CN116101372A - 一种车辆转向特性调节方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车辆转向特性调节方法及系统,方法包括以下步骤:获取车辆轮荷数据,利用所述轮荷数据计算车辆的当前转向特性;获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到目标的载荷转移量W;根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为载荷转移量W。与现有技术相比,本发明利用轮荷数据作为输入,通过调整防倾杆刚度调整前后轴载荷比参数控制车辆的转向特性,提出了一种较新的控制策略,且轮荷输入更为直接,更能反应车辆的运动特性。
Description
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域,尤其是涉及一种车辆转向特性调节方法及系统。
背景技术
车辆的转向特性是车辆重要的操控性能指标,影响其性能的参数包括了前后轴载荷比、轮胎刚度、悬架刚度、阻尼器阻尼等等。对车辆转向特性的调整也主要依赖于对上述参数的监测与调整。
转向特性分为转向不足与转向过度。不足转向的表现为当固定方向盘转角,车辆的转弯半径随车速的提高而增大,对应的前轴侧偏角大于后轴侧偏角,此时车辆虽丧失部分转向能力,但车辆可控,处于稳定状态;而过度转向则相反,转弯半径随车速的提高而减小,车辆不可控,处于失稳状态。
对于重心很高的商用车,其设计目标则是在其过弯时力图减少车身倾角,防止车辆侧翻的严重事故。在赛车以及高性能轿车上,转向时保持略微转向过度可以提升车辆转向的灵敏度,在高速弯时调整为略微转向不足又可确保车辆稳定性,对驾驶体验的提升尤为重要。在一些其他工况比如大型载货汽车在路况较差的路面行驶时,可以通过对转向特性的控制保证其转向系统的有效性,提升安全性。
但是,目前对转向特性的调节多是针对轮胎刚度、悬架刚度、阻尼器阻尼等参数,而少有针对前后轴载荷比调整转向特性的研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车辆转向特性调节方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
根据本发明的第一方面,提供一种车辆转向特性调节方法,包括以下步骤:
S1、获取车辆轮荷数据,利用所述轮荷数据计算车辆的当前转向特性;
S2、获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到所需的载荷转移量W;
S3、根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;
S4、基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为上述步骤S2得到的载荷转移量W。
进一步地,所述车辆轮荷数据包括前轴载荷和后轴载荷,当前转向特性的计算公式为:
其中,Gf为前轴载荷,Gr为后轴载荷,Cαf为前轮的侧偏刚度,Cαr为后轮的侧偏刚度。
进一步地,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到载荷转移量W,具体为:
事先进行多次试验,得到不同取值的当前转向特性对应不同取值的目标转向特性的载荷转移量W,存储至车辆控制器,获取当前转向特性与目标转向特性并查表获得载荷转移量W。
进一步地,载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系为:
其中,ΔWa表示计算轴载荷转移量,根据载荷转移量W和计算轴确定,所述计算轴为防倾杆所在的轴,表示前轴侧倾刚度,表示后轴侧倾刚度,Ws表示簧载质量,t表示计算轴轮距,L表示轴距,Ay表示侧向加速度/重力加速度,hs表示簧载质量质心到侧倾中心距离,ZRC表示侧倾中心高度,x表示计算轴到质心距离,Wua表示非簧载质量,Zua表示非簧载质量质心高度,表示计算轴侧倾刚度,所述计算轴侧移刚度与防倾杆刚度存在对应关系。
进一步地,步骤S4中,使用闭环反馈调整防倾杆的目标刚度,具体为:
1)将防倾杆的刚度调整为目标刚度;
2)获取车辆实时的轮荷数据,计算实际的载荷转移量;
3)根据实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距,通过载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系计算防倾杆的目标刚度;
4)重复步骤1),直至满足终止条件。
进一步地,所述终止条件为:实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距小于预设偏差阈值,或,步骤S4的执行时间超过预设时间阈值。
根据本发明的第二方面,提供一种车辆转向特性调节系统,包括:
轮荷测定模块,用于获取车辆轮荷数据;
转向特性计算模块,用于利用所述轮荷数据计算车辆的当前转向特性;
载荷转移量计算模块,用于获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到载荷转移量W;
刚度计算模块,用于根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;
调节模块,用于基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为上述得到的载荷转移量W。
进一步地,所述车辆轮荷数据包括前轴载荷和后轴载荷,当前转向特性的计算公式为:
其中,Gf为前轴载荷,Gr为后轴载荷,Cαf为前轮的侧偏刚度,Cαr为后轮的侧偏刚度。
进一步地,载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系为:
其中,ΔWa表示计算轴载荷转移量,根据载荷转移量W和计算轴确定,所述计算轴为防倾杆所在的轴,表示前轴侧倾刚度,表示后轴侧倾刚度,Ws表示簧载质量,t表示计算轴轮距,L表示轴距,Ay表示侧向加速度/重力加速度,hs表示簧载质量质心到侧倾中心距离,ZRC表示侧倾中心高度,x表示计算轴到质心距离,Wua表示非簧载质量,Zua表示非簧载质量质心高度,表示计算轴侧倾刚度,所述计算轴侧移刚度与防倾杆刚度存在对应关系。
进一步地,调节模块使用闭环反馈调整防倾杆的目标刚度,具体为:
1)将防倾杆的刚度调整为目标刚度;
2)获取车辆实时的轮荷数据,计算实际的载荷转移量;
3)根据实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距,通过载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系计算防倾杆的目标刚度;
4)重复步骤1),直至满足终止条件。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)利用轮荷数据作为输入,通过调整防倾杆刚度调整前后轴载荷比参数控制车辆的转向特性,提出了一种较新的控制策略,且轮荷输入更为直接,更能反应车辆的运动特性。
(2)现有技术对防倾杆的控制主要是用于控制车辆侧倾,而本申请对防倾杆的控制用于控制车辆转向特性。控制转向不足度更利于车辆的操控,因为侧倾更关注乘员的乘坐感受从而会牺牲一部分车辆操控的反馈,而转向不足度对于驾驶员来说更容易感知,更容易起到安全警示的作用。
附图说明
图1为车辆转向特性调节方法的流程示意图;
图2为车辆转向时的几何关系示意图;
图3为车辆与防倾杆的简化连接图;
图4为闭环控制流程图;
图5为左、右车轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度示意图;
附图标记:1、防倾杆,2、车辆悬架系统,3、系统控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例,本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。此外,术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书提供了如实施例或流程示意图的方法操作步骤,但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式,不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时,可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)或者调整没有时序限制的步骤的执行顺序。
电控横向稳定控制装置简称“防倾杆”,为具有一定扭转刚度的弹簧钢杆,分别于两侧悬架转向节或立柱相连,用于提供一定抑制同轴两侧车轮相对运动的功能。当前对乘用车的主动防倾杆的研究与设计目标主要聚焦在减少车内乘员感受到的振动,即根据路面颠簸情况减少防倾杆刚度,减少一侧车轮向另一侧的颠簸传递;或减少汽车转弯时车身的侧倾,减少乘员的不适感。
目前国内外相关技术的研究现状如下:
国外商用的主动防倾杆技术主要有保时捷PDCC系统:由48V电源供电驱动行星齿轮,使横向稳定杆产生初始转角,控制乘适刚度,配合空气弹簧,以对车辆行驶路面的路谱制定出合适的悬架偏频。国内的研究者对主动防倾杆技术也进行了深入的研究。有一种谐波齿轮式的防倾杆,通过控制直流电机的转速和输出转矩大小,使左右稳定半杆产生不同程度的相对扭转,产生不同的反侧倾力矩,控制车辆侧倾角的大小。这些系统的优点很多,但存在的缺点有:1、能耗大,难以用车载低压电源供电。2、需要高加工精度,成本高,在普通乘用车中难以使用。3、重量大,占用空间多,因其齿轮数量多,结构复杂,难以实现轻量化,会导致车重大幅增加而使车辆速度及可操控性降低。
以上国内外的防倾杆专利主要聚焦于结构的设计,以提升结构的整体效率以及稳定性,上述防倾杆的控制方式主要是通过车辆的侧倾角作为输入变量,电机扭转的力矩作为输出变量,最终影响侧倾角从而形成反馈,达到减小车辆侧倾的目的。
而事实上,通过调节防倾杆的刚度,可以在保持稳态侧向载荷转移总量不变的情况下,改变载荷转移量在前轴与后轴之间的分配,以改变车辆的转向特性。但是,现有的侧倾角方法不足以得出车辆的前后载荷转移,所以无法进行此逻辑控制,且现有技术中,对防倾杆的研究更关注乘员的乘坐感受,没有通过调整防倾杆刚度来调整前后轴载荷比以调整车辆转向特性的研究。而发明人的在先研究中提出了一种动态轮荷测量方案,见中国专利申请CN2022103883415“一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统”,为载荷转移的测量提供了技术支持,且在赛车、跑车、越野车或SUV、工程车辆等车辆的实际行驶时,转向特性等的要求更高于乘坐感受,因此,通过调整防倾杆刚度来调整前后轴载荷比以调整车辆转向特性是可行的且具有一定的应用市场。
首先定义不足转向度K:
其中,Gf为前轴轴荷,Gr为后轴轴荷,可以通过动态轮荷测定系统获取,Cαf前轮的侧偏刚度,为车辆本身的固定参数,Cαr后轮的侧偏刚度,为已知参数;
在车辆转向的简化二自由度模型中,如图2所示,设θ为前后车轮速度垂线的锐角夹角,即转向中心到前后车轮的连线的夹角,也即车辆的外侧轮转角。根据几何关系可以得到:
其中,L为轴距,R为转弯半径,a是车辆质心到前轮的距离,b是车辆质心到后轮的距离,αf是前侧偏角,αr是后侧偏角,δ是前轮转角。
根据轮胎侧偏特性,可以算出侧偏力与侧偏角的计算关系:
Fy=Cα×α
最终前轮转角的表达式为:
其中,V是车速。
车辆转向特性可以通过前轮转角δ、转弯半径R等体现,当车辆前轮转角大于速度方向与车身纵向夹角时,车辆转向特性为转向不足,当车辆前轮转角小于速度方向与车身纵向夹角时,车辆转向特性为转向过度。同时根据轮胎侧偏力与侧偏角的关系,可以看出车辆的转向不足度直接影响到车辆的受力以及轮胎部件的磨损,所以对转向特性的研究不仅对乘员的舒适度有关,还与车辆的零部件设计与维护有关,意义重大。可以看出,上述前轮转角表达式中即为影响转向角的重要因素,也即不足转向度。而上式中Gf和Gr可以通过动态轮荷测定系统侧出,其他变量均为车辆的设计参数或者基本运动参数,都可以由相关传感器测出。所以可以利用轮荷数据计算出不足转向度K以表示车辆当前的转向特性。
本发明的理论依据为:
车辆的转向不足特性是车辆重要的操控性能指标,影响其性能的参数包括了前后轴载荷比、轮胎刚度、悬架刚度、阻尼器阻尼等等。对车辆转向特性的调整也主要依赖于对上述参数的监测与调整。
转向特性分为转向不足与转向过度。不足转向的表现为当固定方向盘转角,车辆的转弯半径随车速的提高而增大,对应的前轴侧偏角大于后轴侧偏角,此时车辆虽丧失部分转向能力,但车辆可控,处于稳定状态;而过度转向则相反,转弯半径随车速的提高而减小,车辆不可控,处于失稳状态。
本发明的核心思路是利用轮荷数据,即前后轴载荷数据(或进一步计算前后轴载荷比)作为输入,计算出车辆的不足转向度,随后针对当前不足转向度与目标不足转向度的偏差,对电控横向稳定装置(即防倾杆)进行调节,以改变车辆的侧倾刚度,从而达到调整转向特性的目的。
这里对侧倾刚度与转向不足度的具体关系进行解释:悬架的侧倾刚度越大(就是侧倾同一个角度,需要更大的力),轮胎所受路面载荷的变化就越明显,左、右车轮垂直载荷再分配时轮胎的侧偏刚度如图5所示,根据图片,轮胎的平均侧偏刚度会下降,所以为了达到同一个侧偏力,侧偏角会更大,所以体现为转向不足。本申请就是通过改变侧倾刚度调节载荷变化,根据这个图线关系就可以改变转向特性。
具体的,本发明提供一种车辆转向特性调节方法,如图1所示,包括以下步骤:
S1、获取车辆轮荷数据,利用轮荷数据计算车辆的当前转向特性;
车辆轮荷数据包括前轴载荷和后轴载荷,当前转向特性的计算公式为:
其中,Gf为前轴载荷,Gr为后轴载荷,Cαf为前轮的侧偏刚度,Cαr为后轮的侧偏刚度。
S2、获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到所需的载荷转移量W;
由于不同轮胎特性的不同,并且轮胎橡胶结构的复杂性和可变性,所以难以直接得到转向特性与载荷转移量之间的解析表达式,所以难以直接得到转向特性与载荷转移量之间的数据换算模型,所以本发明事先进行多次试验,得到不同取值的当前转向特性对应不同取值的目标转向特性的载荷转移量W,建立类似MAP图的对应关系模型,存储至车辆控制器,获取当前转向特性与目标转向特性并查表获得载荷转移量W。
S3、根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;
事实上,车辆转向时存在侧向载荷转移,而其转移量由以下四个部分组成:
(1)弹性载荷转移:被同轴两侧弹性元件和防倾杆承受。
(2)非簧载质量载荷转移:车轮、轮胎、立柱系统等。
(3)几何载荷转移:簧载质量质心所受侧向力等效到侧倾中心后附加力矩,此作用在侧倾中心的侧向力造成几何载荷转移量,完成速度较快,由悬架杆系承受。
(4)非簧载质量质心偏离车辆x轴导致的额外载荷转移。
此四部分的载荷转移量关系可以用下列式子表示:
其中,ΔWa表示计算轴载荷转移量(N),根据载荷转移量W和计算轴确定,计算轴为防倾杆所在的轴,表示前轴侧倾刚度(Nm/rad),表示后轴侧倾刚度(Nm/rad),Ws表示簧载质量(N),t表示计算轴轮距(m),L表示轴距(m),Ay表示侧向加速度/重力加速度,无量纲,hs表示簧载质量质心到侧倾中心距离(m),ZRC表示侧倾中心高度(m),x表示计算轴到质心距离(m),Wua表示非簧载质量(N),Zua表示非簧载质量质心高度(m),表示计算轴侧倾刚度(Nm/rad)。
如本实施例中,参考图3,防倾杆安装在后轴,计算轴即为后轴,故后轴侧倾刚度与计算轴侧倾刚度是同一个参数。而上式中,其余参数都是已知值,因而可以在上式中反求出所需的侧倾刚度。而车辆侧倾刚度与电控防倾杆的刚度存在对应关系,在本实施例中,侧倾刚度是防倾杆刚度和悬架弹簧的刚度的和,即可得出需要响应的电控横稳刚度。这样就做到了车辆侧倾特性以及转向特性的调节。
S4、基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为上述步骤S2得到的载荷转移量W,具体的,使用闭环反馈调整防倾杆的目标刚度,具体为:
1)将防倾杆的刚度调整为目标刚度;
2)获取车辆实时的轮荷数据,计算实际的载荷转移量;
需要注意的是,由于可以通过动态轮荷测定得到前轴和后轴的实时载荷,将防倾杆调整前的载荷与调整后的载荷比较就可以得到前轴和后轴的载荷变化,得到实际的载荷转移量。而步骤S2中的载荷转移量W是根据当前转向特性与目标转向特性的偏差所确定的期望的载荷转移量,二者的计算方式不同。
3)根据实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距,通过载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系计算防倾杆的目标刚度;
4)重复步骤1),直至满足终止条件,终止条件为:实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距小于预设偏差阈值,或,步骤S4的执行时间超过预设时间阈值。
闭环反馈的流程如图4所示,其输入可以为载荷转移量,也可以为目标的载荷转移分配比,载荷转移分配比就等于载荷转移量占总载荷的比值,在实际使用的过程中,载荷转移量对应不同车辆有所不同,难以统一,但是载荷转移分配比可以很好地统一所有车辆的计算,并且可以加快计算速度。本发明采用实时反馈的闭环控制,对车辆在较激烈的工况下维持稳定有很大作用。
本发明还提供一种车辆转向特性调节系统,包括:
轮荷测定模块,用于获取车辆轮荷数据;
转向特性计算模块,用于利用轮荷数据计算车辆的当前转向特性;
载荷转移量计算模块,用于获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到载荷转移量W;
刚度计算模块,用于根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;
调节模块,用于基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为上述得到的载荷转移量W。
目前该系统在小型FSAE方程式赛车上实现,该赛车上包含了一套可以动态测量车辆行驶中轮荷的动态轮荷测定系统,一套可以主动调节悬架侧倾刚度的电控横向稳定控制装置,以及完备的车载电控系统相关器件以及相关机械部件。
其中,轮荷测定模块安装在车辆底盘和电控系统中,主要测量对象为车辆的悬架杆件以及阻尼减震器,利用悬架设计参数、运动参数和动力参数进行轮荷的实时求解,利用相关电子元器件进行数据处理和传输。可使用中国专利申请CN2022103883415中公开的“一种汽车动态轮荷测定和驾驶安全辅助系统”作为轮荷测定模块,或者使用其他任何可测得车辆动态轮荷的装置和系统。
调节模块连接电控横向稳定控制装置,即电控防倾杆,电控横向稳定控制装置是能够通过改变防倾杆扭转刚度的方法抑制车辆侧倾的装置。其与车辆的悬架相连,对整车的侧倾特性可以做出有效调整,进而对车辆的转向特性做出有效调整。可使用已有的电控防倾杆结构,在此不再赘述其原理。本实施例中的电控防倾杆为刃形扭臂结构,通过改变扭臂角度控制其不同的截面对形心轴惯性矩,从而改变防倾杆刚度。
上述转向特性计算模块、载荷转移量计算模块、刚度计算模块、调节模块均可使用整车现有的电子控制单元和相关器件编程实现,能够对动态轮荷测定系统的数据进行有效的滤波、传输、处理、存储、通信,以及对电控防倾杆进行实时数据读取以及执行调节的电子元器件和控制器;和能够安装动态轮荷测定系统以及电控防倾杆的机械支架以及相关固定器件。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,所述描述的模块的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种车辆转向特性调节方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、获取车辆轮荷数据,利用所述轮荷数据计算车辆的当前转向特性;
S2、获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到所需的载荷转移量W;
S3、根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;
S4、基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为上述步骤S2得到的载荷转移量W。
3.根据权利要求2所述的一种车辆转向特性调节方法,其特征在于,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到载荷转移量W,具体为:
事先进行多次试验,得到不同取值的当前转向特性对应不同取值的目标转向特性的载荷转移量W,存储至车辆控制器,获取当前转向特性与目标转向特性并查表获得载荷转移量W。
5.根据权利要求1所述的一种车辆转向特性调节方法,其特征在于,步骤S4中,使用闭环反馈调整防倾杆的目标刚度,具体为:
1)将防倾杆的刚度调整为目标刚度;
2)获取车辆实时的轮荷数据,计算实际的载荷转移量;
3)根据实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距,通过载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系计算防倾杆的目标刚度;
4)重复步骤1),直至满足终止条件。
6.根据权利要求5所述的一种车辆转向特性调节方法,其特征在于,所述终止条件为:实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距小于预设偏差阈值,或,步骤S4的执行时间超过预设时间阈值。
7.一种车辆转向特性调节系统,其特征在于,包括:
轮荷测定模块,用于获取车辆轮荷数据;
转向特性计算模块,用于利用所述轮荷数据计算车辆的当前转向特性;
载荷转移量计算模块,用于获取车辆的目标转向特性,将当前转向特性与目标转向特性进行比较,得到载荷转移量W;
刚度计算模块,用于根据载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系,计算防倾杆的目标刚度;
调节模块,用于基于目标刚度调整防倾杆的刚度使得转移的载荷量为上述得到的载荷转移量W。
10.根据权利要求7所述的一种车辆转向特性调节系统,其特征在于,调节模块使用闭环反馈调整防倾杆的目标刚度,具体为:
1)将防倾杆的刚度调整为目标刚度;
2)获取车辆实时的轮荷数据,计算实际的载荷转移量;
3)根据实际的载荷转移量与期望的载荷转移量W的差距,通过载荷转移量与防倾杆刚度的对应关系计算防倾杆的目标刚度;
4)重复步骤1),直至满足终止条件。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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