輕型貨車的彎道安全性自動換擋規(guī)律

符　冉,周志立,郭志強,徐立友

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.中國一拖集團有限公司,河南 洛陽 471003)

輕型貨車的彎道安全性自動換擋規(guī)律

符冉1,周志立1,郭志強2,徐立友1

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.中國一拖集團有限公司,河南 洛陽 471003)

摘要：針對輕型貨車在彎道行駛速度過快時，有側(cè)滑、側(cè)翻風(fēng)險的問題，運用模糊控制的方法，設(shè)計了擋位修正模塊，嵌入自動變速器換擋模塊中，對擋位進行修正?；谔岢龅男拚蛽Q擋規(guī)律，以某輕型貨車為研究對象，建立其整車模型，進行仿真驗證。研究結(jié)果表明：修正型換擋規(guī)律通過對擋位的控制，平均降低車速11.6 km/h,避免了側(cè)翻事故的發(fā)生，提高了行駛安全性。該研究為換擋規(guī)律的理論完善和實車運用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輕型貨車;彎道安全性;換擋規(guī)律;智能修正

基金項目：河南省重點科技攻關(guān)計劃基金項目(142102210424);河南省教育廳重點科技攻關(guān)計劃基金項目(14B460015);河南省重點產(chǎn)學(xué)研合作項目(132107000052)

作者簡介：符冉(1985-),男,河南南陽人,碩士生;周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為車輛新型傳動理論與控制技術(shù).

收稿日期：2014-09-30

文章編號：1672-6871(2015)02-0022-04

中圖分類號：U469.2

文獻標(biāo)志碼：志碼：A

0引言

換擋規(guī)律是指自動變速器的擋位隨換擋參數(shù)變化的規(guī)律。擋位調(diào)節(jié)性能的好壞，直接影響到車輛的動力性、經(jīng)濟性、排放性、安全性和舒適性等[1-3]。因此，研究換擋規(guī)律有著極其重要的理論和現(xiàn)實意義。換擋規(guī)律經(jīng)過多年的發(fā)展，已由最初的單參數(shù)、兩參數(shù)換擋規(guī)律發(fā)展為后來的三參數(shù)和四參數(shù)換擋規(guī)律[4-5]。隨著智能控制理論的發(fā)展，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等被越來越多地運用到換擋規(guī)律的制定與修正中[6-7]。

關(guān)于換擋規(guī)律的研究，前人多集中于改善車輛的動力性、經(jīng)濟性及避免頻繁換擋等方面[4-7]，而對于安全性方面的研究較少。近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，交通傷亡事故呈遞增趨勢，行車安全性越來越引起人們的重視[8]。因此，在安全備受關(guān)注的情況下，研究制定輕型貨車彎道換擋規(guī)律，對控制貨車車速、提高其行駛安全性有著重要意義。本文在已有換擋規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過對輕型貨車彎道運動學(xué)狀態(tài)進行分析，提出了一種基于安全性考慮的彎道換擋修正規(guī)律。

1輕型貨車彎道行駛的運動學(xué)分析

研究輕型貨車在彎道行駛時的穩(wěn)定性，需要建立其彎道行駛的物理模型。復(fù)雜的模型不僅參數(shù)繁多,而且不易突出主要矛盾。為了更好地分析貨車彎道行駛操縱穩(wěn)定性的本質(zhì)特性，本文將對貨車系統(tǒng)做出如下簡化：

(Ⅰ)忽略輕型貨車懸架及其輪胎的彈性形變，將之簡化為一個剛體。

(Ⅱ)忽略轉(zhuǎn)向系，以外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角作為系統(tǒng)的輸入。

(Ⅲ)忽略路面不平及車身俯仰、彈跳等對貨車穩(wěn)定性的影響，將之看作一個準(zhǔn)靜態(tài)的轉(zhuǎn)向運動。

貨車在彎道運輸貨物時，側(cè)向受力會急劇增大。其主要由側(cè)向摩擦力提供向心力，維持其轉(zhuǎn)彎運行。當(dāng)轉(zhuǎn)彎速度過大時，則有側(cè)翻風(fēng)險。由文獻[9-10]可知：

(1)

G=mg;

(2)

(3)

式中：Q為向心力，N；G為重力，N；L為軸距，m；M為前軸主銷中心距，m；v為車速，km/h；R為質(zhì)心處轉(zhuǎn)彎半徑，m；m為質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；θ為外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，rad。

車輛發(fā)生側(cè)翻的條件[9]為:

(4)

式中：H為重心高度，m；B為轉(zhuǎn)向輪輪距，m。

由式(1)~式(4)可得貨車發(fā)生側(cè)翻的臨界速度為：

(5)

式中，v0為貨車側(cè)翻速度，km/h。

由式(5)可知：在彎道行駛時，如果車速超過臨界速度v0則會發(fā)生側(cè)翻。雖然側(cè)翻為短暫的不穩(wěn)定狀態(tài)，但卻會導(dǎo)致車毀人亡等不可挽回的損失。一般在車輛發(fā)生側(cè)翻前已經(jīng)發(fā)生側(cè)滑，側(cè)滑同樣對車輛的安全性構(gòu)成一定的威脅。因此，在彎道行駛時，必須減速慢行，將車速控制在一定的安全范圍內(nèi)。

2智能修正型彎道換擋規(guī)律

由上述分析可知：在貨車行駛工況已經(jīng)明確的情況下，輸入外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，由式(5)可得側(cè)翻速度v0。代入車速計算公式[9]：

(6)

式中：r為驅(qū)動輪半徑，m；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比。

整理后得出車輛彎道安全行駛變速器可用最小傳動比為：

(7)

式中:ne為發(fā)動機額定輸出轉(zhuǎn)速，r/min；ig min為變速器可用最小傳動比。

圖1　貨車彎道換擋修正邏輯圖

將ig min與車輛變速器已有傳動比相比較，選取最接近ig min所對應(yīng)的擋位為安全行駛可用最大輸出擋位的初定值。同時，將雨雪天氣、特殊地形等外部環(huán)境因素對安全行駛的影響加以考慮，最終可確定出轉(zhuǎn)向輪一定轉(zhuǎn)角下對應(yīng)的安全行駛可用最大擋位。當(dāng)貨車彎道行駛車速大于安全車速時，則調(diào)用安全行駛可用最大擋位，直至彎道運行階段結(jié)束；當(dāng)車速處于安全范圍之內(nèi)，則原擋位保持不變。換擋修正控制邏輯如圖1所示。

由于環(huán)境因素比較復(fù)雜，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)換擋規(guī)律。因此，可以通過模糊控制的方法，建立以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和外界綜合環(huán)境因素為輸入量，變速器可用最大擋位為輸出量的雙輸入單輸出型模糊控制器[11]。以此模糊控制器對傳統(tǒng)換擋規(guī)律進行修正。

根據(jù)需要，控制器輸入輸出量的語言集分別為：

轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角θ:{很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B) }。

環(huán)境因素e：{良好(G)、中(M)、差(B)、極差(VB)}。

可用最大擋位g：{高(H)、中(M)、低(L)、很低(VL)}。

當(dāng)論域中元素總數(shù)為模糊子集總數(shù)的2~3倍時，模糊子集對論域的覆蓋程度較好[12]。根據(jù)這一原則，輸入輸出量的論域設(shè)置如下：

Xθ：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}；

Xe：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}；

Yg：{0，1，2，3，4，5，6，7，8}。

然后，利用三角梯形隸屬法分別對θ、e、g建立隸屬函數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2　各變量隸屬函數(shù)圖

轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角綜合環(huán)境狀況GMBVBVSHHMMSMMSSMSSVSVSBVSVSVSVS

圖3　換擋曲面

根據(jù)式(7)，考慮環(huán)境因素并結(jié)合優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗可得安全行駛條件下可用最大擋位。將各工況下可用最大擋位匯總，可得如表1所示的模糊控制換擋規(guī)則庫。根據(jù)換擋規(guī)則庫可制得模糊控制器?？刂破鲝澋罁Q擋控制曲面如圖3所示。將制得的模糊控制器嵌入換擋模塊內(nèi)，實現(xiàn)對貨車彎道行駛時擋位的控制。

3換擋規(guī)律的仿真驗證

為驗證本模糊控制器對輕型貨車彎道行駛安全性的改進效果，本文以某輕型貨車在彎道運輸為例，采用自動變速器，運用Matlab/Simulink軟件進行安全性換擋仿真，并與傳統(tǒng)三參數(shù)(車速、油門開度和加速度)換擋規(guī)律進行對比。貨車相關(guān)參數(shù)取值見表2，傳動比取值[13]見表3。選取運輸環(huán)境為一般，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角為小轉(zhuǎn)角，仿真以中速較大油門在道路運輸為例，其中5~15 s為彎道轉(zhuǎn)彎階段，其余時間為直道行駛階段。

表2　某貨車相關(guān)參數(shù)

表3　某貨車傳動比

仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，圖4為擋位對比圖，圖5為車速對比圖。仿真結(jié)果表明：在直道行駛階段，修正規(guī)律和傳統(tǒng)換擋規(guī)律對擋位與車速的控制基本一致；當(dāng)進入彎道后，修正規(guī)律根據(jù)環(huán)境和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的大小，有效控制擋位，平均降低車速11.6 km/h，預(yù)防了側(cè)翻事故的發(fā)生。相比傳統(tǒng)換擋規(guī)律，彎道換擋修正規(guī)律不僅繼承了傳統(tǒng)換擋規(guī)律的一些優(yōu)點，而且可智能地識別彎道，提高了車輛行駛的安全性。

圖4 換擋曲線對比圖圖5 車速對比圖

4結(jié)論

(1)通過對車輛彎道運動狀態(tài)進行分析，得出彎道行駛安全性與車身結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角以及環(huán)境因素的關(guān)系。當(dāng)車輛重心越高、軸距越小、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角越大、環(huán)境越差時，則彎道行駛時側(cè)翻的風(fēng)險就越大；反之，風(fēng)險則較小。

(2)設(shè)計了彎道換擋模糊控制器,對傳統(tǒng)換擋規(guī)律進行修正，既繼承了傳統(tǒng)換擋規(guī)律的優(yōu)點,又考慮了行駛的安全性。

(3)運用Matlab/Simulink軟件，進行建模仿真，驗證了安全性換擋修正規(guī)律的合理性。

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