基于A D A M S的四轮转向汽车建模与仿真

王春林，张培明，马乐群

（1. 青岛理工大学，山东 青岛 266520；2. 潍坊科技学院，山东 潍坊 262700）

1 引言

四轮转向技术（Four Wheel Steering，4WS）是主动底盘控制技术的重要组成部分，其模型一般采用的是简化的线性二自由度车辆模型，没有考虑车辆中高速转向时车轮垂直载荷转移和轮胎的非线性问题［1］。为使车辆模型更加逼近真实车辆，本文考虑悬架系统、转向系统以及轮胎、衬套等部件的非线性，运用ADAMS/Car建立4WS车辆的虚拟样机模型，采用后轮转角比例于前轮的控制策略对其操纵稳定性进行仿真分析。

2 建立4WS车辆虚拟样机模型

2.1 建模假设

建模时做如下假设：①车身简化为一个具有集中质量的刚体，并将质量集中于重心处，重心位置在运动过程中不变；②轮胎、弹簧、阻尼、衬套等由特性文件描述其力学特性，其它零部件均看做刚体。

2.2 整车建模

在共享数据库整车模型 MDI－Demo－Vehicle－It的基础上，通过改造转向模板和车身模板来创建四轮转向汽车整车模型。其模板是在齿轮齿条式转向系示范模板的基础上增加一个齿条式后轮转向机构而建立的。

齿套 rear－rack－housing与车身固定连接，为了保证转向系模板能与车身模板正确装配，必须使用Mount part来保证正确的位置。所建模型车辆的主要结构参数，见表1。

表1 车辆参数

2.3 后轮转角控制的实现

后轮转角控制的实现就是确定后轮转向机构中的移动驱动函数，也就是建立后轮转角与方向盘转角之间的关系。后轮转角比例于前轮的控制方式可以实现四轮转向车辆低速“反相转向”，高速“同相转向”功能，它通过前后轮转角成比例（δ2＝Kδ1）的实时控制，使汽车稳态转向时的侧偏角β为零，从而使汽车具备良好的方向性。其中比例系数K是通过令4WS汽车2DOF模型的运动微分方程中的质心侧偏角为零计算得出，具体计算公式如下：

式中参数k1，k2，u均可从表1查出。模型中k1＝－152 843.442 6 N/rad，k2＝－164 538.707 8 N/rad。这样，知道仿真车速的情况下，比例系数K可以通过计算求出。

要通过公式（1）计算后轮转角δ2，还需要知道前轮转角δ1，而前轮转角δ1可以通过方向盘转角除以转向传动比得到。将转向系统与前悬架系统装配成悬架总成，对其进行转向仿真分析。齿轮齿条式转向器默认的转向系传动比大约为25。根据轿车的转向系传动比一般为12～20，本文将其设置为15，即在前轮转角为5°时，方向盘转角必须为75°。

通过公式（1）计算后轮转角δ2。确定后轮转向机构移动驱动函数为：2.5*K*（VARVAL（.steeringwheel_angle））/15。其中，系数 2.5是后轮转角与移动位移的转化系数，K值由公式（1）确定，15为转向传动比。

3 4WS虚拟样机模型仿真分析

对建立的4WS整车模型进行前轮角阶跃输入仿真，阶跃信号以0 s为起跃时间，持续时间为0.5 s，仿真时间为10 s，分别取幅值为5°，仿真车速20 km/h和幅值为2°，仿真车速100 km/h，并把仿真结果与同参数的前轮转向2WS整车模型MDI_Demo_Vehicle_lt相比。质心侧偏角和横摆角速度瞬态响应分别如图1～4所示。

图1 20 Km/h质心侧偏角瞬态响应曲线

图2 100 Km/h质心侧偏角瞬态响应曲线

图3 20 Km/h横摆角速度瞬态响应曲线

图4 100 Km/h横摆角速度瞬态响应曲线

从以上曲线可以看出：①对比图1和图2，两轮转向汽车2WS车速越高，其质心侧偏角达到稳态值的时间越长。4WS汽车的质心侧偏角有明显减少，稳态值更接近于零。4WS汽车能更好的控制汽车的运动姿态，提高汽车行驶时的操纵稳定性。②低速时4WS的横摆角速度增益大于2WS，表明转过同样弯道时4WS汽车更加容易，即4WS能较大地减小最小转弯半径，提高了汽车的机动性。高速行驶时，四轮转向车辆横摆角速度超调量要小于两轮转向车辆，有助于汽车更加平稳的转向。

4 结束语

根据仿真结果，可以看出4WS汽车的优点是减少了汽车转弯过程中的质心侧偏角，同时低速时4WS的横摆角速度增益大于2WS，能较大地减小最小转弯半径，提高了汽车的机动性；高速时，阶跃响应超调量较小，使转向更平稳。但后轮转角比例于前轮的控制策略也存在缺陷。高速时4WS汽车横摆角速度稳态增益减小，这导致高速行驶时驾驶员的疲劳程度增加，增大了驾驶的难度。

［1］周红妮，陶健民.车辆稳定性控制策略研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2007（1）.