武汉理工大学课程论文
基于Matlab/Simulink的四轮转向汽车操纵
动力学仿真分析
课程： 汽车动力学 学院（系）： 汽车工程学院 专业班级：汽研 学号： 学生姓名：
任课教师：乔维高
基于Matlab/Simulink的四轮转向汽车操纵动力学仿真
分析
摘要：本文分析了四轮转向(4WS)汽车的运动特性，建立了三自由度四轮转向
汽车动力学模型，并基于Matlab /Simulink对四轮转向汽车的操纵动力学进行仿真分析，结果表明四轮转向汽车的操纵性能要优于前轮转向汽车。
关键词：汽车，四轮转向，操纵动力学，仿真分析
Simulation for the Handling Dynamics of Four-wheel
Steering Vehicle Based on Matlab/Simulink
Abstract:
In
this
paper,
themotion
characteristics
of
four-wheel
steering(4WS)vehicle are analyzed.The three degrees of freedom simulation analysis of four-wheel steering vehicle dynamics model is established. The simulation forthe handling dynamics of four-wheel steering vehicle based on Matlab / Simulink is done, and the results show that the handling performance of four-wheel steering vehicle is better than the front wheel steering vehicle.
Key words:vehicle, four-wheel steering, handling dynamics, simulation 1 引言
早期的汽车均采用前轮转向方式，但传统的前轮转向汽车具有低速时有低速时转向响应慢，回转半径大，转向不灵活；高速时方向稳定性差等缺点。随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，市场对汽车的要求也越来越高，希望汽车有更高的安全性和舒适性。因此汽车的操纵稳定性，已经成为当代汽车研究的一个重要方面。
四轮转向(4WS）汽车应运而生。四轮转向是在前轮转向的基础上，使后轮按一定的控制规律跟随前轮绕自己的转向轴转动，实现汽车转向。它对于改善汽车高速时的操纵稳定性和减小低速时的转弯半径起到非常大的作用。本文分析了四轮转向(4WS)汽车的运动特性，建立了三自由度四轮转向汽车动力学模型，并基于Matlab /Simulink对四轮转向汽车的操纵动力学进行了仿真分析。
2 四轮转向汽车运动特性分析
四轮转向汽车转弯时的几何关系如图1所示。FWS汽车只有前轮转角，而4WS
汽车的后轮也有转角。由图可知，当仅有前轮转角δ1时，可求得汽车转弯半径
R0?Ltan?1 （2.1）
当前轮转弯半径不大时，tanδ1=δ1,于是式（1.1）可写为
R0?L （2.2） ?1当后轮有附加转角δ2时，可求得转弯半径
R?Ltan?1?tan?2 （2.3）
同理，当δ1和δ2不大时，式（1.3）可写为
R?L?1??2??1?1?Kf?L （2.4）
式中,Kf为后轮与前轮转角比。显然，当前轮转向，后轮不转向时,Kf=0,R=R0；当前后轮同向转向时,Kf>0，R>R0；当前后轮反向转向时,Kf<0,R 也就是说，前、后轮反向转向时会减小转弯半径，增加车辆运动的机动性。所以, 4WS汽车低速转弯或急转弯时,前、后轮反向转向；而高速转弯或变换车道时，前、后轮同向转向，实际上增大了转弯半径，减小了离心力，转弯平稳，便于控制。 图1 四轮转向汽车转弯时的转向几何关系 3 三自由度四轮转向汽车动力学模型 通过研究文献发现，线性二自由度汽车单轨模型没有考虑侧倾、轮胎的受力情况、轮胎的非线性特性等在汽车转向过程中都很重要的因素,所以线性两自由度汽车单轨模型在研究四轮转向系统时不具有很高的仿真度。因此，为了更精确的研究四轮转向系统的动力学情况，本文建立了三自由度四轮转向汽车动力学模型。