汽车ARP防侧翻控制浅析

(整期优先)网络出版时间:2023-03-28
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汽车ARP防侧翻控制浅析

叶海舰

安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽 合肥 230601

摘要:在乘用车领域,SUV(Sport Utility Vehicle, 运动型多功能汽车) 由于质心较高,导致动态稳定性较差,在急转弯、急变道等工况发生侧翻的风险也越来越高,因此提高车辆的侧倾稳定性是提高道路安全和减少交通事故的重要手段。本文阐述了防侧翻功能(ARP,Active Rollover Protection)的系统架构、逻辑策略以及测试方法,为防侧翻功能的研究和测试奠定基础。

关键词:防侧翻功能(ARP);控制策略;测试方法

0 引言

      汽车侧翻是一项重要安全问题。根据美国公路安全局 (NHTSA)的数据统计[1] ,汽车侧翻事故的危害程度仅次于汽车碰撞事故而居第二位,汽车产生侧翻时,驾驶员往往来不及采取有效措施, 而侧翻事故的危害则是致命的。因此,汽车侧翻已成为全世界瞩目的一类安全问题。 本文对ARP汽车防侧翻功能的系统架构、信号交互及控制策略进行阐述,并介绍了防侧翻功能的具体测试方法。

1 防侧翻功能系统架构

      车辆在均质高附路面上进行车速逐渐增大的环道、车速恒定半径减小的变径测试等类稳态工况及方向盘转角阶跃反向输入的动态工况行驶过程中,由于作用于车辆质心的侧向力较大,在车辆质心高度提供力臂的作用下,车辆产生了较大的侧倾力,有侧翻趋势时,防侧翻控制系统可基于侧向加速度、车辆基本参数等信息建立车辆侧倾模型,计算并确认车辆侧翻临界值,然后通过调整两外侧轮及内侧前轮制动力,使地面提供的侧向支撑力降低的方式来降低车辆侧翻风险。特别地,也可通过降低扭矩的方式来降低车速,以降低车辆发生侧翻的风险。

防侧翻控制系统架构见图1。

图1  防侧翻控制系统架构示意图

       ARP防侧翻功能作为ESC(Electronic Stability Controller,车身电子稳定控制系统)系统的一个重要扩展功能,它实时监控车辆状态,根据需要调节制动力以改变车辆侧倾力矩,降低车辆侧倾风险的主动安全系统。该系统基本特征如下:

1)至少能够在对车辆实际状态和驾驶员希望实现的车辆状态进行对比评价的基础上,自动对各车轴或各车桥组的某个车轴左右两侧车轮的制动力矩进行单独控制,使车辆产生侧倾力矩以降低车辆侧翻的风险;

2)在对车辆实际状态与驾驶员希望实现的车辆状态进行对比评估的基础上,通过计算机闭环控制器来在一定程度上增加不足转向或降低车速;

3)能够监控驾驶员的转向输入;

4)能够直接测定车辆侧向加速度及横摆角速度,并估算侧倾角或侧倾角速度;

5)其算法应能够判定出车辆侧倾风险,在侧倾风险降低时及时退出,以便于ESC系统及时接管并进行对应的稳定性控制;

6)其算法应能够判断是否需要并能在必要时调整车辆的驱动力矩,辅助驾驶员保持对车辆的控制。

防侧翻功能信号交互与控制策略

2.1 信号交互

       防侧翻控制系统功能主要的输入信号有:发动机在变速箱输入端的扭矩、车速信号、轮速信号、方向盘转角信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号。

防侧翻控制系统功能主要的输出信号有:ARP功能是否激活、ARP功能是否失效、扭矩请求状态信号、扭矩请求值。

       具体的信号交互见下表1。

表1  防侧翻控制系统的输入/输出信号

序号

功能

信号名称

信号解释

输入/输出Input/Output

备注

1

ARP

EngTqAtGblpShft

发动机在变速箱输入端的扭矩

I

2

VehSpd

车速信号

I

3

WhlSpdFR

右前轮速信号

I

4

WhlSpdFL

左前轮速信号

I

5

WhlSpdRR

右后轮速信号

I

6

WhlSpdRL

左后轮速信号

I

7

SteerWheelAngle

方向盘转角信号

I

8

YawRate

横摆角速度信号

I

9

LatAcc

侧向加速度信号

I

10

ARPactive

表示ARP功能是否激活

O

11

ARPFailure

表示ARP功能是否失效

O

12

EngTqDecReqAct

扭矩请求状态信号

O

13

EngTqDecReq

扭矩请求值

O

备注:I表示输入,O表示输出。

   2.2 控制策略

      ARP主要特点是检测翻车临界情况,并减轻车辆侧翻;通过对选定的车轮进行主动制动干预来实现的。在翻车临界情况下减小驱动扭矩,以减小俯仰角,从而降低侧倾角以及行驶速度。 主要控制策略如下:

1)基于方向盘角度和横摆角速度,对横向加速度上限的合理性进行扩展检查,以避免错误的干预;

2)基于传感器信号(特别是转向角、横向加速度)识别和确定驾驶员的输入和相应的车辆行为;

3)在此基础上,对车辆的侧翻力进行了估算;

4)ARP干预,外侧车轮的主动压力快速增加,以减少侧向力;这会导致滚动力矩减小并降低行驶速度。

3 防侧翻性能测试方法

3.1鱼钩转向(Fishhook)试验

      ARP防侧翻性能一般通过鱼钩转向(Fishhook)试验进行测试。试验开始时,车辆应按GB21670-2008第7章的规定

[2]对制动器进行磨合,为使制动器处于最佳工作状态,车辆除了要进行制动磨合外,还应在试验开始时对于制动器进行预处理,处理方法按GB/T 30677-2014 7.4进行[3]。为使轮胎更好的发挥性能,需要对轮胎进行磨合,以便使表面粗化并达到规定的工作温度,具体的磨合方法按GB/T 30677-2014 7.5进行。

      轮胎磨合后,立即按GB/T 30677-2014 7.6进行慢增量转向试验,并将修正后的使车辆产生3m/s2侧向加速度时的转向盘转角作为基准方向盘转角,并记作“A”。确定“A”值后方向盘转角幅值默认按δ=6.5A计算,如果6.5A小于或等于300°,则试验过程中的方向盘转角幅值为6.5A或270°的较大者;如果6.5A大于300°,则试验过程中的方向盘转角幅值为300°。为确保试验安全,采用逐渐增加进入车速的方式进行试验,试验车速分别为56km/h、64km/h、72km/h、76km/h及80km/h;进入车速的公差范围为±1.5km/h。特殊需要可在80km/h基础上再次增加进入车速进行测试,但每次车速增加不应大于2km/h;如发生侧翻,应在将当前车速下降1km/h后进行测试,以便确认准确的进入车速。

每个进入车速需要进行一组测试,每组由两次试验组成,分别为方向盘初始左转向和方向盘初始右转向;而且每个进入车速总是先进行初始左转向试验,再进行初始右转向试验,但方向盘初始左转与初始右转的极限进入车速可能会不同。

试验开始时驾驶员以合适的挡位(自动挡车型为D挡;手动挡车型应以尽可能的高挡位,但应确保松油门后车辆可以该挡位稳定行驶)驾驶车辆直线行驶,至车速高于进入车速5km/h时松开油门踏板。待车速降至进入车速时以720°/s的方向盘转角速度进行左转δ度操作,待车辆侧倾角不再增加时(判定依据为侧倾角速度进入±1.5°/s区间,一般是将侧倾角速度信号接入自动转向装置,由自动转向转向装置自动判定)立即以720°/s的方向盘转角速度进行右转2δ度反向操作,操作结束后维持方向盘不动3s后试验结束,为方便驾驶员接管,建议方向盘2s内回正。具体的方向盘操作过程按图2,车辆轨迹曲线示意图参见图3;其中,方向盘转角阶跃输入过程中的角速度为720°/s;B=1.5°/s;T1为方向盘转角第一个阶跃输入结束到侧倾角速度进入±1.5°/s区间的时间T2=3s;T3=2s(建议值)。

图2  鱼钩试验操作示意图

图3  鱼钩试验车辆轨迹示意图

方向盘初始左转试验结束后,立即进行方向盘初始右转试验。每个进入车速均进行一组两次测试,测试进入车速由低到高进行,各次试验之间允许车辆冷却1.5min~5min。单次试验过程中驾驶员不应通过制动踏板进行制动输入。

3.2 特殊情况说明

试验过程中出现轮胎磨损严重、脱圈等现象时,可更换新轮胎重新测试,新轮胎更换后进行按规定的轮胎磨合程序进行磨合,然后再从中断进入车速继续试验。

试验过程中出现轮辋着地的现象时,在确认轮胎气压无异常、车辆悬架无异常后,应中断试验。

试验过程中出现防翻滚架触地现象时,应将防翻滚架安装高度提升2cm,然后再从中断进入车速继续试验。

试验中断超过1h,应重新进行轮胎磨合后再继续试验。

4 结束语

       本文介绍了ARP防侧翻控制功能的系统架构、信号交互及基本控制策略,同时对ARP防侧翻控制性能测试的具体试验方法进行了说明,对后续车型ARP功能的开发及测试具有一定的参考、借鉴意义。

参考文献

[1] 黄杰燕,等.车辆侧翻警示及控制系统的现状研究 [J].轻型汽车技术,2011

[2] GB 21670-2008  乘用车制动系统性能要求及试验方法[S]

[3] GB/T 30677-2014 轻型汽车电子稳定性控制系统性能要求及试验方法[S]