图15 上坡分离路面仿真结果(有T C S控制)5 结论(1)建立了发动机模型㊁轴间/轮间电控限滑差速器模型以及相应的液压系统模型,设计了发动机目标转矩模糊控制器㊁轴间电控限滑差速器模糊控制器以及轮间电控限滑差速器P I D控制器,提出了基于驱动防滑的全时四轮驱动汽车牵引力控制策略㊂(2)对所设计的四轮驱动汽车牵引力控制系统进行了动力学仿真分析,结果表明:所提出的牵引力控制策略能合理地对四轮驱动汽车各驱动轮的驱动力矩进行调节,有效抑制了驱动轮的过度滑转,提高了汽车的动力性和行驶稳定性,控制策略具有较好的适应性㊂参考文献:[1] 李静,李幼德,赵健,等.四轮驱动汽车牵引力控制算法[J].机械工程学报,2006,42(2):141‐144.L i J i n g,L iY o u d e,Z h a oJ i a n,e ta l.R e s e a r c ho nT r a c t i o nC o n t r o l S y s t e mf o rF o u r W h e e lD r i v eV e-h i c l e[J].C h i n e s eJ o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r-i n g,2006,42(2):141‐144.[2] A n w a r S.B r a k e‐b a s e dV e h i c l eT r a c t i o nC o n t r o l v i aG e n e r a l i z e dP r e d i c t i v e A l g o r i t h m[J].S A E P a p e r,2003‐01‐0323,2003.[3] 胡建军,王银,秦大同,等.基于轴间转矩分配的四轮驱动汽车牵引力控制[J].华南理工大学学报(自然科学版),2010,38(1):108‐112.H u J i a n j u n,W a n g Y i n,Q i nD a t o n g,e t a l.T r a c t i o nC o n t r o lo f F o u r‐w h e e lD r i v e V e h i c l e s B a s e d o nI n t e r‐a x l eT o r q u eD i s t r i b u t i o n[J].J o u r n a l o f S o u t hC h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n),2010,38(1):108‐112.[4] P a n z a n iG,C o r n o M,T a n e l l iM,e t a l.D e s i g n i n gO n‐d e m a n dF o u r‐w h e e l‐d r i v e V e h i c l e sv i a A c t i v eC o n t r o l o f t h eC e n t r a lT r a n s f e rC a s e[J].I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m s,2010,11(1):931‐941.[5] 高阳,李静,赵健,等.全时四轮驱动汽车驱动轮牵引力综合控制策略[J].吉林大学学报(工学版), 2009,39(2):296‐299.G a oY a n g,L i J i n g,Z h a o J i a n,e t a l.F u l l‐t i m eF o u r‐w h e e l‐d r i v e V e h i c l e T r a c t i o nI n t e g r a t e d C o n t r o l S t r a t e g y[J].J o u r n a l o f J i l i nU n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y E d i t i o n),2009,39(2):296‐299.[6] 胡建军,丁华,秦大同,等.基于限滑差速器驱动的防滑控制[J].北京工业大学学报,2011,37(1): 174‐180.H uJ i a n j u n,D i n g H u a,Q i n D a t o n g,e ta l.A n t i‐s l i p R e g u l a t i o n B a s e do n L i m i t e d‐s l i p D i f f e r e n t i a l[J].J o u r n a lo fB e i j i n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y, 2011,37(1):174‐180.[7] 王银.基于轴间扭矩分配的四轮驱动汽车牵引力控制系统研究[D].重庆:重庆大学,2009. [8] 谢文云.电控限滑差速器限滑转矩与整车性能匹配的仿真研究[D].长春:吉林大学,2007. [9] 于良耀,王会义,宋健.汽车防抱制动系统中液压系统性能评价与试验[J].机械工程学报,2007,43(9):18‐22.Y uL i a n g y a o,W a n g H u i y i,S o n g J i a n.P e r f o r m a n c eE v a l u a t i o na n d T e s to f A n t i‐l o c k B r a k i n g S y s t e mH y d r a u l i cS y s t e m[J].C h i n e s e J o u r n a l o fM e c h a n i-c a l E n g i n e e r i n g,2007,43(9):18‐22.[10] S a n k a rK M,R a n d o l p hC W.A S u r v e y o f4WDT r a c t i o nC o n t r o l S y s t e m s a n dS t r a t e g i e s[J].S A EP a p e r,952644,1995.[11] M o k h i a m a r O,A b e M.H o w t h eF o u r W h e e l sS h o u l dS h a r eF o r c e s i na n O p t i m u m C o o p e r a t i v eC h a s s i sC o n t r o l[J].C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e,2006,14(3):295‐304.[12] V a n t s e v i c hV V.M u l t i‐w h e e lD r i v eV e h i c l eE n e r-g y/F u e l E f f i c i e n c y a n d T r a c t i o n P e r f o r m a n c e:O b j e c t i v eF u n c t i o nA n a l y s i s[J].J o u r n a l o fT e r r a-m e c h a n i c s,2007,44(3):239‐253. [13] 潘玉斌.商用车牵引力控制系统的路面识别算法研究[D].长春:吉林大学,2008.[14] S e n a t o r eC,S a n d uC.T o r q u eD i s t r i b u t i o nI n f l u-e n c eo n T r a c t i v eEf f i c i e n c y a n d M o b i l i t y o fO f f‐r o a d W h e e l e d V e h i c l e s[J].J o u r n a lo fT e r r a m e-c h a n i c s,2011,48:372‐383.㊃2281㊃中国机械工程第25卷第13期2014年7月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.[15] G r e lR ,V e j l u p e kJ ,L a m b e r s k y V ,e t a l .D e v e l -o p m e n t o f 4W S /4WDE x p e r i m e n t a lV e h i c l e :P l a t -f o r mf o rR e s e a r c ha n dE d u c a t i o ni n M e c h a t r o n i c s[C ]//P r o c e e d i n gso f t h e2011I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo n M e c h a t r o n i c s .I s t a n b u l ,T u r k e y,I E E EC o m p u t e r S o c i e t y,2011:893‐898.[16] 毛啸滇.防滑差速器的应用研究[D ].合肥:合肥工业大学,2006.(编辑 苏卫国)作者简介:胡建军,男,1973年生㊂重庆大学机械传动国家重点实验室副教授㊂主要研究方向为车辆动力传动及其综合控制㊁混合动力电动汽车㊁汽车电子㊂发表论文80余篇㊂杨振辉,男,1987年生㊂重庆大学机械传动国家重点实验室硕士研究生㊂刘 辉,男,1988年生㊂重庆大学机械传动国家重点实验室硕士研究生㊂葛 鹏,男,1985年生㊂重庆大学机械传动国家重点实验室硕士研究生㊂履带车辆液压机械差速转向机构转向性能研究曹付义 周志立 徐立友河南科技大学,洛阳,471003摘要:采用机械系统动力学分析与建模通用方法,考虑车辆转向时履带滑转(滑移)及转向中心偏移等因素,在对车辆转向受力状况进行分析与计算的基础上,建立了履带车辆液压机械差速转向机构转向动力学模型,采用N e w t o n ‐R a p h s o n 方法对模型进行了求解㊂根据提出的转向性能评价指标,结合实例样车,采用仿真与试验方法研究了履带车辆转向性能,行驶试验的结果表明,所建模型能反映履带车辆转向性能的变化趋势㊂研究结果为履带车辆液压机械差速转向机构设计及行驶控制提供了理论基础㊂关键词:履带车辆;液压机械传动;转向性能;N e w t o n ‐R a ph s o n 方法中图分类号:U 463.3 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2014.13.023S t u d y o nS t e e r i n g P e r f o r m a n c e o fH y d r o ‐m e c h a n i cD i f f e r e n t i a l S t e e r i n g Me c h a n i s mi nT r a c k e dV e h i c l e C a oF u y i Z h o uZ h i l i X uL i yo u H e n a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ,L u o y a n g,H e n a n ,471003A b s t r a c t :G e n e r a l i z e d m e t h o do f t h ed y n a m i ca n a l y s i sa n d m o d e l l i n g o fm e c h a n i c a l s ys t e m w a s u s e d f o r t r a c k e dv e h i c l es t e e r i n gp e r f o r m a n c e .T h e g r o u n d i n g t r a c ks k i d (s l i p p a g e ),s t e e r i n g ce n t r e of f s e t a n de t c .w a sc o n s i d e r e d i ns t e e r i n gp r o c e s s ,t h e f o r c ea n a l ys i sa n dc a l c u l a t i o n w e r e f i n i s h e d ,a n d t h e s t e e r i n g d y n a m i c sm o d e l o f t r a c k e dv e h i c l ew a s e s t a b l i s h e db a s e do nh y d r o ‐m e c h a n i c a l d i f f e r -e n t i a l .T h em o d e lw a s s o l v e du s i n g N e w t o n ‐R a p h s o n m e t h o d .As t e e r i n gp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n i n -d e xw a s p r o v i d e d .T h e s t e e r i n g p e r f o r m a n c e c h a n g i n g t r e n d o f t r a c k e d v e h i c l ew a s s i m u l a t e d r e f e r r i n g t o p r o t o t y p eb a s e do nh y d r o ‐m e c h a n i c a ld i f f e r e n t i a l .I t i sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t a l r e s u l t st h a t t h e m o d e l c a nr e f l e c t t h e c h a n g i n g t r e n do f t r a c k e dv e h i c l e s t e e r i n gp e r f o r m a n c e .T h e t h e o r e t i cb a s i s f o r h y d r o ‐m e c h a n i c a l d i f f e r e n t i a l s t e e r i n g m e c h a n i s md e s i g n a n d r u n n i n g c o n t r o l o f t r a c k e d v e h i c l e i s p r o -v i d e d .K e y wo r d s :t r a c k e dv e h i c l e ;h y d r o ‐m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ;s t e e r i n gp e r f o r m a n c e ;N e w t o n ‐R a p h s o nm e t h o d 0 引言履带车辆的转向性能直接反映了车辆行驶的机动性㊁准确性㊂转向性能影响因素较多,转向性能不仅与转向操纵输入㊁地面性质㊁行驶速度等因素有关,还受所装备的转向机构影响,目前研究履带车辆转向性能的文献大多不考虑具体的转向机构[1‐5]㊂液压机械差速转向机构是复合了液压传动和机械传动的履带车辆新型转向机构,在大功率履带拖拉机㊁工程车辆及装甲车辆等领域有着良好的应用前景[1,6‐10]㊂收稿日期:2013 02 04基金项目:河南省重点科技攻关计划资助项目(102102210165)考虑车辆转向时履带滑转(滑移)及转向中心偏移等因素,通过对履带车辆转向受力状况进行分析与计算,笔者建立了履带车辆液压机械差速转向机构转向动力学模型,参考某型号橡胶履带车辆,采用仿真分析及试验方法,对履带车辆转向性能进行了研究㊂研究结果为履带车辆液压机械差速转向机构设计及行驶控制提供了理论基础㊂1 转向受力分析与计算1.1 受力分析假设车辆向右转向,车辆水平面内的受力状况如图1所示,o x y 为静坐标系,o 'x 'y'为随车辆㊃3281㊃履带车辆液压机械差速转向机构转向性能研究曹付义 周志立 徐立友Copyright©博看网 . All Rights Reserved.运动的动坐标系,车辆受到驱动力F q(内侧履带驱动力F q1和外侧履带驱动力F q2)㊁转向阻力F z(内侧履带转向阻力F z1和外侧履带转向阻力F z2)㊁工作阻力F w及行驶阻力F f(内侧履带行驶阻力F f1和外侧履带行驶阻力F f2)等的共同作用,对高速转向的车辆还要考虑转向离心力F c e n t (F c e n t x和F c e n t y)的影响㊂图1 履带车辆转向受力图1.2 假设条件履带车辆的转向受力计算较为复杂,为便于研究,作如下假设:(1)车辆在水平硬地面上转向行驶,转向阻力仅表现为地面附着力,不考虑剪切阻力和推土阻力㊂(2)车辆转向时,地面附着力足够大,接地履带未全滑转㊂(3)车辆静止时,两侧履带接地压力均匀分布㊂(4)车辆转向时,发动机油门开度保持不变㊂(5)车辆质心与其几何中心重合㊂(6)忽略空气阻力的影响,滚动阻力系数和地面附着系数为定值㊂1.3 受力计算1.3.1 驱动力驱动力与地面性质㊁接地履带的滑转(滑移)有关,但其产生的来源是通过车辆动力传动系统传递的发动机动力㊂对不同的转向机构,发动机传递到内侧履带㊁外侧履带的驱动力不同,进而影响履带车辆的转向性能,目前已有的履带车辆转向动力学模型在计算驱动力时并未考虑转向机构的影响,仅根据地面与接地履带的相互作用关系进行计算㊂采用液压机械差速转向机构的履带车辆的内侧履带㊁外侧履带驱动力均可根据发动机转矩计算得到,二者具有确定的计算关系㊂采用图2所示液压机械差速转向机构[8]的车辆内外侧履带驱动力按下式计算:图2 液压机械差速转向机构F q1=(1+α)[(1-λ1)i g i z+αλ1i f i y]i m2αr q M e(1)F q2=(1+α)[(1-λ2)i g i z+αλ2i f i y]i m2αr q M e(2)式中,α为行星排特性参数;λ1㊁λ2分别为内侧㊁外侧液压功率分流比[10];i g为直驶变速系统传动比;i z为中央传动比;i f为定轴齿轮传动比;i y为马达后传动比;i m为最终传动比;M e为发动机转矩;r q为驱动轮半径㊂1.3.2 转向阻力内侧履带㊁外侧履带转向阻力按横向附着力计算,即F z1=∫0.5L-0.5L∫-0.5B+0.5b-0.5B-0.5b x x2+y2μp1(x,y)d x d y(3) F z2=∫0.5L-0.5L∫-0.5B+0.5b-0.5B-0.5b x x2+y2μp2(x,y)d x d y(4)式中,L为履带接地长度;B为履带轨距;b为履带宽度;μ为地面附着系数;p1㊁p2分别为内侧履带㊁外侧履带接地压力㊂p1㊁p2的计算式如下[11]:p1(x,y)=m g2b L-6F c e n t x h g xb L3-F c e n t y h gb B L(5)p2(x,y)=m g2b L-6F c e n t x h g xb L3+F c e n t y h gb B L(6)式中,m为车辆质量;h g为质心高㊂1.3.3 工作阻力履带车辆通常与配套工作装置一起完成各种作业,其作业种类多,作业方式复杂,工作阻力可按不同作业类型分别计算㊂以铧式犁作配套工作装置为例进行计算,其工作阻力为F w=k p z b p h p(7)式中,k p为土壤比阻;z为犁铧数;b p为单体犁铧的宽度;h p为耕作深度㊂1.3.4 行驶阻力行驶阻力根据滚动阻力系数和履带接地压力计算,内侧履带㊁外侧履带行驶阻力分别为F f1=f b L p1(x,y)(8)F f2=f b L p2(x,y)(9)式中,f为履带滚动阻力系数㊂1.3.5 转向离心力转向离心力在x'㊁y'方向的分力分别为㊃4281㊃中国机械工程第25卷第13期2014年7月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.F c e n t x=m v2DR2c+D2(10)F c e n t y=m v2R cR2c+D2(11)式中,v为车辆速度;D为转向中心线偏移量;R c为转向中心到车辆纵向中心线垂直距离㊂2 转向动力学模型及求解方法2.1 转向动力学模型当履带车辆在水平地面上稳态转向行驶时,其纵向㊁横向所受力的合力及各力对车辆质心的合力矩为零㊂在图1坐标系下,其转向动力学模型为F q1+F q2-F f1-F f2+F c e n t y-F w c o sβ=0(12)F z1+F z2-F c e n t x+F w s i nβ=0(13)B2(F q2-F q1)-∬x d F z1-∬x d F z2-F w l T s i nβ=0(14)式中,β为工作阻力与y'轴的夹角;l T为工作装置挂接点到车辆质心的距离㊂2.2 模型求解方法转向动力学模型为非线性方程组,采用N e w t o n‐R a p h s o n方法进行求解,流程如图3所示㊂其中,A1㊁A2分别为内侧履带㊁外侧履带速度瞬心偏离其各自几何中心的距离,C为常数㊂3 转向性能评价指标履带车辆的转向性能通常用转向半径和转向角速度进行评价,由于车辆转向时履带滑转(滑移)及转向中心偏移,故在对履带车辆进行实时操纵时,较难控制其实际转向半径和实际转向角速度的大小,为此提出以履带滑转(滑移)率㊁转向中心偏移率㊁转向半径变化率和转向角速度变化率等作为履带车辆转向性能评价指标㊂3.1 履带滑转(滑移)率履带滑转(滑移)率定义为履带相对速度和牵连速度之差与履带相对速度的比值,内侧履带滑移率和外侧履带滑转率分别为δ1=A1R c-0.5B-A1(15)δ2=A2R c-0.5B-A2(16) 3.2 转向中心偏移率转向中心偏移率定义为转向中心偏移量与履带接地长度一半的比值,即δ3=D0.5L(17) 3.3 转向半径变化率转向半径变化率定义为车辆实际转向半径和理论转向半径之差与理论转向半径的比值,即图3 模型求解流程图δ4=R-R lR l(18)式中,R为实际转向半径;R l为不考虑履带滑转(滑移)及转向中心偏移的理论转向半径㊂3.4 转向角速度变化率转向角速度变化率定义为车辆理论转向角速度和实际转向角速度之差与理论转向角速度的比值,即δ5=ωl-ωωl(19)式中,ωl为不考虑履带滑转(滑移)及转向中心偏移的理论转向角速度;ω为实际转向角速度㊂4 实例计算4.1 已知参数根据使用条件设定履带滚动阻力系数为0.05,地面附着系数为1㊂履带车辆结构参数㊁液压机械差速转向机构及发动机参数㊁直驶变速系统传动比见表1㊁表2及表3[11]㊂㊃5281㊃履带车辆液压机械差速转向机构转向性能研究 曹付义 周志立 徐立友Copyright©博看网 . All Rights Reserved.表1 履带车辆结构参数m (k g )B (m )L (m )b (m )h g (m )i m r q (m )70001.4351.6150.70.65.50.346表2 液压机械差速转向机构及发动机参数i fi yi zαp H(M P a)n e (r /m i n )P e(k W )0.9054.102.7332.39138230095.6注:p H 为液压闭式回路系统额定压力;n e 为发动机额定转速;P e 为发动机额定功率㊂表3 直驶变速系统传动比挡位F 1F 2F 3F 4F 5F 6R 1R 2传动比3.5002.3892.0501.8331.4800.8763.5612.4204.2 仿真计算限于篇幅,主要研究液压闭式回路系统排量比与直驶变速系统传动比对车辆转向性能的影响㊂4.2.1 液压闭式回路系统排量比的影响以直驶变速系统一挡㊁不带工作装置为例,车辆转向性能随液压闭式回路系统排量比变化的关系如图4所示㊂当液压闭式回路系统排量比增大时,车辆理论转向角速度增大㊁理论转向半径减小,转向阻力矩增大㊂为平衡增大的转向阻力矩,转向力矩需增大,从而使外侧履带滑转率㊁内侧履带滑移率和转向中心偏移率增大,车辆转向半径变化率和转向角速度变化率增大,由于内侧履带的转向阻力大于外侧履带的转向阻力,故内侧履带滑移率大于外侧履带滑转率㊂图4 液压闭式回路系统排量比的影响(i g =3.5,F w =0)4.2.2 直驶变速系统传动比的影响当液压闭式回路系统排量比为0.5,直驶变速系统传动比变化,其他条件不变时,车辆转向性能随直驶变速系统传动比变化的关系如图5所示㊂当直驶变速系统传动比增大时,由发动机决定的驱动力增大,而地面驱动力不变,使外侧履带滑转率㊁内侧履带滑移率增大,车辆行驶速度降低,转向离心力对转向中心的矩减小,使转向中心偏移率减小,车辆的实际转向角速度减小,而理论转向角速度不变,使转向角速度变化率和转向半径变化率增图5 直驶变速系统传动比的影响(ε=0.5,F w =0)大,外侧履带滑转率小于内侧履带滑移率㊂4.3 试验验证4.3.1 试验方案为验证履带车辆液压机械差速转向机构转向性能仿真模型的正确性及仿真结果的合理性,笔者进行了多工况转向行驶试验㊂试验样机为装备液压机械差速转向机构的农用履带车辆㊂试验测试履带车辆两侧驱动轮转速,驱动轮转速采用反射式光电传感器测量㊂试验前,在驱动轮外侧车体上安置专用传感器支架,在支架上安装光电传感器,在驱动轮与光电传感器相对应的位置上对称均匀粘贴反光片,可进行驱动轮转速数据采集,履带车辆两侧分别安装了两套相同的光电传感器㊂试验时,首先通过发动机油门控制机构设定发动机转速,通过变速操纵机构设定直驶变速系统挡位,使车辆在设定的发动机转速和直驶变速系统挡位下开始行驶,然后转动方向盘,改变液压闭式回路系统排量比,车辆开始转向行驶,待行驶稳定后,测试履带车辆两侧驱动轮转速㊂改变方向盘行程,测试不同方向盘行程下的车辆两侧驱动轮转速,完成设定发动机转速及直驶变速系统挡位的转向行驶试验㊂保持发动机转速不变,改变直驶变速系统挡位,进行不同挡位下的转向行驶试验㊂改变发动机转速重复上述试验过程㊂4.3.2 试验结果分析以发动机转速2300r /m i n 和1530r /m i n ㊁直驶变速系统二挡和四挡的履带车辆转向行驶工况为例,对试验结果进行分析㊂根据试验测得的履带车辆两侧驱动轮转速,经换算绘制出转向半径随液压闭式回路系统排量比变化的关系曲线,如图6所示㊂为便于比较,图6同时给出了其理论计算值(不考虑履带滑转(滑移)及转向中心偏移)及仿真计算值㊂分析图6可知,转向半径的试验结果与仿真计算结果的变化趋势一致,当液压闭式回路系统排量比增大或直驶变速系统挡位升高时,转向半径变化率增大㊂㊃6281㊃中国机械工程第25卷第13期2014年7月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.。
