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使用主动式防倾杆改善越野车辆的操纵性
P.H. Cronjeacute;, P.S. Els *
摘要
为一个特定的、定义良好的道路类型或操控设计车辆的悬架系统已不再是一个挑战。随着车辆的应用纲要的广泛, 找到弹簧和阻尼特性来实现一个可接受的平顺性和处理之间的妥协变得越来越难。车辆,既需要良好的越野能力又需要良好的平顺性能，这构成了巨大悬架设计的挑战。具有良好的越野能力的车辆，通常会受到道路处理不良的影响。这些车辆由于增加了地面间隙而设计的重力中心，软悬挂系统和大轮行驶增加乘坐舒适性和确保所有车轮的牵引力。所有这些特性导致了坏的操纵性能和增加的翻滚倾向，即使在良好的水平道路。期望这些车辆具有一个正常道路车辆的处理特性。这在不牺牲乘坐舒适性的基础上，分析了一种主动式横向稳定杆的使用方法，以提高越野汽车的行驶平顺性。所提出的解决方案是模拟，设计，制造，实施和测试，以量化的效果获得主动式横向稳定杆，以同时满足越野车的操控和乘坐舒适性。
1.介绍
车辆悬挂系统的目的是使车辆从轮胎的不舒服振动分离开，这些振动是因为道路的不平而引起。并且通过对传输的控制使振动返回轮胎，以使驾驶员能够保持对车辆的控制。在过去几年中，运动型多功能车（SUV）的普及显著增长。虽然大都用于普通道路，但是SUV往往是为越野而设计的。在处理SUV的翻滚上造成了极大的关注，而且打开一个新的的研究领域。
根据dukkipati等人的调查。在1985-1990期间，美国百万美元的注册车辆里，因翻滚致死的SUV占了32%。在1988年期间，致命的旅客车辆碰撞事故中，因SUV而造成的事故占了总数的10.7%。到2002年，这个统计数字增加到了25.6%。SUV致命事故急剧增加的原因在于这些年来，SUV人气的持续增长。
根据这些数据得出的结论是，SUV的侧翻导致的安全问题迫切需要得到解决。
“操作性”是一个广泛使用的术语。它可以表示为车辆对驾驶员通过方向盘的输入的响应。这是一个闭环控制系统。驾驶员确定车辆的期望路径，并通过转向输入到车辆的车轮上。车辆对驾驶员的输入作出反应，道路和周围环境情况反馈于司机，没人会注意到车辆通过响应和纠正输入来实现所需路径。
当车辆高速转弯时，轮胎产生横向力量并作用于车辆上。根据牛顿的第二定律，重心（CG）是横向加速度的中心点。在一个标准的车辆里，车辆的重心高度CG（HCG）一般是高于轧辊中心的高度，由于这一事实，横向力瞬间施加在轧辊的中心。这造成了车辆在转向时刻，车身向侧面倾斜。这减少了车轮内侧的垂直载荷，并使减少的部分增加在了车轮外侧上。横向力和轮胎的垂直载荷之间的关系是一个非线性关系，由于这一原因，车辆车轮的内侧和外侧的垂直载荷使得横向的侧倾力得以减少。增加侧向载荷的转移（例如，使用刚性弹簧或防侧杆）可以利用轮胎减少所产生的侧倾力[14]。
据forkenbrock等人的研究，车辆在翻转时绕着轮胎外侧与地面的的接触点旋转。[12],在转弯时，静态稳定因子（SSF）是否稳定是由稳态条件和刚性悬架确定，由：
SSF =t/(2hCG)
t=轮距（m），hCG=重心离地面的高度（m）
可以看出,如果SSF大于轮胎与路面之间的摩擦系数,则它将滚动，反之亦然。
从这一简化的线性车辆模型分析横向动力的理论结果可以得出结论，要提高车辆的可操作性能，就必须增加车辆产生的横向加速度。但是，如果横向加速度作为优化变量，轮胎和道路之间的侧倾力将会增加，这将导致车辆在滑动前就会翻滚。这种情况是不可取的，因为它损害了车辆的安全性。这就是大多数高重心车辆的实况，比如SUV车。
尤伊斯等人进行了一项相关的研究，[25]是关于什么参数应该应用于量化和优化车辆的操纵性能。这项研究重点指出，滚动角是一个合适的变量来量化操纵性能。相对于优化悬架系统，给车辆的行驶道路和操纵范围做一个规定也是合适的。提高SUV的防倾性能是本研究的目的，结论是减轻车辆的倾向趋势，以防超出安全范围或者设计悬架系统，以便使车辆滑动易于翻滚。
基于尤伊斯等人的建议。[25]翻滚角将用于量化和优化处理目前研究中使用的车辆。减少翻滚角，即车辆在处理动作的角度需要增加，从而增加车辆的滚动刚度，也增加了轮胎的垂直载荷传递。这将力传递于轮胎，使得侧翻力较低，从而减少车辆翻转的风险。换句话说，优化车辆的滚转角提高了车辆的安全性和降低了翻转倾向。
通过操作动作优化滚转角可以从以下三种方法来实现：
（1）降低车辆重心高度增加SSF，在车辆翻滚之前，提高车辆的滑动趋势。较低的重心点与半主动或主动悬架系统可以使车辆在行驶中有较高的控制性。
（2）增加悬挂刚度或阻尼，将降低车身的侧倾，同时特增加轮胎内外部垂直载荷的传递，减少轮胎与道路间的侧向力。这可以通过被动、半主动或主动悬架系统来实现。
（3）一个附加的系统可以增加悬架的刚度。这将增加轮胎垂直载荷的传递和减少轮胎与路面之间的侧向力。这可以在半主动悬架和主动悬架里的半主动和主动防倾杆实现。
2．文献研究
经过比较文献中解决乘坐舒适性的各种方案，获得了较好的解决方案。这些解决方案包括被动悬架系统，半主动悬架系统，主动防倾杆和主动悬架系统。
通过比勒陀利亚大学的Els开发的陆虎队后卫110测试车是适合用于目前研究的四状态半主动悬架系统。这是一个液压气动悬架里，离散弹簧切换系统的设计，它的特点和双离散阻尼器的特点相似。开关是由液压提供动力的电磁阀装置。hannelling液压液电磁阀装置。系统通过切换软装置（软弹簧和低阻尼）和刚性装置（刚性弹簧和高阻尼）来改善乘坐的舒适性。
该系统已完成测试，其中刚性设置减少了78%，最大车身滚动角大于测试车在DLC（双移线）上70公里/小时行驶时的最大车身滚动角，并通过了90%的软设置。软设置之后进行了类似的工厂车辆在比利时的路乘坐舒适性的测试，结果显示获得了50 - 80%的改善，在乘坐舒适性上超过了刚性设置。通过评估几个车辆参数，设置控制系统自动切换“乘坐舒适性”和“操作性”的模式。在系统中通过对车辆进行水平悬挂的调节来控制乘坐高度支柱是是装有气体的[ 10 ]。
Wilde等人，[27] 提出了一种被动的互联悬架系统。它由四个液压缸，两个蓄能器和连接管组成。这是一个测试用的本田CRV，符合国家公路交通安全协会的操纵要求。车辆以最大的速度行驶，使两只轮子没有从地上抬起两英寸以上，或让一个轮辋接触地面来进行测量，以确定系统的性能。该系统改进使钩车从43英里的的速度提升到60英里每小时。
Kim等人，[ 18 ]介绍了它的连续的半主动悬架系统（sdc-20模型）。本该系统用可变液压阻尼器控制悬架的阻尼。变量阻尼是用来控制车辆车身的响应的，在测试时，用于严峻的道路，使车辆进行空降，下蹲，偏航，俯仰和升沉等动作。不同的设置使汽车的运动性和乘坐舒适性不同。设计的目的是：（1）优化控制阀的设计，并保持它紧凑和快速响应的特性（2）加强可控性，功能，操纵性和安全性以及与电除尘器（电子稳定程序）的融合。该系统的仿真结果是在一个单一的周期内，输入的振幅为90的正弦信号，对车轮进行了模拟处理。
Darling和Hickson [ 6 ]设计了一个主动式防倾杆，该防倾杆由两根液压驱动的防倾杆组成。完成了模拟预测系统的响应。最后安装一个福特嘉年华Mark II的仿真验证系统。进行了2次试验。第一个测试是一个稳定状态的操纵性试验，车辆速度增加，而一保持恒定的转向角。在这次测试中车辆的横向加速度范围是0.5到8 m/s2之间。二次测试是一个动态的处理测试。在这测试过程中，车辆以恒定的速度和阶跃输入，幅度分别为90，180，270和360，施加于方向盘上。在测试演习中通过测量车身的翻滚角来评价车辆可操纵性能的额定值。结果表明，在稳态试验中对车身的改进超过80%，并且车身最好的车身翻滚角约为动态处理测试中的80%。类似的解决方案，由Everett等人，[ 11 ]，Darling等人。[ 8 ]，Cimba等人，[ 4 ]，Danesin等人，[ 5 Sorniotti] [ 21 ]，以及Kim和Park [ 17 ]给出。
shuttlewood等人。[ 20 ]提出了一种非线性模型液压气动悬挂系统。悬挂支柱通过移动蓄能器和液压泵支柱之间的油来驱动。控制系统使用的横向加速度是通过系统响的应来确定的。只有模拟系统获得了结果。仿真结果未经实际测试验证。一个J-turn车辆通过实验模拟了0.8g的横向加速度。车身翻转角是对车辆操纵性的一个量化量。其中一个问题就是，当车辆进入转弯车身悬架表现出较低的振荡阻尼。这可以通过减少移动距离CG为0.6米的加速度计来实现所需。仿真结果表明，该系统在J-turn的演习结果中，80%都提高了车身的侧倾角。相似的解决方案是Packer[19], Tillback和Brodd [23], Darling和 Rosam [7] ，还有Hubert和Kumar [15]给出的。
SUV的设计是即满足普通道路又满足越野环境，所以不应该把改善乘坐舒适作为改善其操作性能的条件之一。
本研究的目的是实现一个方案来提高SUV在崎岖地形的处理能力，而不影响其乘坐的舒适性。这是通过调查测试，在平坦的道路上行驶和在一条崎岖不平的道路上的行驶车辆的操作性能和乘坐舒适性获得的结果。没有发现当前的文献有专注于这个主题的
目前用于测试研究的车辆已经装了4s4，所以以下两个逻辑概念值得进一步调查
（1）通过把4s4悬架的阀门更换为比例阀和使用主动控制系统，该系统是一个可以主动改变高度的控制系统。该系统的优点是它不仅可以很容易地适应控制侧翻，而且可以适应一些响应慢的或部分主动的悬架。成本高，系统复杂度高和高压高流量要求是缺点。
（2）加一个主动式防倾杆。优点是系统成本低、流量所需低，但该系统是不太适应其他改善特点。
本研究着眼于现有的4s4悬挂系统车辆，在不牺牲乘坐舒适性的基础上对其增加主动式横向稳定杆来提高车辆在崎岖的道路上的处理能力。得出以下解决方案：使用该4s4软悬挂（软弹簧和软阻尼器）吸收道路的颠簸，与一个主动防侧倾杆（异步叠轧）共同控制车辆的侧倾。由于空间的限制，只能在车辆尾部实现异步叠轧。
图1
3.模拟
模拟是用来测试主动式防倾杆的可行性，并预测系统的结果，得到一些关键的设计参数。一个现有的ADAMS/View2005, LandRover 110测试车模型，由Thoresson [22]和 Uys [24],研发的并使用与本研究。这是一个非线性的全车模型，有15个无约束的自由度。ADAMS/Controls接口是用来链接MATLAB和SIMULINK的ADAMS/View。ADAMS解决了车辆动力学复杂的计算，Matlab和Simulink控制了悬架特性和异步叠轧。Uys等人解决了翻滚，俯仰和偏航时刻的惯性，以及通过实验测量确定所描述的车辆的重心点[ 26 ]。试验车与仿真模型都应用了4s4。前悬架模型通过一个纵向固定的刚性轴连接到车身与橡胶衬套。刚性轴与防倾杆固定。后悬架模型与刚性轴双尾臂连接。尾部的刚度在仿真模型中还包括了橡胶衬套。，Thoresson [22]对模型进行了乘坐舒适性和操作性能的仿真验证，Uys[24].对模型进行了侧翻的仿真验证。初步仿真的一些特
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