一种转弯时调整座椅侧向高度差减轻侧推感的方法

钟蔓芩， 钟克华

（1.哥伦比亚大学， 美国 纽约 10027；2.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广州 广东 510640）

1 前言

由于离心作用，车辆转弯时会向转弯方向外侧倾斜，使得乘坐的用户感受到一股侧推感，侧推感的强弱与转弯时的车速有较强关系。如果需要减轻侧推感，可以通过调节悬挂力度（软硬） 来实现。石春[1]和陶永明[2]利用调节悬架，使车辆转弯性能得到提升，因而减轻侧推感，其可提高车辆乘坐舒适度，也可以通过调节座椅侧向高度差的方式来实现。本文提出一种转弯时调整座椅侧向高度差减轻侧推感的方法，该方法是通过获取路面信息与方向盘转动角度，利用向心力公式计算出转弯时外侧合适的上升高度或内侧的下降高度，得到侧向高度差，以此高度差调节座椅左右侧向高度。这样可减轻转弯时用户乘坐的侧推感，提高用户乘坐的舒适度。

2 基础和原理

转弯时调整座椅侧向高度差，减轻侧推感，提高乘坐舒适度。此方法分低速和高速两种情况处理。在低速转弯时，不需要调整；在高速转弯时，则通过计算得到转弯时的理论倾斜角度，减去道路转弯处实际的倾斜角度，从而计算出座椅侧向高度差，以此高度差调整座椅左右侧高度，即可实现减轻侧推感进而提高乘坐舒适度。

前提条件：车辆前后轮间距L、车轮左右间距W是车辆的固定参数，当车辆确定后，即为确定值。这些参数作为后面计算的基本数据输入。

1） 低速转弯：在低速时转弯，后轮没有转向，转向中心在后车轴的延长线上。如图1所示，可得低速转弯时转向计算简图。

图1 低速转弯时转向计算简图

前轮理想转向角可以依据图中的几何关系和在转向时给定的转向角来确定。由于驾驶的转向角非常的小，R远远大于t，因而可用tanδ=sinδ=δ进行近似处理。转向中心到质心的距离近似等于转向中心到后轴中心的距离。外侧转向角和内侧转向角与转向半径的关系为：

式中：δo——外侧转向轮转向角；δi——内侧转向轮转向角；L——轴距；R——车辆转向半径；t——左右车轮中心间距。此时，轮胎不需要产生侧向力，侧推感小，不需要调整左右座椅高度差。

2） 高速转弯：在高速转弯时的转向半径远大于车辆的轴距，方向盘转角很小，转向角为一小角度，可以忽略前轴内、外侧车轮的转角差。因此，两个前轮可以用转角为δ的一个车轮表示，并且认为左右车轮的侧偏力是相等的。如图2所示，可得到高速转弯时转向计算简图。

图2 高速转弯时转向计算简图

在高速转弯的转向状况下，轮胎产生侧向力。同时，轮胎滚动时也会产生侧偏。轮胎前进方向与行驶方向之间的夹角是侧偏角，侧向力为侧偏力。当轮胎载荷一定时，侧偏力随着侧偏角的增大而增大。

向心力的大小与车速大小高度相关，侧推感也随着速度的增高而变大。在高速转弯时，可以依据下列步骤获取数据输入，计算得到左右座椅高度差。①车速、车重、转向轮外侧转向角、道路转弯处倾角等参数，可依据车辆的传感器获得；可以从车辆CAN[3]总线上获得数据；②计算转弯时的转向半径；③计算转弯处的理论倾角；④计算座椅左右高度差；⑤计算座椅内外侧升降高度。

依据计算得到的内外侧车轮高度差，调整座椅左右侧高度，即实现了减轻侧推感，提高乘坐舒适度。

3 实现方法

因低速转弯侧推感小，不需要调整左右座椅高度差，故在实现方法中，只考虑高速转弯的情形。在车辆以较高速度转弯时的转向半径远大于车辆的轴距，转向角为一小角度，忽略前轴内、外侧车辆的转角差，计算简图如图2所示。按下述步骤计算得到座椅左右侧高度差。

1） 步骤1：获取输入数据。获取当前车速V、当前车重G、转向轮外侧转向角δ、道路转弯处倾角γ（即道路转弯处的道路本身的倾角）。这些数据均由车辆的传感器获得。

2） 步骤2：计算转向半径。根据输入的转向角和车辆参数，计算得到此时转向轮转向半径。

式中：δ——外侧转向轮转向角；L——轴距；W——左右车轮间距；R1——外侧转向半径；R2——内侧转向半径；R——车辆转向半径；φ——车辆转向半径修正系数，依据试验数据回归计算获得。

3） 步骤3：计算理论倾角。根据向心力公式以及整车重力，可计算得到转弯理想倾角β（转弯处理想路面跟水平面之间的倾斜角），即车身受力合力与垂直路面法线的夹角，如图3所示。

图3 转弯倾角及高度差计算简图

式中：β——转弯倾角；V——前进速度；g——重力加速度；F——向心力；G——整车重量；m——整车质量；R——车辆转向半径。

4） 步骤4：计算座椅左右高度差。根据计算得到的转弯倾角β，可得到内外侧车轮高度差，如图3所示，即为需要调整的座椅高度差理论值：

式中：β——转弯倾角理论计算值；γ——转弯处道路倾角；H——左右车轮高度差；W——左右车轮间距。此高度差值为理论计算值，因车辆两侧刚度存在差异，故两侧变形量也与理论值会存在不一致。在实际调整时，需要通过试验数据进行回归修正。

5） 步骤5：计算座椅内外侧升降高度。通过计算得出的座椅高度差H，可得出车辆两侧座椅上升/下降高度：座椅转向外侧升降高度Ho=H/2；座椅转向内侧升降高度Hi=-H/2。

至此，已计算得到座椅左右侧需要调整的高度值，输入给执行机构，完成调整。此高度差考虑了转弯处道路实际存在的倾斜角对转弯倾斜的影响。

4 应用

通过计算，可得出转弯时座椅左右两侧高度差H，结合试验数据进行回归修正，得到车辆转弯时座椅两侧高度调整值，可实现车辆转弯时座椅实时调整。然后，利用座椅调整，减小转弯的外抛感，可提高用户乘坐体验，也就提高了车辆转弯时的乘坐舒适性。转弯平稳，乘客安心，乘坐舒适。对于驾驶员来说，在面对紧急情况急转弯时，减小外抛感有助于其掌控车辆，减小事故发生概率。

座椅左右侧高度调整如与车辆悬挂系统有机结合，让车辆转弯时外侧悬架升高，内侧悬架降低，可以有效帮助车辆顺利过弯，降低车辆发生侧翻事故的可能性，减小事故发生的几率，对行车安全有贡献。