一種轉彎時調整座椅側向高度差減輕側推感的方法

鐘蔓芩， 鐘克華

（1.哥倫比亞大學， 美國 紐約 10027；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣州 廣東 510640）

1 前言

由于離心作用，車輛轉彎時會向轉彎方向外側傾斜，使得乘坐的用戶感受到一股側推感，側推感的強弱與轉彎時的車速有較強關系。如果需要減輕側推感，可以通過調節懸掛力度（軟硬） 來實現。石春[1]和陶永明[2]利用調節懸架，使車輛轉彎性能得到提升，因而減輕側推感，其可提高車輛乘坐舒適度，也可以通過調節座椅側向高度差的方式來實現。本文提出一種轉彎時調整座椅側向高度差減輕側推感的方法，該方法是通過獲取路面信息與方向盤轉動角度，利用向心力公式計算出轉彎時外側合適的上升高度或內側的下降高度，得到側向高度差，以此高度差調節座椅左右側向高度。這樣可減輕轉彎時用戶乘坐的側推感，提高用戶乘坐的舒適度。

2 基礎和原理

轉彎時調整座椅側向高度差，減輕側推感，提高乘坐舒適度。此方法分低速和高速兩種情況處理。在低速轉彎時，不需要調整；在高速轉彎時，則通過計算得到轉彎時的理論傾斜角度，減去道路轉彎處實際的傾斜角度，從而計算出座椅側向高度差，以此高度差調整座椅左右側高度，即可實現減輕側推感進而提高乘坐舒適度。

前提條件：車輛前后輪間距L、車輪左右間距W是車輛的固定參數，當車輛確定后，即為確定值。這些參數作為后面計算的基本數據輸入。

1） 低速轉彎：在低速時轉彎，后輪沒有轉向，轉向中心在后車軸的延長線上。如圖1所示，可得低速轉彎時轉向計算簡圖。

圖1 低速轉彎時轉向計算簡圖

前輪理想轉向角可以依據圖中的幾何關系和在轉向時給定的轉向角來確定。由于駕駛的轉向角非常的小，R遠遠大于t，因而可用tanδ=sinδ=δ進行近似處理。轉向中心到質心的距離近似等于轉向中心到后軸中心的距離。外側轉向角和內側轉向角與轉向半徑的關系為：

式中：δo——外側轉向輪轉向角；δi——內側轉向輪轉向角；L——軸距；R——車輛轉向半徑；t——左右車輪中心間距。此時，輪胎不需要產生側向力，側推感小，不需要調整左右座椅高度差。

2） 高速轉彎：在高速轉彎時的轉向半徑遠大于車輛的軸距，方向盤轉角很小，轉向角為一小角度，可以忽略前軸內、外側車輪的轉角差。因此，兩個前輪可以用轉角為δ的一個車輪表示，并且認為左右車輪的側偏力是相等的。如圖2所示，可得到高速轉彎時轉向計算簡圖。

圖2 高速轉彎時轉向計算簡圖

在高速轉彎的轉向狀況下，輪胎產生側向力。同時，輪胎滾動時也會產生側偏。輪胎前進方向與行駛方向之間的夾角是側偏角，側向力為側偏力。當輪胎載荷一定時，側偏力隨著側偏角的增大而增大。

向心力的大小與車速大小高度相關，側推感也隨著速度的增高而變大。在高速轉彎時，可以依據下列步驟獲取數據輸入，計算得到左右座椅高度差。①車速、車重、轉向輪外側轉向角、道路轉彎處傾角等參數，可依據車輛的傳感器獲得；可以從車輛CAN[3]總線上獲得數據；②計算轉彎時的轉向半徑；③計算轉彎處的理論傾角；④計算座椅左右高度差；⑤計算座椅內外側升降高度。

依據計算得到的內外側車輪高度差，調整座椅左右側高度，即實現了減輕側推感，提高乘坐舒適度。

3 實現方法

因低速轉彎側推感小，不需要調整左右座椅高度差，故在實現方法中，只考慮高速轉彎的情形。在車輛以較高速度轉彎時的轉向半徑遠大于車輛的軸距，轉向角為一小角度，忽略前軸內、外側車輛的轉角差，計算簡圖如圖2所示。按下述步驟計算得到座椅左右側高度差。

1） 步驟1：獲取輸入數據。獲取當前車速V、當前車重G、轉向輪外側轉向角δ、道路轉彎處傾角γ（即道路轉彎處的道路本身的傾角）。這些數據均由車輛的傳感器獲得。

2） 步驟2：計算轉向半徑。根據輸入的轉向角和車輛參數，計算得到此時轉向輪轉向半徑。

式中：δ——外側轉向輪轉向角；L——軸距；W——左右車輪間距；R1——外側轉向半徑；R2——內側轉向半徑；R——車輛轉向半徑；φ——車輛轉向半徑修正系數，依據試驗數據回歸計算獲得。

3） 步驟3：計算理論傾角。根據向心力公式以及整車重力，可計算得到轉彎理想傾角β（轉彎處理想路面跟水平面之間的傾斜角），即車身受力合力與垂直路面法線的夾角，如圖3所示。

圖3 轉彎傾角及高度差計算簡圖

式中：β——轉彎傾角；V——前進速度；g——重力加速度；F——向心力；G——整車重量；m——整車質量；R——車輛轉向半徑。

4） 步驟4：計算座椅左右高度差。根據計算得到的轉彎傾角β，可得到內外側車輪高度差，如圖3所示，即為需要調整的座椅高度差理論值：

式中：β——轉彎傾角理論計算值；γ——轉彎處道路傾角；H——左右車輪高度差；W——左右車輪間距。此高度差值為理論計算值，因車輛兩側剛度存在差異，故兩側變形量也與理論值會存在不一致。在實際調整時，需要通過試驗數據進行回歸修正。

5） 步驟5：計算座椅內外側升降高度。通過計算得出的座椅高度差H，可得出車輛兩側座椅上升/下降高度：座椅轉向外側升降高度Ho=H/2；座椅轉向內側升降高度Hi=-H/2。

至此，已計算得到座椅左右側需要調整的高度值，輸入給執行機構，完成調整。此高度差考慮了轉彎處道路實際存在的傾斜角對轉彎傾斜的影響。

4 應用

通過計算，可得出轉彎時座椅左右兩側高度差H，結合試驗數據進行回歸修正，得到車輛轉彎時座椅兩側高度調整值，可實現車輛轉彎時座椅實時調整。然后，利用座椅調整，減小轉彎的外拋感，可提高用戶乘坐體驗，也就提高了車輛轉彎時的乘坐舒適性。轉彎平穩，乘客安心，乘坐舒適。對于駕駛員來說，在面對緊急情況急轉彎時，減小外拋感有助于其掌控車輛，減小事故發生概率。

座椅左右側高度調整如與車輛懸掛系統有機結合，讓車輛轉彎時外側懸架升高，內側懸架降低，可以有效幫助車輛順利過彎，降低車輛發生側翻事故的可能性，減小事故發生的幾率，對行車安全有貢獻。