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摘要:从改善汽车操纵稳定性角度出发，全面考虑轮胎载荷、转向系等对四轮转向汽车操纵稳定性的影响，建立4WS（4 Wheel Steering System）整车操纵稳定模型。并用Matalab/simulink进行了模拟仿真研究。比较性地研究汽车在低速和高速时控制方式的特点和不同之处。本模型为4WS汽车设计改进优化提供一种手段和方法，同时，为4WS汽车理论研究和试验校核提供了参考。
关键词：4WS汽车；操纵稳定性；轮胎载荷；转向系；建模仿真
1005-2550（2012）05-0005-05
Research of 4WS Vehicle Stability By Modeling and Simulation
WANG Hao，YE Ri-liang，CHENG Wei，XIONG Qi-yu
（School of Machinery and Automobile，Hefei university ofTechnology，Hefei 230009，China）
Abstract: In order to improve vehicle steering stability, the influence of tire loads and steering system to the vehicle stability is taken into account in this paper, and the 4WS vehicle model is established and modeling and simulation research is carried through with the Matalab/simulink. The results point out the differences and characters of vehicle control mode in low speed and high speed. This model provides a method for 4WS vehicle design, improvement and optimization, and also provides reference for 4WS theory research and test check.
Key Words:4WS vehicle；steering stability；tire loads；steering system；modeling and simulation
随着汽车工业的不断发展，改善汽车操纵稳定性、使驾乘更加舒适和安全是现今汽车技术的一个非常重要的发展方向。作为提高汽车操纵稳定性、主动安全性的四轮转向技术在这种背景下应运而生，并得到很大的发展。四轮转向（4WS）是汽车的主动控制形式之一，它首先是由后轮与前轮逆向转向使汽车得到较小的转弯直径而展开研究的。这样的汽车在高速转弯时横摆角速度过大而影响其安全性，从而产生了低速大转角时前后轮逆向、高速时前后轮同向的转向型式。本文全面考虑轮胎载荷、转向系等对整车操纵稳定性的影响，建立四轮转向汽车整车操纵稳定性模型。并采用后轮转角比例控制方式，在Mtalab/simlink模块中进行模拟仿真。仿真结果与参考文献［7］［9］及理论研究结论一致。
本仿真模型对4WS汽车研究改进优化具有很好的指导意义，为4WS汽车设计研究和试验校核提供一种方法和手段，为采取合适的控制方法策略提供较好的依据和评价手段。
FzL1=mg■-max■-■
（■）(1)
FzR1=mg■-max■+■
（■）(2)
FzL2=mg■+max■-■
（■）（3）
FzR2=mg■+max■+■
（■）（4）
■=?准-0.0668?准2-0.1032?准2?准<
式中：?准=K?琢/?滋Pz，Pz为轮胎载荷，Ly为轮胎拖距，Fy为侧向力，Mz为回正力矩。
轮胎侧偏角模型：
?琢1=tan-1（■）-?啄1（7）
?琢2=tan-1（■）-?啄2（8）
?啄=■-■（9）
关键词：4WS汽车；操纵稳定性；轮胎载荷；转向系；建模仿真
1005-2550（2012）05-0005-05
Research of 4WS Vehicle Stability By Modeling and Simulation
WANG Hao，YE Ri-liang，CHENG Wei，XIONG Qi-yu
（School of Machinery and Automobile，Hefei university ofTechnology，Hefei 230009，China）
Abstract: In order to improve vehicle steering stability, the influence of tire loads and steering system to the vehicle stability is taken into account in this paper, and the 4WS vehicle model is established and modeling and simulation research is carried through with the Matalab/simulink. The results point out the differences and characters of vehicle control mode in low speed and high speed. This model provides a method for 4WS vehicle design, improvement and optimization, and also provides reference for 4WS theory research and test check.
Key Words:4WS vehicle；steering stability；tire loads；steering system；modeling and simulation
随着汽车工业的不断发展，改善汽车操纵稳定性、使驾乘更加舒适和安全是现今汽车技术的一个非常重要的发展方向。作为提高汽车操纵稳定性、主动安全性的四轮转向技术在这种背景下应运而生，并得到很大的发展。四轮转向（4WS）是汽车的主动控制形式之一，它首先是由后轮与前轮逆向转向使汽车得到较小的转弯直径而展开研究的。这样的汽车在高速转弯时横摆角速度过大而影响其安全性，从而产生了低速大转角时前后轮逆向、高速时前后轮同向的转向型式。本文全面考虑轮胎载荷、转向系等对整车操纵稳定性的影响，建立四轮转向汽车整车操纵稳定性模型。并采用后轮转角比例控制方式，在Mtalab/simlink模块中进行模拟仿真。仿真结果与参考文献［7］［9］及理论研究结论一致。
本仿真模型对4WS汽车研究改进优化具有很好的指导意义，为4WS汽车设计研究和试验校核提供一种方法和手段，为采取合适的控制方法策略提供较好的依据和评价手段。
1 4WS整车模型的建立
1.1 四轮转向汽车的理论基础
4WS汽车是依靠后轮和前轮共同完成转向任务的。四轮转向的目的在于低速行驶时依靠逆向转向（前轮与后轮转角方向相反）改善汽车的操作性，获得较小的转向半径，在中高速行驶时依靠同向转向（前轮与后轮的转角方向相同），减小汽车的横摆运动，提高车道变更和曲线行驶的操纵稳定性。1.2 轮胎垂直载荷模型
汽车直线行驶时，左右轮胎的垂直载荷大体相等。但转向时，由于侧倾力矩的作用，垂直载荷在左右轮胎上重新分配，这将影响轮胎的侧偏特性，导致汽车稳态响应发生变化。因此必须建立准确的轮胎垂直载荷变化模型，才能更真实的模拟实际情况。基于此，受侧倾影响的轮胎垂直载荷模型如下［2］：FzL1=mg■-max■-■
（■）(1)
FzR1=mg■-max■+■
（■）(2)
FzL2=mg■+max■-■
（■）（3）
FzR2=mg■+max■+■
（■）（4）
1.3 轮胎模型
轮胎模型采用1968年日本桥石轮胎公司对Fiala理论模型进行试验修正后得到的“Fiala－桥石”表达式［3］， 以计算整车动力学模型所需要的侧向源于：毕业设计论文总结www.udooo.com
力和回正力矩。■=?准-0.0668?准2-0.1032?准2?准<
1.54 ■=0063?准≥54 （5）
■=0.2749?准-0.095?准2-0.0872?准3+0.0353?准4?准≤2 ■=■?准>2式中：?准=K?琢/?滋Pz，Pz为轮胎载荷，Ly为轮胎拖距，Fy为侧向力，Mz为回正力矩。
轮胎侧偏角模型：
?琢1=tan-1（■）-?啄1（7）
?琢2=tan-1（■）-?啄2（8）
1.4 转向系模型
方向盘转角与前轮转角之间存在如下关系［4］：?啄=■-■（9）
1.5 整车动力学模型
简化时建立模型的条件为：x在汽车纵向对称平面内并指向汽车前进方向；y指向汽车的左侧；z为汽车竖直向上方。汽车由簧上质量和簧下质量两部分质量系统构成，忽略空气阻力、滚动阻力及轮胎侧倾效应，车辆对称部分具有相同的特性，再结合参考文献［1］［2］［12］的检测设，对整车操纵稳定性进行分析，建立4WS两轴汽车整车动力学模型如下（示意图见图1）：源于：毕业设计论文模板www.udooo.com