后輪隨動轉向車輛行駛穩定性研究

姜岳平

（蘇州建設交通高等職業技術學校，江蘇 蘇州 215104）

前言

后輪隨動轉向是一種無需轉向機構的被動轉向技術，利用車輛彎道行駛時車輪受到的側向力和后懸架的側向彈性實現后輪轉向。

1 隨動轉向車輛動力學建模

分析此模型時，車輛坐標系的原點與汽車質心重合。x軸與y軸分別表示車輛的橫向與縱向方向；Ff與Fr分別表示前、后輪的側向力；uf與ur分別表示汽車前軸和后軸的速度方向；αf與αr分別表示前、后輪的側偏角；δf為前輪轉角；δc為隨動轉向角；δe為y軸與后軸速度方向的夾角；質心速度uo在x軸上的分量為u，在y軸上的分量為v；質心的側偏角為β，β=v/u；ωr為汽車橫擺角速度。

圖1 后輪隨動轉向兩軸車輛模型

假定質心的側偏角β很小且∣β∣<<1，然后前、后輪的側偏角就可以被表示為：

其中a、b是汽車前、后軸到質心的距離，汽車的軸距就是L，L=a+b。

汽車模型可以表示為（包括橫向和橫擺運動）：

其中kf、kr是汽車前、后輪的側偏剛度。

根據方程（2），可以表示為車輛運動狀態空間模型：

方程（3）中的系數矩陣表示為如下：

2 MATLAB/SIMULINK仿真

文中所使用的車輛和輪胎的關鍵參數 m=1740kg，a=1.035m，b=1.655m，kf=-35000N/rad，kr=-37500N/rad，Iz=3048kg·m2。

2.1 SIMULINK模型

帶隨動轉向的車輛的SIMULINK模型如圖2所示，先給定一個階躍輸入，然后通過一系列的運算得到橫擺角速度、

圖2 帶隨動轉向的車輛的SIMULINK模型

2.2 仿真分析

a.質心位置

由圖3可以看出質心位置后移時，汽車質心側偏角在開始 2S時產生負偏，汽車不穩定，而質心位置越靠前，波谷越小，前期越穩定，后期影響較小。

圖4表明，質心位置越靠前橫擺角速度的波峰越小，穩定時的數值也越小，也就是表明汽車行駛越穩定。

圖3 質心位置變化時的車輛質心側偏角

圖4 質心位置變化時的橫擺角速度

圖5 質心位置變化時的隨動轉向角

圖5顯示，質心位置對隨動轉向角的影響較大，質心位置越靠前，隨動轉向角越小。

b.輪胎側偏剛度

經仿真得出，輪胎側偏剛度對由車輛質心側偏角和隨動轉向角的影響不大。由圖5可知，3條曲線是逐級遞減的，所以前輪側偏剛度對車輛橫擺加速度的影響是前輪側偏剛度越大橫擺角速度也越大，車輛的穩定性也越弱。

圖6 后輪側偏剛度變化時車輛的隨動轉向角

由圖6可知，后輪側偏剛度與前輪的側偏剛度的影響剛好相反，后輪側偏剛度越大時，隨動轉向角會越小。

c.車輛質量對隨動轉向性能的影響

選取了兩種車輛質量與表3.1所示的質量結果進行比較，一種是質量為1500KG；另一種是質量為2000m/s，其仿真結果如圖7、圖8及圖9所示。

圖7 質量變化時車輛的質心側偏角

圖8 質量變化時車輛的橫擺角速度

圖9 質量較大時車輛的隨動轉向角

由圖7可知，質量對車輛質心側偏角的影響較小。由圖8可知，其峰值很接近，而穩定時質量越大橫擺角速度會變小。

由圖9可以看出質量越大隨動轉向角也越大。

3 結論

基于帶隨動轉向車輛的動力學模型研究，不同車輛參數和輪胎參數對汽車行駛穩定性的影響。質心位置越靠前，車輛越穩定，隨動轉向角越小。車速只在前期會影響穩定性，后期不會影響；但車速越大隨動轉向角會越大。前輪側偏剛度只對橫擺角速度有影響，側偏剛度越大會導致車變的不穩定。而后輪側偏剛度只對質心側偏角有影響，但也如同車速一樣只會影響前期的穩定性。質量越大的車會越穩定，隨動轉向角會越大。