基于Simulink的纯电动货车操纵稳定性研究

摘 要：对某纯电动货车建立线性二自由度汽车模型，推导出其运动微分方程，基于Matlab/Simulink通过改变车速和货车质心位置对其前轮角阶跃输入下的瞬态响应特性和横摆角速度频率响应特性进行仿真。结果表明，随着行驶速度增加，瞬态响应减慢，货车执行驾驶员指令失真程度增大，操纵稳定性降低；当货车质心位置由前向后移动时，货车瞬态响应品质越来越好，操纵稳定性提高，但同时转动转向盘时响应变慢，因此操纵的灵活性降低。

关键词：Matlab/Simulink；操纵稳定性；瞬态响应；横摆角速度响应

Research of Handling Stability of Pure-Electric Lorry Based on Simulink

YAN Jie ，HU Ying-jun

(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，CHN)

Abstract: The vehicle model of pure-electric lorry was built firstly, and then deduce linear two freedoms degree calculus equation. Based on Matlab/Simulink, we analyze pure-electric lorry transient state response under front wheel angle input and swaying angular speed frequency response by changing speed and the position of quality midpoint. The simulation show that pure-electric lorry go through brief respond process and get into the steady state under suitable structure parameter during steering. Operational stability can be influenced by weight of pure electric vehicle, velocity and tires cornering stiffing etc.

Keywords: Matlab/simulink; handling stability; transient state response; response of swaying angular speed

汽车操纵稳定性是指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力[1]。操纵稳定性不仅关系到汽车驾驶的方便性，而且是影响汽车行驶安全的主要因素之一，已成为保证汽车高速行驶安全的一个主要性能。传统的研究方法主要采用实车试验法，不仅耗费较大，而且有些试验因具有一定的危险性而难以进行[2]。因此，本文以具有低排放、能源结构优化、驾驶操作方便等突出特点的某纯电动货车为例，通过对其建立线性二自由度汽车模型，以其前轮角阶跃输入下的瞬态时域响应和横摆角速度频域响应为主要评价指标，来分析研究车速和质心位置对其操纵稳定性的影响。

一、 纯电动货车操纵稳定性动力学模型

1. 理想状态下汽车模型的建立

为方便研究操纵稳定性的基本特性，可将纯电动货车简化为线性二自由度的汽车模型来进行研究。分析时，

1) 忽略其转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入。

2) 忽略其悬架的作用，认为该纯电动货车车厢只作平行于地面的平面运动，即该纯电动货车沿z轴的位移、绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。

3) 令沿x轴的前进速度u视为不变，因此，此纯电动货车只有沿y轴的侧向运动与沿z轴的横摆运动两个自由度。

4) 令此纯电动货车的侧向加速度限定在0.4g以下，轮胎侧偏特性处于线性范围。

5) 在建立运动微分方程时假设驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用。

6) 忽略左、右车轮轮胎由于载荷的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。

这样，该纯电动货车便简化成一个两轮摩托车模型，见图1。它是一个由前后两个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型[1]。

图1 二自由度纯电动货车模型

2. 该车线性二自由度模型的运动微分方程

根据上述模型，令车辆坐标系的原点与该纯电动货车质心重合。显然，该车质量分布参数（如转动惯量等）对固结于该车的这一动坐标系而言为常数。因此，只要将该车的（绝对）加速度、（绝对）角加速度及外力与外力矩沿车辆坐标系的轴线分解，就可以列出沿这些坐标轴的轴线分解，就可以列出沿这些坐标轴的运动微分方程。

所需要的主要结构参数：总质量m=1770kg，质心到前轮中心距离a=1.4m ，质心到后轮距离b= 1.2m ，汽车绕z轴的转动惯量IZ= 3600 kg*m2 ，前轮侧偏刚度k1=-27124N/rad，后轮侧偏刚度k2=-41828N/rad。

由图1可知，纯电动货车受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩和为

式中，Fy1、Fy2为地面对前、后轮的侧向反作用力，即侧偏力；δ为前轮转角。

考虑到角较小，Fy1、Fy2为侧偏力，代入纯电动货车的主要技术参数，(1)式可写作

如图1所示，该车前、后轴中心点的速度为：μ1、 μ2，侧偏角为 α1、α2，质心的侧偏角为 β，