统和防滑控制系统发展起来的。

汽车动力学控制系统就是为了避免汽车响应的急剧变化的一种最新的主动安全系统,它尽可能减小各种因素对汽车操纵稳定性产生的不良影响,如在低附着路面上,汽车与预定轨迹的偏移量尽可能的小,汽车载荷、道路状况及侧风等的变化都不应对汽车产生过多的影响。

它利用优化控制理论,使驾驶员的操作,即转向和制动始终处于最佳的组合状态,并能调节各车轮上的驱动或制动力矩、方向盘转角,从而对已经出现的不稳定状态进行修正,并能防止驾驶员的误操作对行驶稳定性产生的不利影响。

一、车辆动力学控制原理
汽车在路面上行驶,其附着力要受路面条件的影响,当附着力达到附着极限时,车辆的动力学性能将发生改变。

附着力包括纵向力和侧向力,当纵向力达到附着极限时,将影响车辆的驱动性能或制动性能,同理,当侧向力达到附着极限时就将影响车辆的侧向性能,也就会影响车辆的动力学稳定性能。

侧偏力是由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的作用引起的,随之也产生侧偏角。

从轮胎特性方面来说,随着侧偏角的增大,它与侧向力的关系也将发生变化,当侧偏角较小时,侧偏力基本与侧偏角成线性关系,但当侧偏角达到一定值时,侧偏力不再随侧偏角的增加,而是基本保持不变,达到饱和状态,也就是侧向力达到附着极限。

路面的附着情况不同,汽车达到饱和状态时的侧偏角也不相同,高附着路面轮胎的侧向力附着极限要比低附着
路面高。

汽车在路面行驶,时常要作曲线运动,当侧向加速度比较小时,侧偏角也比较小,与侧偏力基本上成线性关系,当进行高速转弯或在滑路上转弯时,侧向力接近附着极限或达到饱和状态,车辆的转向特性将发生改变,一方面汽车处于失控状态,出现转向半径迅速减小或迅速增大的过多转向或不足转向过量的危险局面,从而导致侧滑、激转、侧翻或转向反应迟钝等丧失稳定性或方向性的危险局面;另一方面使驾驶员不能准确操纵而引起事故,一般来说,只有当汽车的响应如横摆角速度等与方向盘转角满足一种线性关系时,驾驶员才能正确地操纵汽车,而在极限行驶工况时,这种关系已变成一种非线性关系,驾驶员想适应这种关系是很困难的,也就引起事故的发生。

通过以上的分析可以看出,轮胎的非线性特性是车辆操纵性发生变化的根本原因,特别是在高速转弯和低附着路面上转向行驶,常常会使车辆失去控制,有关资料表明有43.1%的交通事故都是由于车辆丧失动力学稳定性造成的。

车辆动力学控制系统就是为了避免汽车响应的急剧变化的一种最新的主动安全系统,它尽可能减小各种因素对汽车操纵稳定性产生的不良影响。

二、车辆动力学控制策略
进行动力学控制是非常有必要的，由于车辆动力学稳定性直接受横摆力矩的影响,所以进行动力学控制可以从两个方面入手,一是通过减小驱动力来增大轮胎侧向附着力,从而增强车辆抵抗外界侧向力的能力,这主要通过减小发动机输出扭矩(方法有减小节气门开度、延迟
点火或减小喷油量等)来实现,同驱动防滑控制系统;二是通过施加外部横摆力矩来改善车辆行驶的方向性和稳定性,这可通过方向盘转角控制、驱动力控制和制动力控制来实现。

但因车辆丧失动力学稳定性时,多是在侧向力已接近于轮胎与路面的附着极限条件下,此时很难再通过控制方向盘转角来产生改善车辆动力学稳定性的外部横摆力矩,所以方向盘转角控制在转向极限条件下对车辆动力学稳定性的改善并不显著。

驱动力控制是指在驱动条件下减小驱动力来增大侧向力潜能,它在制动行驶条件下是无法应用的,而且它的控制效果也不明显。

制动力控制在驱动行驶条件下是指在驱动轮上施加一定的制动力,在制动行驶的条件下是指减小制动力或合理的分配制动力,制动力控制在各种工况下都据良好的应用潜能,所以目前发展的动力学控制系统大都采用制动力控制。

车辆动力学控制系统的基本思想是通过对准稳定工况的控制来阻止车辆进入不可控的非稳定工况。

三、车辆动态稳定性仿真
为了进一步说明轮胎特性对车辆动态稳定性，通过大量的实验表明，无论是高速转弯还是在滑路上转向行驶,达到轮胎的饱和状态,轮胎进入非线性状态,导致车辆的各状态变量发生急剧的变化,如横摆角速度急剧的增大,而侧偏角急剧的减小等,使汽车丧失稳定性,不能正常行驶,而采用动力学控制能够很好控制车辆的动态稳定性能,及时阻止横摆角速度、侧偏角等动力学变量的急剧变化,保持车辆的稳定行驶,提高了车辆行驶的操纵性和稳定性。

车辆根据驾驶员的指令按预定轨迹行驶也是衡量车辆动力学性
能的一个重要的指标,如果车辆不能根据驾驶员的指令按预定轨迹行驶也会引起许多交通事故,所以如在汽车换道行驶和躲避障碍物时都要求车辆具有良好的操纵稳定性能,而车辆在较高速度下或低附着路面行驶也常会使其不能按预定的轨迹行驶,所以如果此时能够对车辆进行动力学控制,就能大大提高车辆的操纵性能,使其能够按预定轨迹正常行驶。

下面通过两种工况的仿真来说明动力学控制的作用。

工况一，车辆在行驶过程中,如果方向盘角阶跃输入,则车辆稳定行驶时将是一圆周运动,在一定范围内随着转向角的增大,转弯半径不断减小,但车辆在高速转弯时,由于侧向加速度较大,当侧向力达到轮胎与路面附着极限时,其转弯半径将不再减小,使驾驶员不能正确的操纵,通过对车辆进行动力学控制就可提高其操纵性能。

工况二，车辆在变道行驶路线称之为单移线行驶,一般在单移线行驶时方向盘为单周正弦曲线,本文也采用正弦曲线作为转向输入行驶,车速为27.3m/s,如果正常行驶车辆的轨迹将是一单移线。

通过实验可以得到以下结论，车辆在较高车速下进行单移线行驶,尽管其横摆角速度和侧偏角等动力学变量没有发生剧烈的变化,但其行驶轨迹却与预定的单移线行驶轨迹相差甚远,若加上VDC控制,车辆能够较好的按照预定的轨迹行驶,偏移较小,车辆的操纵性和稳定性获得较大改善,这不但增强了车辆的主动安全性,而且减轻了驾驶员的工作负担。

通过以上的仿真结果可以看出,采用动力学控制系统能较好地改善车辆的动力学操纵性能,使车辆能够较好地按驾驶员的指令行驶,车
辆的操纵性和稳定性都能获得较大的改善。

汽车动力学控制系统即Vehicle Dynamics Control System(VDC)与汽车防抱死系统和汽车驱动防滑转系统（ABS/ASR）也是相互联系的，VDC有些功能需要由ABS/ASR来完成,所以有很多VDC系统是在ABS/ASR的基础上开发的。

但由于VDC控制系统比较复杂,系统成本比较高,所以目前只是在一些中高级轿车应用,相信在不久的将来,随着成本的降低,VDC将会象ABS系统一样成为汽车的标准配置。