主动式横向稳定杆在车辆平顺性和稳定性上的应用
摘要：在汽车和机械领域有许多有关主动横向稳定杆（AARB）的文章。这些系统通常都是设计出来改变汽车的侧倾刚度值，来减少侧翻的可能性。在本篇文章中，AARB的应用将会从乘坐舒适性和操纵性两个方面来解释说明。第一点，这篇文章在将车分成一半的情况下提出了四个自由度的基本动态模型（degree of freedom），并解释说明了在前横向稳定杆有受外力的时候影响操纵性和舒适性的原因及其影响过程。基本上，这篇文章重点在理解在外力作用下汽车的动态表现和横向稳定杆机构的作用。并且模拟测试也被提了出来，使用MATLAB/SIMULINK软件向我们表明车的结构特点如何来影响其侧倾角度和侧倾率。通过模拟软件，模型的设计有效性和在实际应用中表现性会得到实现。最后，在这个系统中一些有关控制策略的基本结论将会在未来被调查和应用。
关键词：横向稳定杆；平顺性；操纵性；控制策略
1.基本介绍
平顺性和操纵性是车辆的两个重要性能指标，并且直接影响到顾客与客户的满意度。 不幸的是，在平顺性和操纵性之间有一个平衡点，而且对于车辆工程的工程师们来说，找到这其中刚好合适的点同时满足其平顺性和操纵性是一个非常大的挑战。在如何平衡这两项指标的主动系统上已经做了许多的研究。有些研究更倾向于发展主动悬架而剩下的倾向于精心研究横向稳定杆的发展。但是在工厂工人们的眼里，利润才是最重要的影响因素。在成本的影响下，横向稳定杆相比主动悬架有较大的优势，应为它可以以较低的成本来解决平顺性和操纵性之间的矛盾。
基本上，被动横向稳定杆在单轮受力和转弯时减少车辆侧倾加速度和侧倾角有很大的优势减少了车辆的侧倾程度，驾驶的安全性的操纵稳定性将会大大提高。 [1]但是，被动横向稳定杆也有其缺点。在转弯的时候，被动横向稳定杆会将悬架一边的力传递到悬架另一边，因此在横向而产生了力矩。
不幸的是，在直线行驶的时候，由于道路条件不好引起的不良影响和转弯时引起的不良影响是一样的，所以也一想起乘坐舒适性。出于这个原因，在同时保证其乘坐舒适性和操纵稳定性的情况下，用相对来说较低的人力和财力，以相对主动悬架较低的成本发展研究主动横向稳定杆，来改善被动横向稳定杆的缺点不足是很好的。已经做了许许多多的研究来尽力平衡其平顺性和操纵性。这其中包括被动悬架系统，半主动悬架系统，主动悬架系统和横向稳定杆。但是，横向稳定杆近年来在改善操纵性和平顺性上被应用的非常广泛。 P.H.CRONJE 和 P.S.ELS已经在越野车上研究了主动横向稳定杆对其的影响。这篇文章也分析了主动横向稳定杆在越野车上对操纵性的改善，然而不考虑其舒适性来自S.GOSSELIN-BRISSON[3]的文章描述了主动横向稳定杆的控制并且能够同时提升操纵性和稳定性为了分析主动横向稳定杆系统的表现，将会用一个普通悬架系统，装有被动横向稳定杆或不装来作为比较。显而易见，大多数的AARB研究是为了发展主动控制系统。
但是，根据执行元件的类型和其安装位置又有很大的区别【4】在ARC中最常用的和ARB特定的执行元件是液压气动和液压系统[5]。然而这些驱动器的明显缺点是其高成本和在复杂路况和转向输入时的响应滞后。
二中选一，Kim和Lee发展了一个ARC系统，通过利用横向加速度和侧倾率来反馈给电子驱动系统【6】。为了加强其控制力度，他们提出了一个混合滚动控制系统，这个系统拥有可变阻尼的优点，而且还发展了一个电驱动主动悬架系统，作为控制车身侧倾的技术【7】特别是，他们从现实世界驾驶模式的广泛研究获得了电弧致动器的要求他们也表明采用应变波传动减速齿轮的机制和利用其滞后特性的电驱动系统中，可以实现显著的节能该系统包括使用电动马达和齿轮减速机控制辊和检测车辆的运行状态的各种传感器的主动式减摇装置执行器。
除此之外，一个被称为称为动态驱动器主动横向稳定杆系统已在宝马车上得到应用和发展 [8]。此系统显著减少转弯时的侧倾角，由有完整传感器的液压气门块组成，一个液压泵耦合到转向动力泵，一个横向加速度传感器、一个控制单元、 几种液压线和两个主动防侧倾杆旋转液压执行器的液压泵与液压阀块。
本文将重点了解车辆动态行为下横向稳定杆机制的影响。为了模拟车辆行为，线性四度半车模型和防倾杆模型。本文的目的是要表明在几中诱导练习下主动横向稳定杆能够显著提高车辆动态行为。
2 汽车模型的建立
在本节中，线性的四自由度半车模型已经发展了。模型基于单线模型与轧机辊动力学从自行车模型与半车模型集成开发。
A 轧机辊动力学线性单线模型
最简单的运动车辆模型是线性层模型，也被称为自行车模型，推导出逼近的前线和后方对轮子作为单轮。如图一所示，设转向角度为б，其数值很小。运动方程由（9）给出：
和是前轮和后轮的侧向力。和是前轮和后轮的转向系数。和是前后轮的滑移角。可以近似表示为：
系统的输入时转向角б，而系统的输出是横向速度 滑移率和侧倾角,传递函数方程为单线模型与辊的动力学系统写为：
横向加速度：
侧滑角加速度：
单线性模型的侧倾角加速度：
B 半车模型
半车模型解释了车身个零件之间的受力关系， 车身侧倾角 左右车轮的跳动和路面激励然后，这个模型的运动方程是由动态翻滚的线性模型组成来设计四自由度动态车辆模型，如下图所示：
车身横向加速度：
左轮横向加速度：
右轮横向加速度：
辊加速度的单线模型和半车模型︰
C横向稳定杆系统
主动横向稳定杆利用控制器产生的力来在稳定杆中心产生力矩 ，
主动ARB的反作用力可以由方程表示【15】
同时，被动ARB发挥出ARB的反作用力 横向稳定杆的刚度为 ，为了减小车身侧倾角，被动横向稳定杆的作用力由方程【16】表示，最后，方程 (17) 是不等于零的 ARB 正常悬架的车辆模型的 ARB 反应力
D状态空间表现形式
为了表现出这个系统的分析和控制设计，方程将在状态空间中被重新排列，状态空间方程的线性四自由度半车模型的连接没有ARB，主动和被动ARB将会在下面呈现出来，反应输出在三个系统中都是一样的，但是输入不一样。
ARB系统：
系统的输入连接没有ARB但是有被动ARB：
而且，系统输入连接AARB的如下：
系统的输入可以由（21）和（22）两个方程表示。连接无 ARB，被动的 ARB 的系统包含是左车轮，路面激励对右置方向盘、路面激励的三个输入和转向角，同时，连接主动ARB的系统有四个输入，两个不同的路面激励，转向角，和主动转矩。
此外，系统的输出是车身的偏转，右轮偏转，左轮偏转，侧倾角，侧倾角速度，横向速度和滑移率。但是在此，我们只讨论侧倾角和侧倾角速度。
3 模拟设置
将使用 MATLAB/SIMULINK 进行数值计算。
转动感应在这篇文章中将会被认为是波动，并会被分成两个部分，路面输入波动和转向输入波动。并且，即使这个模型能够提供一些这个系统的输出，比如车身转角，右轮转角，左轮转角，侧倾角，侧倾率，横向速度和滑移率但是，只有侧倾角和侧倾角速度将会在接下来的章节中被讨论。
A 系统连接到没有ARB和被动的ARB
图 3 显示了用于连接无 ARB，被动的 ARB 的车辆系统框图，速度撞击测试被选择为路面输入波动而且只和左轮跳动有关，同时，鱼钩机动选择作为转向输入。作为比较，相同的测试条件下，也连接到主动ARB的车辆系统，如图四所示：
B 系统连接到活动 ARB 与控制设计
在这个布局中，该系统在主动ARB中包括控制器。在这种情况下PID控制器将会被应用。这种控制器的设计和调试是为了在主动ARB系统中输入扭矩，控制框图如图 4 所示。
下文表 1 显示了在模拟的四自由度半车模型所使用的参数。
4 模拟结果
一个主动横向稳定杆系统的反馈控制结构已经被设计出来而且在之前的章节中提到，一个PID控制器也已经被设计出来并且被应用于检测系统表现出来的矫正车身的力矩。这个反馈的信息将会与它的设定值相比较，结果将会在这个章节中被现在出来，速度撞击结果将会被用于分析乘坐舒适性，而且一个鱼钩测试结果将会用来分析其车辆操纵性。
A横向稳定杆系统对侧倾角响应的影响
图五和图六中表明，操纵性和平顺性将会用不同的系统。在两个图中可以看出，主动ARB系统的侧倾角大大地降低了。在操纵性测试中，最大的车身侧倾角的改善在系统没有ARB和与主动ARB之间有93%。但是，在平顺性测试中这个改变率只有83%。因此，通过使用主动ARB系统，侧倾角在平顺性和操纵性测试中都有改善，与传统的ARB相比车辆的翻滚角度也减少了。
B 横向稳定杆系统的侧倾率的影响
然后，在图七和图八中也可以看出不同系统的翻滚率的响应信号，在平顺性和操纵性试验中。
这些模拟试验表明，在速度撞击和鱼钩试验中，主动ARB相比被动ARB和没有ARB系统的最大车身转角提升了80%。因此，将系统与主动横向稳定杆连接起来响应会更好。
在图5.6.7.8中可以看出，主动横向稳定杆相比被动横向稳定杆和没有横向稳定杆的车辆，其操纵性和平顺性较为优越。并且，从这些模拟结果中可以看出，装有主动横向稳定杆系统的车辆，同时满足乘坐舒适性和操纵稳定性的平衡点将会较容易选择。
5 结论
这篇文章比较了三种不同的悬架系统的表现，没有横向稳定杆，被动横向稳定杆，主动横向稳定杆。一个四自由度车辆模型被用来作为车辆的悬架模型。这个虚拟MATLAB/SIMULINK 环境里，主动横向稳定杆的模拟控制系统和它的参照物被设计来满足这个四自由度动态模型。根据这个模拟数据结果，该系统的性能相比其参照系统的性能要好很多，比如在侧倾角和侧倾角速度的减少上面。在未来的工作中，在不同情况下，更多地控制结构和控制设计将会被调查，用于提升车辆的稳定性，不仅对操纵性层面有益，而且对其平顺性和舒适性也有益。
基于LQ算法的横向稳定杆的控制及设计
摘要：本文介绍了一个主动横向稳定杆的建模与控制设计。这个汽车动态系统通过在底盘上主动地增加一个侧倾力矩提升了商用车的侧倾稳定性。这个力矩由电控液压执行器来提供。 这个执行器控制系统必须满足所需的主动力矩，满足执行器的输入限制 这个电控液压执行器可由动流体来描述 ,满足电力学和机械学方程。空间执行模型-方程的输入是阀门的开闭状态,输出是扭矩。这个执行器的导向控制基于LQ 算法来设计。 所设计的控制器同时保证跟踪性能和避免违反约束. 设计的控制系统的运行是通过仿真实例说明。
一 简介和研究动机
提高侧倾的动态特性是重心高的车辆的一个相关问题 ，一些侧倾控制系统已经发展起来，加强了车辆的安全性能提高了侧倾稳定性。其中表现最好的是横向稳定杆装置。这个装置常用在轻型商用车，客车，拖拉机上。在这个控制系统中两个力矩杆通过一根轴将左右悬架连接起来。在现在这个时代，主动横向稳定杆相比被动横向稳定杆由许许多多的优势。尽管说被动横向稳定杆系统能够改善车辆的侧倾动态特性，但是它会表现出疲劳特性在汽车行驶过程中。主动系统依然能够适应真是的路面状况和侧向的影响，但是它的侧倾稳定性被提高了。在这篇文章中所提到的主动系统将一根电控液压执行器应用到横向稳定杆系统中。这个系统有一个能够提高车辆侧倾动态特性的上层控制器组成。这个横向稳定杆执行器是一个摆动在下层的水上发动机。
这篇文章的目的是电控液压执行器的控制设计。这个执行器的控制必须能够保证所需的主动力矩和满足输入电气线路的约束。控制设计是基于LQ算法的。这篇文章由以下几部分组成。第二部分提出车辆侧倾动态方程。液压执行器的原模型利用了流体动力学，电力学，机械学方程在第三部分中提出。第四部分描述了主动横向稳定杆控制系统的构造。第五部分介绍了致动器的约束的 LQ 控制器设计和说明系统操作。第六部分的仿真实例说明是驱动控制系统。最后，第七部分总结本文的贡献。
二 车辆侧倾的动态建模
在这部分中，车辆的侧倾动态特性被描述出来，这是被主动横向稳定杆系统加强了的。由于这种类型的车辆重心高，摇摆运动的机箱 （簧载质量） 具有重要意义。因此，保护所装货物需要防倾杆系统，从而降低底盘横摇角。横向稳定杆系统的干预力是一个簧下质量的力偶对，这个由电控液压执行器提供。线性模型的质量，弹簧刚度、 阻尼比和几何参数均为常数。h 是半履带式车辆的底盘侧倾中心及其重心和 r 之间的距离，见图 1。横向稳定杆竖杆的长度为a. 在模型中忽略侧偏角和下行道的影响。
三 横向稳定杆系统的电控液压执行器模型
在上一节横摇运动的底盘制定并介绍横向稳定杆的动力影响。由电液作为
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