基于虚拟样机技术的多轴转向车辆建模与仿真分析

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近年来，公路载货车的载重吨位越来越大，车轴数目也相应增加 ，其大多采用第-轴转向，由于其车身长、吨位大，低速行驶时转向半径大，机动灵活性差，轮胎磨损严重；高速行驶时稳定性差，易产生甩尾等现象。为了改善其操纵性能，多轴车辆研究逐渐转移到多轴动态转向技术。目前对多轴转向车辆的建模大多采用MATLAB进行数学建模，模型简化尺度大、失真较多 。而采用虚拟样机技术对机械结构进行建模，不仅可提高模型的精度，而且仿真结果更为形象直观樱为使车辆模型更逼近实际车辆，利用虚拟样机技术，在 ADAMS/Car中建立三轴全轮转 向汽车(six-wheel-steering：6WS)的整车多体动力学模型，利用零质心侧偏角的控制策略对其进行转角控制，以方向盘角阶跃输入下的操纵稳定性仿真来分析车辆的性能并 与传统前轮转 向车辆 (two-wheel-steering：2wS)性能进行了对比。

2三轴全轮转向车辆虚拟样机模型的建立根据某车辆的实际数据，运用 ADAMS/Car建立了三轴全轮转向车辆的整车虚拟样机模型，其主要参数，如表 1所示。通常情况下，ADAMS/CAR采用自下而上的建模顺序，即整车装配是建立在子系统的基础上，子系统则需要在模板的基础上建立 。为实现三轴全轮转向，在建模的时候将重点放在建立与实现三轴全轮转向相关的转向、后悬架、车身和轮胎四个部分，其余部分的建立可利用软件 白带的共享数据模型进行适当修改即可。下面对其重点部分简要说明。

表 1车辆动力学参数Tab.1 Vehicle Dynamic Parameters数值(1)转向模板 ：为使后面两轴能够转向，参照前轴齿轮齿条式转向机构的工作原理，在后悬架系统中增加了齿轮齿条式转向机构，将第二轴和第三轴改装成为齿轮齿条式转向轴。齿轮齿条式转向机构的齿条套固定连接在车身上，齿条则与悬架系统的转向节横拉杆通过球副相连接。中后轮转角的大小是由相应转向机构(齿轮齿条机构)中齿条的移动位移的决定，其大小由不同的控制策略给出。所建立的转向模板，如图 1所示。

来稿日期：2012-05-16基金项目：山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(B$2011DX030)作者简介：张俊友，(1971-)，男，山东，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向：智能交通、车辆动力学 、交通规划控制等领域的研究-㈣ ---恤 ㈤㈦㈦№№№ 几n 0 6 c， ((124 张俊友等：基于虚拟样机技术的多轴转向车辆建模与仿真分析 第 3期图1 轴全轮转向汽车转向模板Fig.1 Steering Template of three Axles Vehicle(2)悬架模板：参考前轴转向节结构和参数，增加第二轴和第i轴转向节，转向节的横拉杆和转向齿条通过球副连接 ，转向节外端和车轮轮辋通过铰接副连接。转向齿条的左右移动通过转向节传递到车轮以控制车轮转角的改变，实现车轮转向。

(3)车身模板：由于转向系统齿轮齿条式转向结构的齿条套与车身固定连接，因此必须在车身系统建立正确的通讯器，以确保车身子系统和转向子系统正确装配。

(4)轮胎模板：在轮胎的属性文件中改变轮胎的刚度属性 ，从而建立符合条件的轮胎模板。

基于以上建立的模板文件建立对应的子系统，然后把转向系统、前后悬架系统、车身、轮胎等子系统与试验台架组合成的整车模型。所建立的 轴全轮转向车辆虚拟样机模型，如图 2所示。

图2基于 ADAMS建立的三轴全轮转向汽车模型Fig.2 The Vehicle Model of three Axles Vehicle3零质心侧偏角控制下的全轮转向零质心侧偏角的转角控制策略是 目前多轴转向车辆控制常用的控制策略，其控制 目标是使汽车稳态转向时的质心侧偏角为零，控制方式是前后轴的转角成比例[41。

设 轴全轮转向车辆的第二轴车轮及第 轴车轮等效转角与前轴车轮等效转角的关系为Is91：6， .6 ，6 ，6 (1)则比例系数 和 为：-oktL ck3L )m- k2L2， k 3L 2k3L； 6 . - - - - - - - - - - - Z(bk2Llck2L)mu -(k。k2L k ， ，k L：)nK.：j ! 2 A 1 - - - l- - - - - - 。 I- - 。- j(bk2Llck3L)mu -(k1 k2L： k3L ，k L：)0式巾：a，b、c-前、中及后轴到质心的距离； ，、 f-前中轴的轴距和中后轴的轴距；m-整车质量； 、k2，k厂 前轴、中轴及后轴侧偏刚度；u-车辆质心前进速度。

由式(1)～式(3)可知，对于-具体车辆，其结构参数固定 ，只要知道了方向盘转角或前轮转角以及车速，就可以获得此工况下的中轴、后轴的转角。方向盘转角与前轮转角之问的变换通过转向传动比获得。

把实车参数列表 1的数据代人式(1)～式(3)，若车速已知便可计算该车速下的后两轴的转角与前轮转角的比例系数，进而获得该车速下第二轴和第三轴车轮的转角，根据该数据即可控制后两轴上齿条的移动位移设定对应的各车轴转角。

4操纵稳定性仿真分析对建立的三轴全轮转向车辆(6WS)虚拟样机模型进行方向盘角阶跃输入仿真，为考查车辆的低速机动性和中高速的稳定性，仿真分低速大转角转弯和高速小转角转弯两种情况进行仿真试验，低速时仿真车速取 20km/h，设置较大的前轮转角20。，中高速时车速取 60km/h，前轮转角为 5。。根据转向传动比，此时对应的方向盘转角输入为 79.1。。

为更好的分析全轮转向车辆的操纵稳定性能，把仿真结果与相同设置条件下同参数的传统三轴前轮转向(2WS)整车模型进行了相比。不同仿真条件下质心侧偏角、横摆角速度的瞬态响应，如图3、冈4所示。

蚓照据础黜蜒(a)20km/h堡(b)60km/h图3横摆角速度响应特性曲线Fig.3 The Response Curves of Yaw RateNo.3Mar.201 3 机械 设 计 与制 造 l250.50.On 1萋-20瞧- 3.250.0 2.5 5.O时间(s)(b)60km图4质心侧偏角响应特性曲线Fig.4 The Response Curves of Side-Slip Angle从图3可以看出低速大转角转向时，6WS稳态横摆角速度增益值(绝对值)大于2WS，表明在同样转角输入下转弯半径最小，机动性好；中高速转向时，6WS稳态横摆角速度增益值(绝对值)小于 2WS，表明在同样输入下车身姿态变化小，稳定性高 。

从图4可以看出，无论是低速还是高速，2WS的质心侧偏角变化都很大，而采用 6WS模式，质心侧偏角变化较小 ，尤其是中高速状态下 ，基本维持为 0，说明车辆能很好的控制其运动姿态，避免了甩尾、侧滑等危险，有效的提高了汽车行驶时的稳定性l10l。

5结论建立了三轴全轮转向车辆的虚拟样机模型，根据零质心侧偏角比例控制策略对中、后轴车轮转向的进行控制，对整车模型进行了操纵稳定性仿真，并将仿真结果与前轮转向汽车的仿真结果进行对比，结果表明全轮转向车辆在低速转向行驶时机动灵活陛高；中高速转向行驶时稳定性好。多轴转向技术能较好的兼顾提高汽车低速行驶时的整车机动陛和高速行驶时的整车操纵稳定性。