基于汽車底盤集成控制與最新技術(shù)研究

魯秀偉 古紅曉 陶松

奇瑞商用車(安徽)有限公司 安徽省蕪湖市 241000

1 引言

汽車控制技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，而隨著技術(shù)的發(fā)展，電子控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用也讓汽車上的電子線路模式相對復(fù)雜，所以，這也要求我們應(yīng)該從系統(tǒng)工程的角度對汽車的控制進(jìn)行重新思考，讓多個(gè)子系統(tǒng)間能夠形成協(xié)調(diào)配合，按照不同的性能要求展開控制，讓汽車底盤的質(zhì)量問題得到解決。

2 整車模型的建立過程

2.1 懸架建模

懸架建模需要考慮到模板定義懸架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在不同的剛體之間按照實(shí)車來建立其內(nèi)部的相互約束關(guān)系，并定義某些關(guān)鍵參數(shù)與懸架和其它部件之間的信息交換平臺(tái)。

例如以減震器與彈簧為例，其在仿真中的精確度要求較高，在計(jì)算當(dāng)中會(huì)將彈簧與減震器看做是線性指標(biāo)。但實(shí)際上彈簧和減震器是非線性，所以仿真結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)偏差。所以，采用屬性文件的方式來對其屬性重新定義，可以讓仿真結(jié)果更加屬實(shí)，符合實(shí)際研究的要求。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該考慮到本身的性質(zhì)。以齒輪-齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，方向盤、輸出軸、轉(zhuǎn)向齒條、傳動(dòng)軸與橫拉桿成為了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要構(gòu)成模式，轉(zhuǎn)向系模型的構(gòu)建也需要以此為基礎(chǔ)而展開。

2.3 輪胎模型

對于汽車的穩(wěn)定性來說，輪胎質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用，汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是否穩(wěn)定，需要從輪胎模型的角度展開分析，所以，為了讓仿真結(jié)果的精度有所保障，更加接近于實(shí)際情況，就需要合理分析影響汽車操控穩(wěn)定性能的影響因素[1]。例如在ADAMS的軟件當(dāng)中，應(yīng)該調(diào)用相關(guān)的函數(shù)，包括耐久性分析輪胎模型、穩(wěn)定性分析輪胎模型。前者可以通過魔術(shù)公式模型來實(shí)現(xiàn)，以三角函數(shù)的組合形式來模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，縱向力可以表達(dá)為：

以此為基礎(chǔ)建立的輪胎模型可以用公式來明確表達(dá)其力學(xué)特性，不同的參數(shù)擁有的物理意義可以通過輪胎模型的差異來進(jìn)行表示，可以快速地確定擬合精度與初值。所以在ADMAS中，可以先對輪胎質(zhì)量進(jìn)行定義，然后對其屬性文件進(jìn)行定義，包括輪胎滾動(dòng)半徑、外傾角剛度、輪胎其它、滾動(dòng)阻力系數(shù)等，并建立輪胎模型，結(jié)合與其相適應(yīng)的路面譜決定。

2.4 動(dòng)力模型

動(dòng)力模型需要根據(jù)ADAMS提供的模型來進(jìn)行參數(shù)修改，以手動(dòng)擋車型為例，離合器承載能力、離合器剛度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器檔位傳動(dòng)比等，都應(yīng)該成為模型分析的內(nèi)容。此外，在車輪上設(shè)計(jì)了制動(dòng)裝置，裝置包括制動(dòng)盤與制動(dòng)鉗兩個(gè)主要部分，在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力的大小可以通過設(shè)置的參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。

2.5 整車仿真分析

為了更好地分析整車的仿真性能，就需要對其制動(dòng)性能與行駛性能展開分析。當(dāng)汽車在勻速價(jià)駕駛的前提下，如果制動(dòng)踏板踩死，此時(shí)車輛的制動(dòng)性能與行駛性能計(jì)算就顯得非常重要。實(shí)驗(yàn)中通過模擬駕駛員控制文件來實(shí)現(xiàn)對輸入量的控制，然后將復(fù)雜的工況進(jìn)行分解，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊來分析如何展開控制。駕駛員控制文件中，也需要控制好車輛初始速度、仿真參數(shù)、變速器狀態(tài)等[2]。

3 汽車底盤集成控制系統(tǒng)分析

為了提升汽車性能，底盤主動(dòng)控制系統(tǒng)開始研發(fā)，按照類型差異，可以劃分為制動(dòng)、懸架、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)等各個(gè)部分，而各個(gè)控制系統(tǒng)在控制目標(biāo)上有所差異，例如四輪轉(zhuǎn)向的控制目標(biāo)是維持車輛穩(wěn)定，主動(dòng)懸架則是控制車輛的舒適程度。同一個(gè)控制目標(biāo)可以由多個(gè)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，但需要考慮存在基于反饋的控制系統(tǒng)冗余度問題。相比于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，基于汽車底盤的集成控制系統(tǒng)能夠克服系統(tǒng)間存在的沖突，通過制動(dòng)力控制來改進(jìn)車輛的橫向運(yùn)動(dòng)。

3.1 結(jié)構(gòu)研究

具體集中控制結(jié)構(gòu)模式可以通過圖1來表示。

如圖1所示，集中控制利用一個(gè)控制單元來對所有信息進(jìn)行匯總，然后結(jié)合子系統(tǒng)的狀態(tài)與傳感器信息，利用全局優(yōu)化算法來統(tǒng)一控制執(zhí)行，集中控制器可以取代原有子系統(tǒng)的控制器。但集中控制在設(shè)計(jì)控制器時(shí)需要考慮到設(shè)計(jì)難度問題，因而也出現(xiàn)了如圖2所示的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)模式。

圖2所示的結(jié)構(gòu)模式克服了集中控制系統(tǒng)中的性能問題與缺陷，利用不同的子控制模塊來實(shí)現(xiàn)集成底盤控制系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于有效地利用了所有的控制模塊，并且在子模塊的基礎(chǔ)上增加了協(xié)調(diào)控制器，可以充分調(diào)動(dòng)子系統(tǒng)的工作。例如，系統(tǒng)可以結(jié)合車輛的行駛狀態(tài)與路線規(guī)劃等信息，將信息數(shù)據(jù)安排至不同的控制器當(dāng)中，控制器再實(shí)現(xiàn)對于執(zhí)行器的控制。

3.2 系統(tǒng)控制方案

汽車的子系統(tǒng)間相互影響，在整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中也應(yīng)該高綠道這一點(diǎn)。例如在汽車懸架與控制系統(tǒng)當(dāng)中就應(yīng)該具體分析不同參數(shù)間產(chǎn)生的間接影響，而子系統(tǒng)各自的控制器也應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。對于汽車底盤懸架系統(tǒng)來說，在地面制動(dòng)力的影響之下，汽車的制動(dòng)距離、車速始終處于變化狀態(tài)，由于制動(dòng)減速度的影響，動(dòng)載荷位移的產(chǎn)生與汽車車速的降低必然導(dǎo)致白噪聲路面處于時(shí)變轉(zhuǎn)臺(tái)，此時(shí)汽車懸架的控制器也應(yīng)該在控制模式上進(jìn)行轉(zhuǎn)變[4]。

基于這一原因，按照集成控制兩種結(jié)構(gòu)的不同特征，可以設(shè)定兩種不同方案，一是對ABS系統(tǒng)與主動(dòng)懸架分別設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；二是將制動(dòng)系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的模型融合，集中進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過具體的研究后，也不難看出在車輛底盤集成控制的工作當(dāng)中需協(xié)調(diào)好汽車制動(dòng)系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的相互影響問題，一方面保障汽車的穩(wěn)定性與行駛性能，另一方面則保障制動(dòng)的安全性。

4 結(jié)語

研究對底盤集成的相關(guān)內(nèi)容與控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并結(jié)合ADAMS來建立了整體的虛擬模型，根據(jù)模擬的結(jié)果分析了車輛的行駛性能與制動(dòng)性能，在未來的虛擬樣機(jī)上假裝控制系統(tǒng)后，試驗(yàn)結(jié)果分析也能為后續(xù)的研究提供數(shù)據(jù)資料。結(jié)果表明，基于集成控制思想能夠更好地協(xié)調(diào)汽車制動(dòng)系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)，綜合控制效果與性能也比多個(gè)系統(tǒng)簡單相加要更有效。但我們需要注意到底盤集成控制作為一項(xiàng)系統(tǒng)化工程，在未來的研究過程中還可以重點(diǎn)結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究，并考慮到某些參數(shù)可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變，減少控制效果與數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差。