一、双轨模型的基本假设

1.1 与单轨模型的对比

特性单轨模型双轨模型
车轮表示前后轴各一个等效轮四个独立车轮
轮距忽略()显式建模()
载荷转移无法表示可计算轴间及左右转移
驱动形式等效单轮驱动可区分 FWD/RWD/AWD
制动差异忽略可模拟左右制动力差
非线性线性轮胎可引入摩擦椭圆

1.2 双轨模型的自由度

完整双轨模型包含以下自由度:

自由度符号单位说明
纵向速度质心纵向速度
侧向速度质心侧向速度
横摆角速度绕 轴转动
车轮角速度四轮独立

共 7 个自由度(不含纵向位置坐标)。

1.3 轮距的几何定义

graph TD
    subgraph 车辆俯视
    A[前轴] --> B[前轮距 $t_f$]
    C[后轴] --> D[后轮距 $t_r$]
    E[质心] --> F[前轴距离 $L_f$]
    E --> G[后轴距离 $L_r$]
    end

典型值:

  • 乘用车:
  • 赛车:(前轮距更宽)

二、车轮坐标系的定义

2.1 车轮位置向量

在车身坐标系中,四轮质心位置:

2.2 车轮速度计算

车轮中心的速度由刚体运动学给出:

展开得:

2.3 车轮侧偏角

考虑车轮转向角 (仅前轮可转向):

小角度近似:

阿克曼转向几何

理想阿克曼转向时,内外轮转向角不同:

但实际车辆由于轮胎侧偏,采用修正的转向梯形。


三、轮胎力的独立计算

3.1 垂直载荷的分配

静态轴荷分配:

左右轮静态分配(假设对称):

3.2 线性轮胎模型的双轨扩展

单轨模型:

双轨模型(左右轮独立):

总前轴侧向力:

3.3 轮距对横摆力矩的贡献

左右轮侧向力差产生附加横摆力矩:

物理意义

即使左右轮侧向力大小相等,轮距也会产生横摆力矩。这是单轨模型无法捕捉的效应。

3.4 纵向力的独立表示

四轮独立纵向力:

总纵向力:

纵向力差产生的横摆力矩:


四、双轨动力学方程

4.1 侧向力平衡方程

展开(仅前轮转向):

4.2 横摆力矩平衡方程

展开:

4.3 与单轨模型的对比

单轨模型方程:

双轨模型多出的项:

  1. 轮距引起的横摆力矩
  2. 纵向力差引起的横摆力矩
  3. 左右轮载荷转移效应

五、轮距效应的分析

5.1 轮距对稳态转向特性的影响

稳态转向时,横摆角速度增益:

不足转向梯度 在双轨模型中修正为:

其中轮距修正项:

物理意义

轮距效应总是使车辆趋向不足转向,但影响较小(典型值 )。

5.2 轮距对横摆阻尼的影响

横摆阻尼系数:

轮距项的贡献:

5.3 左右轮载荷转移

侧向加速度引起的垂直载荷转移:

其中:

  • :质心高度
  • :前后悬架侧倾刚度

5.4 载荷转移对侧偏刚度的影响

轮胎侧偏刚度随垂直载荷变化:

典型指数 。

左右轮载荷转移导致有效侧偏刚度降低:


六、数值示例

6.1 车辆参数

参数符号数值
整车质量
轴距
质心到前轴
质心到后轴
前轮距
后轮距
质心高度
前轮侧偏刚度
后轮侧偏刚度
横摆转动惯量

6.2 稳态转向特性对比

模型
单轨模型
双轨模型(含轮距)
差异

6.3 横摆阻尼对比

模型 ()
单轨模型
双轨模型
差异

6.4 载荷转移计算

在 时:

有效侧偏刚度降低:


七、双轨模型的应用场景

7.1 适用工况

工况单轨模型双轨模型
小侧向加速度转向✅ 精确✅ 精确
稳态回转✅ 近似✅ 精确
紧急避障⚠️ 中等✅ 精确
左右不对称制动❌ 无法模拟✅ 精确
扭矩矢量分配❌ 无法模拟✅ 精确
单侧车轮打滑❌ 无法模拟✅ 精确
极限操纵⚠️ 偏差大✅ 较精确

7.2 计算复杂度对比

模型状态变量数计算时间(相对)
单轨模型2 ()1.0×
双轨模型(刚性)4 ()2.5×
双轨模型(完整)7 ()4.0×

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