洪升耀,徐國英,劉西俠,陳靖然
(裝甲兵工程學院 機械工程系,北京100072)
多軸輪式車輛車軸多、車身長,導致低速時轉向半徑相對較大,這制約著多軸輪式車輛尤其是多軸輪式裝甲車輛的發(fā)展。全輪轉向技術是改善車輛轉向性能的主要手段之一,也是實現(xiàn)主動安全性的方法之一。全輪轉向技術能減小車輛低速轉向半徑,其應用效果在大型車輛上更加明顯[1]。
目前,全輪轉向技術在四輪轉向上的應用已較為成熟,但多軸車輛全輪轉向的研究相對較少。以某6×6前四輪轉向的三軸車輛轉向系統(tǒng)為基礎,提出該車全輪轉向系統(tǒng)的改裝設計方案,對全輪轉向模式(簡稱為AWS)的轉向性能進行仿真分析。
某6×6前四輪轉向車輛轉向機構采用液壓助力轉向系統(tǒng),前橋和中橋轉向機構之間用機械桿系連接,能完成前橋輪胎和中橋輪胎轉向角的定比例控制。但想實現(xiàn)符合全輪轉向要求的控制策略,應該使前橋和后橋、中橋輪胎轉向角之間滿足相對更為靈活的控制要求。因此設計能在有限的空間內(nèi)安裝并滿足要求的轉向系統(tǒng)是問題的關鍵[2]。
為實現(xiàn)多軸輪式車輛的全輪轉向,可考慮在現(xiàn)有轉向系統(tǒng)的基礎上對非轉向橋進行改裝。目前車輛的轉向系統(tǒng)有機械式轉向、液壓助力轉向、電控液壓助力轉向、電動助力轉向和線控轉向。對于某6×6前四輪液壓助力轉向車輛,轉向時需提供較大的驅(qū)動力,且在車輛原有液壓轉向系統(tǒng)上增加新的液壓回路也比較簡單,故采用電控液壓式全輪轉向系統(tǒng)[3]。
圖1為某6×6車輛全輪轉向系統(tǒng)布置圖,前兩橋為機械轉向橋,布置轉向拉桿,第三橋為非機械轉向橋,采用電控液壓裝置,電控液壓助力轉向系統(tǒng)由車速傳感器、轉角傳感器、電控單元(ECU)、控制閥、液壓缸等組成。
圖1 全輪轉向結構示意圖
目前輪式車輛全輪轉向系統(tǒng)常用的控制策略有質(zhì)心零側偏角比例控制、橫擺角速度反饋控制、橫擺率狀態(tài)跟蹤控制。鑒于質(zhì)心零側偏角控制策略實現(xiàn)較為簡單,在低速時能保證車輛的轉向靈活性,在高速時能夠確保車輛的轉向與駕駛員操縱的一致性,因此改裝方案的控制策略采用零側偏角比例控制策略[4]。
如圖2所示,當駕駛員轉動方向盤時,ECU根據(jù)采集到的前輪轉角傳感器、車速傳感器信號,判斷車輛的轉向狀態(tài),計算出其他各橋的理論轉角,再向電磁閥發(fā)出控制命令,電磁閥操縱轉向液壓缸驅(qū)動車輪實現(xiàn)車輛響應。
圖2 零側偏角比例控制
由于二自由度單軌模型具有車輛轉向時的基本特征,因此為方便分析,可將多軸車輛簡化為具有代表性的線性二自由度模型[5-6]。
如圖3所示,u和v分別為質(zhì)心處x和y軸的速度,r為橫擺角速度,車輪轉向角為δi,質(zhì)心到各轉向軸的距離為li,轉向中心到各轉向軸的距離為Li,第一軸到各軸的距離為L1i,質(zhì)心的側偏角為β。
圖3 三軸車輛全輪轉向二自由度模型
根據(jù)汽車動力學,可得狀態(tài)空間方程[7]:
當車輛處于穩(wěn)態(tài)時,側向加速度和橫擺角速度的一階導數(shù)都為“0”,由式(1)可得車輛穩(wěn)態(tài)運動方程:
運用克萊姆法則,由式(2),可得車輛的側向速度和橫擺角速度:
由于R=u/r,可得車輛轉向半徑為:
由于車輪轉角都很小,為使車輛轉向時盡量保持純滾動,由阿克曼定理可得車輪轉角比:
零側偏角比例控制策略是通過車輪轉角比變化來實現(xiàn)車輛的側向偏轉最小,即質(zhì)心側偏角為0,由此可知tanβ=v/u=0,即有v=0[8]。
由v=0,可得轉向中心到第一軸的距離為:
以6×6車輛為仿真對象,分析三軸車輛全輪轉向性能,車輛參數(shù)如表1所列。
表1 某型三軸車輛結構特性參數(shù)
以上述三軸車輛為例,選取前輪轉角為5°,可得不同車速下穩(wěn)態(tài)圓周行駛時轉向中心到車輛第一軸的距離,如圖4所示。由圖4可知,轉向中心不是固結于一點,而是隨著車速的增加不斷后移,在設計車速內(nèi)有可能超過車輛底盤最后一橋所在的平面。
圖4 轉向中心到前軸的距離
同樣選取前輪轉角為5°,可得在不同車速下全輪轉向的各輪轉角比例變化趨勢,如圖5所示。
圖5 全輪轉向轉角比例
由圖5可知,在低速時,中軸車輪、后軸車輪的轉角都與前軸車輪的轉角反相,且后軸車輪的轉角幅度要大于中軸,在速度未達到60 km/h時,中軸、后軸的車輪已先后變成與前軸同相偏轉,且隨著速度的提高,前中軸、前后軸的轉角比趨于平緩且相近。
選取前輪轉角為5°,車速為0~40 km/h,可得出車輛低速轉向時,前四輪轉向(4WS)和全輪轉向(AWS)的轉向半徑對比圖,如圖6所示。
圖6 轉向半徑對比圖
由圖6可知,低速時全輪轉向(AWS)的轉向半徑明顯比前四輪轉向(4WS)的轉向半徑小,說明采用質(zhì)心零側偏角比例控制的AWS相比4WS在低速時能減小車輛的轉向半徑,提高車輛的機動靈活性。
(1)全輪轉向的轉向中心不是固結于一點的,而是隨著車速的提高不斷后移。
(2)由于轉向中心的不斷后移,全輪轉向車輛低速轉向行駛時進行逆相位操作,而在中高速轉向行駛時進行同相位操作。
(3)質(zhì)心零側偏角比例控制的AWS相比4WS在低速時能減小車輛的轉向半徑,提高車輛的機動靈活性。
[1] 袁 磊,劉西俠,金 毅,等.一種具有不同轉向模式的多軸轉向車輛設計[J].機械設計與制造,2012(10):33-35.
[2] 陳思忠,孟 祥,楊 林,等.三軸車輛多輛轉向技術研究[J].北京理工大學學報,2005(8):675-683.
[3] 王 倩,藺 毅.汽車動力轉向系統(tǒng)的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009(3):45-46.
[4] 李 爽.七軸車輛比例控制轉向研究[D].長春:吉林大學,2008.
[5] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990.
[6] 郭孔輝.汽車操縱動力學[M].長春:吉林科學出版社,1991.
[7] 喻 凡,林 逸.汽車動力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.
[8] Liu Xixia,Yuan Lei,Jin Yi,et al.All-wheel Steering Technology and Its Development Prospects of Wheeled Vehicles[J].2011 International Academic Conference on Numbers Intelligence Manufacturing Technology and Machinery Automation(MAMT 2011),2011(12):256-261.