基于半主動空氣懸架的重型車輛側翻穩定性控制研究

劉彥峰　何鋒　陳海虹　韓雪　陳江生

摘 要：建立基于半主動空氣懸架的重型車輛半車側翻動力學模型，作為防側翻控制的基礎模型，采用模糊控制策略控制空氣懸架剛度，改變車輛的側傾剛度，實現重型車輛的防側翻控制。仿真結果表明，基于模糊控制的半主動空氣懸架能夠優化車身側傾角及側翻因子，在保障重型車輛轉向能力的同時，有效的提高重型車輛的防側翻能力。

關鍵詞：重型車輛；半主動空氣懸架；側翻；模糊控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.175

0 引言

重型車輛作為大型運輸工具，裝載貨物質量大、種類繁多，并且車輛自身質心高，在行駛過程中，易發生側翻危險，造成重大的人員傷亡和財產損失，引起交通擁堵等問題，一些運送危險物品的車輛發生側翻還會引起環境污染等問題。因此，對重型車輛的側翻穩定性控制的研究意義重大。

目前，車輛防側翻的方法主要有車輛側翻預警和主動防側翻控制。車輛側翻預警根據當前車輛行駛狀況及駕駛意圖，預測車輛的側翻穩定性，提前給出預警，但由于駕駛員的反映及機械操縱需要時間，因此，預警系統不能有效的防止車輛側翻。主動防側翻控制通過車輛底盤控制系統，如主動轉向控制、制動控制、主動/半主動懸架控制[1-2]等，控制車輛的運動狀態，實現車輛的防側翻控制。主動/半主動懸架控制系統可根據車身側傾狀況調整參數，產生防側傾力矩，對車輛的轉向能力和運行軌跡影響不大。Westhuizen[1]采用油氣半主動懸架，褚端峰[2]采用磁流變半主動懸架，一定程度上實現防側翻控制。相對的，電控空氣懸架已廣泛應用于豪華汽車、大型客車和重型貨車[3]，對空氣懸架的研究主要集中在車身高度的調節[4]、行駛平順性、道路友好性等方面[5]。

本文建立四自由度的車輛側翻動力學模型及半主動空氣懸架模型，設計模糊控制策略計算期望空氣改變量，采用電磁閥控制左右兩側空氣空氣彈簧充放氣，改變空氣懸架剛度，抑制車身側傾角。

1 半車側翻動力學模型

1.1 半車側翻動力學模型

依據車輛實際情況，考慮車輛側傾、橫擺及垂向運動的耦合關系，建立如圖1所示的半車側翻動力學模型，對模型作如下假設：模型以前輪轉角、路面為輸入，勻速行駛；忽略動載荷變化引起的輪胎特性變化及輪胎回正力矩；非簧載質量相對于簧載質量比重較小，且均假設為剛體。

半車側翻動力學模型為：

1.2 半主動空氣懸架模型

圖2為半主動空氣懸架模型示意圖，三位三通電磁閥控制空氣彈簧充放氣，實現空氣懸架剛度調節。對模型作如下假設：忽略氣路損耗，電磁閥的響應時間；氣體變化過程為絕熱過程。

空氣彈簧的數學模型為：

該模型忽略了空氣彈簧工作中有效承載面積及體積變化的非線性，簡化建模。

1.3 側翻因子

橫向載荷轉移率（LTR）反映載荷轉移程度，可以作為判定車輛側翻危險程度的評價指標，定義橫向載荷轉移率（LTR）為：

2 防側翻控制設計

2.1 防側翻控制策略

基于空氣懸架的重型車輛防側翻控制策略的目的是利用半主動空氣懸架系統控制車身側傾，防止因車身側傾角過大而導致的車輛側翻，控制示意圖如圖3所示。

ECU根據側傾角傳感器和橫向加速度傳感器實時采集的動態側傾角及橫向加速度信號，計算動態橫向載荷轉移率LTR。若橫向載荷轉移率的絕對值|LTR|超過預設的橫向載荷轉移率閾值|LTR|th時，調用模糊控制器分別計算左右懸架空氣彈簧內部氣體期望的變化量，對空氣彈簧快速充、放氣，調整空氣懸架的剛度，生成與側傾運動相反的側傾力矩，抑制車輛側傾角。

2.2 模糊控制器設計

模糊控制不依賴于被控對象的精確數學模型，簡化了系統設計的復雜性，適用于非線性、滯后、模型不完全系統的控制，因此，采用雙輸入單輸出模糊控制器。模糊控制器以車輛的側傾角Φ及側傾角的變化率dΦ/dt為輸入變量e、ec，空氣懸架充氣量mqi為輸出變量u。

輸入、輸出變量的基本論域為：Φ=[?0.08，0.08]rad、dΦ/dt=[?0.5，0.5]rad/s、mqi=[?0.008，0.008]kg。輸入變量的隸屬度函數論域設為[?1，1]，輸出變量的隸屬度函數論域設為[-1，1]，量化因子分別為：Ke=12.5、Kec=2、Ku=0.008，輸入輸出變量的模糊語言變量均設為負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）7個等級。

車身側傾時，左右懸架的行程方向相反，需根據不同懸架分別設計的模糊控制規則（見表1、2）。

模糊控制能夠解決空氣懸架建模中的線性化假設，容易控制，魯棒性好。

3 仿真結果及分析

根據所設計的模糊控制器，在MATLAB/Simulink環境下搭建控制系統模型，建立基于模糊控制的半車側翻動力學模型。以C級路面和前輪轉角為模型的輸入信號，前輪轉角分別采用圖4所示J-turn和Fish-hook工況，分別對被動空氣懸架、模糊控制空氣懸架的半車側傾動力學模型進行仿真分析。

3.1 J-turn工況下的仿真

在MATLAB/Simulink中，以J-turn工況為轉向輸入，車速60km/h，分別對被動空氣懸架、模糊控制空氣懸架的半車側翻動力學模型進行仿真分析，結果見圖5。

由圖5可知，與被動空氣懸架相比，通過模糊控制，車輛的側翻因子|LTR|的最大值由0.547下降到0.535，下降了2.19%，車輛的側傾角Φ的峰值由4.277°下降到3.224°，下降了24.91%，側翻因子及側傾角明顯得到降低。

3.2 Fish-Hook工況下的仿真

在MATLAB/Simulink中，以Fish-Hook工況作為轉向輸入，車速60km/h，分別對被動空氣懸架、模糊控制空氣懸架的半車側翻動力學模型進行仿真分析，結果見圖6。

由圖中6可知，通過模糊控制，車輛的側翻因子|LTR|的最大值由0.571下降到0.560，下降了1.75%，車輛的側傾角Φ的最大值由4.123°下降到3.320°，下降了19.48%。Fish-hook工況主要反映車輛在緊急避障過程中，車身的側傾運動，試驗結果表明，在連續轉向的情況下，車身側傾角及側翻因子也能得到較好的控制。

4 結論

建立半主動空氣懸架系統模型及重型車輛半車側翻動力學模型，通過模型仿真分析重型車輛運動耦合關系，為防側翻控制策略提供基礎數學模型；

基于模糊控制的半主動空氣懸架系統控制效果好，可以有效減小J-turn、Fish-hook工況下的車身側傾角，降低側翻因子值，提高車輛側翻穩定性。

參考文獻：

[1]Westhuizen S F V D， Els P S. Slow active suspension control for rollover prevention[J].Journal of Terramechanics， 2013，50（01）：29-36.

[2]褚端峰，李剛炎.半主動懸架汽車防側翻控制的研究[J].汽車工程，2012（05）：399-402+432.

[3]黃啟科，麻友良，王保華.汽車電控空氣懸架發展與研究現狀綜述[J].湖北汽車工業學院學報，2013（02）：27-33.

[4]Height and Leveling Control of Automotive Air Suspension System Using Sliding Mode Approach

[5]趙晶，何鋒，王浩宇，鄒俊輝.基于道路友好性的重型汽車半主動空氣懸架聯合仿真[J].起重運輸機械，2011（10）：36-40.