基于模糊理论的车辆直线行驶垂向力估算

2022-03-06郭传真张凯鑫欧阳斌彭彦颜雪强刘小华

汽车零部件 2022年2期

郭传真，张凯鑫，欧阳斌，彭彦，颜雪强，刘小华

(1.湖南沙坪建设有限公司，湖南长沙 410008；2.光谷蓝焰新能源股份有限公司，湖北武汉 430205；3.华中农业大学工学院，湖北武汉 430070；4.湖北工业大学农机工程研究设计院，湖北武汉 430068；5.中联重科股份有限公司，湖南长沙 410013)

0 引言

轮胎是汽车上非常重要的组件，它将力和扭矩通过轮胎接地面传递到道路上，直接影响汽车动力学性能，如操纵稳定性及加速、制动性能，从而影响汽车的安全性。轮胎力是估算路面附着和滑移率的基础，对于判断车辆运行状态及施加对车辆的控制有着重要作用。轮胎力的估算通常是基于模型进行观测，忽略了悬架动态特性、路面干扰以及风载带来的影响，不适用于高速复杂工况。

1 轮胎垂向力理论推导

在车辆实际运动过程中，车轮垂直载荷主要取决于悬架动力学特性、驾驶员对车辆本身的操作(加速、制动和转向)和路面干扰的影响。考虑到悬架动力学特性和路面干扰的复杂性，在研究过程中对车轮的垂直载荷进行适当地简化，忽略了悬架和路面干扰对车轮垂直载荷的影响，只考虑驾驶员操作所带来的影响，这种处理方法在整车低速测试中得到了较好的估算效果。

图1为轮胎纵向受力图。

图1 轮胎纵向受力图

由图1可知，当车辆静止的时候，前后轮所受的轮胎力分别为：

(1)

(2)

当车轮减速或者加速时，前后轮会产生载荷转移，各自的载荷转移变动量分别为：

(3)

(4)

所以考虑车辆的纵向加速度时，前后轮所受的载荷分别为：

(5)

(6)

式中:为整车质量，g为重力加速度，为前轮到质心的距离，为后轮到质心的距离，为质心高度，为车辆纵向加速度。

2 算法模型

2.1 整车参数

文中选用的车辆动力学相关的整车参数见表1。

表1 整车参数

2.2 基于模糊理论的风载模型

前文推导的轮胎垂向力公式并没有考虑风载的影响，因而基于该公式估算轮胎实际垂向力会造成一定的偏差，因此在轮胎垂向力公式的基础上基于模糊理论来进一步考虑风载对垂向力的影响。定义风载在车辆前进方向的作用力为:

=-，

式中:为车辆的纵向速度，为风载补偿系数。

定义输入输出模糊集:将车辆纵向速度分为车速低、车速中、车速较高、车速极高4个模糊集，定义车速的取值范围为[0，180]；将风载系数定义为风载补偿系数低、风载补偿系数中、风载补偿系数较高、风载补偿系数极高4个模糊集，定义前轮风载补偿系数的取值范围为[0，2]，后轮风载补偿系数的取值范围为[0，03]。

定义隶属函数：选用三角形隶属函数，得到车辆纵向速度的隶属函数如图2所示，前、后轮风载补偿系数的隶属函数如图3和图4所示。