客車防側(cè)翻控制研究

□ 李勝超 □ 楊方媛

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074

1 研究背景

近年來,我國交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展快速,商用車市場隨之出現(xiàn)普遍繁榮的景象。無論是載客還是貨物運(yùn)輸,汽車都起著不可取代的作用。專家預(yù)測,我國將成為全球最大的汽車交易市場,僅商用車就占據(jù)汽車產(chǎn)銷市場的50%以上份額[1]。近年來,汽車在運(yùn)輸過程中事故發(fā)生率有明顯提高,對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生危害。由美國國家公路交通安全管理局的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,汽車側(cè)翻事故的發(fā)生數(shù)量僅次于汽車碰撞事故,處于第二位,如圖1所示。在汽車側(cè)翻時(shí),駕駛員往往來不及采取有效應(yīng)對措施,從而造成嚴(yán)重事故[2-4]。因此,為保證更多出行人員的安全,需要對客車防側(cè)翻控制進(jìn)行研究,這一點(diǎn)顯得尤為重要。

側(cè)翻指汽車在行駛過程中繞縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)90°或更大角度,導(dǎo)致車身與地面相接觸的一種危險(xiǎn)側(cè)向運(yùn)動(dòng)[5]。導(dǎo)致汽車側(cè)翻的原因有多種,總體而言可以分為兩大類,一類是非絆倒型側(cè)翻,另一類是絆倒型側(cè)翻。非絆倒型側(cè)翻指由于汽車曲線運(yùn)動(dòng)而引起的側(cè)翻。汽車在道路上,尤其是在坡道上轉(zhuǎn)彎行駛時(shí),過大的側(cè)向加速度使左右驅(qū)動(dòng)車輪間的垂直載荷產(chǎn)生位移,導(dǎo)致側(cè)翻。絆倒型側(cè)翻指汽車在行駛時(shí),與路面上障礙物發(fā)生碰撞產(chǎn)生的側(cè)翻。筆者提出的客車防側(cè)翻控制策略主要針對非絆倒型側(cè)翻。

2 客車防側(cè)翻控制現(xiàn)狀

目前,國外正在研究的客車防側(cè)翻控制技術(shù)主要有三方面。第一,防側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng),以車輛側(cè)翻角或側(cè)翻加速度為監(jiān)測指標(biāo),檢測下一段時(shí)間內(nèi)是否有側(cè)翻傾向,并及時(shí)報(bào)警。第二,差動(dòng)制動(dòng)法,通過對車輛不同的車輪施加不同的制動(dòng)力,產(chǎn)生相應(yīng)的橫擺力矩,從而達(dá)到減小車輛側(cè)向加速度的目的。第三,主動(dòng)懸架技術(shù),在防抱死制動(dòng)的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整左右懸架的行程來實(shí)現(xiàn)控制。

1990年,woodrooffe和Thomas等人設(shè)計(jì)了一種防側(cè)翻預(yù)警裝置,通過測量內(nèi)側(cè)車輪的側(cè)向加速度,并與進(jìn)行正常值比較,實(shí)現(xiàn)報(bào)警[6];CHEN Bochiuan等[7]對基于側(cè)翻時(shí)間的防側(cè)翻預(yù)警進(jìn)行研究,根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算側(cè)翻時(shí)間預(yù)測矩陣,使矩陣能夠準(zhǔn)確地預(yù)測出車輛側(cè)翻時(shí)刻。但這一預(yù)警方法以車輛側(cè)傾角作為監(jiān)測指標(biāo),存在一定的弊端,由于車輛側(cè)傾角不同,因此無法應(yīng)用到各種車輛上,通用性較差。朱天軍[8]提出一種改進(jìn)方案,采用車輛橫向載荷轉(zhuǎn)移率的改變來判斷是否會發(fā)生側(cè)翻。

國內(nèi)的研究主要以主動(dòng)懸架和差動(dòng)制動(dòng)為主。2003年,何峰等[9]采用差動(dòng)制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行控制仿真,結(jié)果表明差動(dòng)制動(dòng)技術(shù)在很大程度上減小了車輛的側(cè)向加速度,可以起到防側(cè)翻作用。2008年,宗長富等[10]對重型半掛車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,對其側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析。

筆者采用Trucksim軟件,建立客車動(dòng)力學(xué)模型。通過客車側(cè)翻因素試驗(yàn),分析明確客車側(cè)翻誘發(fā)因素。選取橫向載荷轉(zhuǎn)移率作為客車側(cè)翻評價(jià)指標(biāo),并采用比例積分微分控制,通過Matlab/Simulink軟件仿真工具建立有效的防側(cè)翻控制器模型。采用Trucksim軟件與Matlab/Simulink軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真,在雙移線試驗(yàn)工況下,證明所提出的防側(cè)翻策略的可靠性。

3 客車側(cè)翻因素分析

3.1 不同車速

在國內(nèi)高速公路行駛標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行雙移線工況試驗(yàn)。設(shè)置客車車速分別為80 km/h、90 km/h、100 km/h。

試驗(yàn)一對車速為80 km/h和90 km/h的客車進(jìn)行行車對比試驗(yàn),得到客車的側(cè)向加速度曲線和側(cè)偏角曲線,分別如圖2、圖3所示。

圖2 試驗(yàn)一客車側(cè)向加速度曲線

圖3 試驗(yàn)一客車側(cè)偏角曲線

試驗(yàn)二對車速為80 km/h與100 km/h的客車進(jìn)行行車對比試驗(yàn),得到客車的側(cè)向加速度曲線和側(cè)偏角曲線,分別如圖4、圖5所示。

圖4 試驗(yàn)二客車側(cè)向加速度曲線

圖5 試驗(yàn)二客車側(cè)偏角曲線

對比以上兩組試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)車速為80 km/h的客車在時(shí)間10 s以后側(cè)向加速度與側(cè)偏角均逐漸平緩,車速為90 km/h的客車在整個(gè)行車過程中側(cè)向加速度與側(cè)偏角的波動(dòng)均較大,車速為100 km/h的客車約在時(shí)間9 s時(shí)側(cè)向加速度消失,側(cè)偏角驟增,代表發(fā)生了側(cè)翻。

由試驗(yàn)可見,車速越快,越容易發(fā)生側(cè)翻,車速是導(dǎo)致車輛側(cè)翻的一個(gè)重要因素。

3.2 不同質(zhì)心高度

車輛質(zhì)心高度分別設(shè)置為1 600 mm、1 700 mm、1 800 mm。

試驗(yàn)三對質(zhì)心高度為1 600 mm和1 700 mm的客車進(jìn)行行車對比試驗(yàn),得到客車的側(cè)向加速度曲線和側(cè)偏角曲線,分別如圖6、圖7所示。

圖6 試驗(yàn)三客車側(cè)向加速度曲線

圖7 試驗(yàn)三客車側(cè)偏角曲線

試驗(yàn)四對質(zhì)心高度為1 600 mm和1 800 mm的兩客車進(jìn)行行車對比試驗(yàn),得到客車的側(cè)向加速度曲線和側(cè)偏角曲線,分別如圖8、圖9所示。

圖8 試驗(yàn)四客車側(cè)向加速度曲線

圖9 試驗(yàn)四客車側(cè)偏角曲線

對比以上兩組試驗(yàn)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),雖然三種不同質(zhì)心高度的客車在行車過程中均存在一定的不穩(wěn)定性,但是不穩(wěn)定性隨著質(zhì)心高度的增高而不斷提高。質(zhì)心高度為1 800 mm的客車,約在時(shí)間7.5 s時(shí)發(fā)生了側(cè)翻。

由試驗(yàn)可見,質(zhì)心高度越高,越容易發(fā)生側(cè)翻,質(zhì)心高度是導(dǎo)致車輛側(cè)翻的一個(gè)重要因素。

4 客車防側(cè)翻控制方法

為滿足工業(yè)控制和操作簡便的要求,筆者選擇的控制方法為傳統(tǒng)比例積分微分控制。根據(jù)所建系統(tǒng)中的誤差,應(yīng)用比例積分微分?jǐn)?shù)學(xué)模型,進(jìn)行比例、積分及微分運(yùn)算,最終得到輸出的控制量,即施加在客車前外輪上的制動(dòng)壓力。比例積分微分控制器結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 比例積分微分控制器結(jié)構(gòu)

比例控制的輸出信號與輸入信號的誤差存在一定的比例關(guān)系,當(dāng)系統(tǒng)僅僅受到比例控制時(shí),輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分控制時(shí),輸入信號與輸出信號的積分成正比關(guān)系。當(dāng)引入積分項(xiàng)后,積分項(xiàng)隨時(shí)間的推移而逐漸增大,所以系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差后,積分控制會使系統(tǒng)輸出的施加在客車前外輪上的制動(dòng)壓力逐漸增大,最終會使穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)至零。

微分控制能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,可以通過提前預(yù)測偏差,緊急抑制偏差的變化。

筆者采用差動(dòng)制動(dòng)技術(shù),對客車左前輪或右前輪進(jìn)行制動(dòng)力輸入,產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的橫擺力矩,從而防止客車側(cè)翻。

5 客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對客車車輪橫向載荷轉(zhuǎn)移率進(jìn)行監(jiān)測,根據(jù)客車運(yùn)行時(shí)的橫擺角速度和側(cè)向加速度來判斷客車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

橫向載荷轉(zhuǎn)移率L的計(jì)算式為:

(1)

式中:FLi、FRi分別為客車軸上左車輪、右車輪輪胎的垂直載荷;n為車軸數(shù),n=2。

當(dāng)客車運(yùn)行中橫向載荷轉(zhuǎn)移率的絕對值大于1時(shí),表明客車發(fā)生側(cè)翻。應(yīng)用此數(shù)據(jù)來監(jiān)測客車是否會發(fā)生側(cè)翻,具有良好的普遍性和實(shí)用性。

根據(jù)客車控制反應(yīng)時(shí)間差,將橫向載荷轉(zhuǎn)移率的絕對值0.8作為觸發(fā)閾值。一旦超過此閾值,觸發(fā)器便觸發(fā)控制器,對客車進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)如圖11所示。對客車行駛過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,通過橫向載荷轉(zhuǎn)移率的絕對值來判斷客車是否需要施加防側(cè)翻控制。

圖11 客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)

6 客車防側(cè)翻控制系統(tǒng)建模

6.1 橫向載荷轉(zhuǎn)移率計(jì)算模塊

根據(jù)客車橫向載荷轉(zhuǎn)移率計(jì)算公式,在Matlab/Simulink軟件中建立橫向載荷轉(zhuǎn)移率計(jì)算模塊,如圖12所示。

6.2 觸發(fā)器控制模塊

當(dāng)客車橫向載荷轉(zhuǎn)移率絕對值大于0.8時(shí),觸發(fā)器開始起到觸發(fā)作用。觸發(fā)器控制模塊如圖13所示。

圖13 觸發(fā)器控制模塊

6.3 比例積分微分控制模塊

比例積分微分控制模塊如圖14所示,以客車側(cè)向加速度實(shí)際值和參考值之間的差值作為反饋信號,系統(tǒng)輸出的是施加在客車前外輪上的制動(dòng)壓力?？蛙噦?cè)向加速度的參考值為零。

圖14 比例積分微分控制模塊

7 客車系統(tǒng)建模

Trucksim軟件是一款參數(shù)化建模軟件,在建模時(shí)需要的數(shù)據(jù)量非常大,數(shù)據(jù)的真實(shí)性越高,所建立的客車模型就越接近真實(shí)客車?？蛙囌嚹Ｐ褪疽鈭D如圖15所示。

圖15 客車整車模型示意圖

筆者仿真試驗(yàn)所選用的客車車型為旅游觀光車,客車整車參數(shù)見表1。

表1 客車整車參數(shù)

空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表2?？蛙囋谛旭傔^程中受到空氣阻力的作用較大,空氣動(dòng)力學(xué)特性是影響客車性能的重要因素,可以解決客車動(dòng)力性、安全性方面的諸多問題,并與客車造型技術(shù)相互依存[10]。

表2 空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)

客車傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是將動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸至驅(qū)動(dòng)輪[11]。仿真試驗(yàn)中,客車所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)型號為濰柴WP6.220E50,適用于客車與卡車等車型,為增壓中冷式,六缸直列型,排量為6.75 L,可輸出功率為150 kW,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,最大扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 200～1 600 r/min,采用直列水冷四沖程濕式缸套。

客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能是使客車跟隨駕駛員的意圖進(jìn)行行駛?？蛙囖D(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)

構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分[12-13]。

客車制動(dòng)系統(tǒng)使行駛中的客車停止行駛,下坡時(shí)能夠保持客車行駛穩(wěn)定,并且使已經(jīng)停止行駛的客車保持不動(dòng)。

客車懸架及車輪系統(tǒng)參數(shù)見表3。懸架的主要作用是傳遞車輪與車架間的力和力矩,緩和沖擊,衰減振動(dòng),保證車輪在任何工況下都有比較理想的行駛特性,使客車平順行駛。按照左右兩側(cè)車輪是否采用一根整體剛性軸連接,懸架可以分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩種形式。仿真試驗(yàn)中客車前后輪都采用非獨(dú)立懸架,輪胎選取9R22.5型真空輪胎。

表3 客車懸架與車輪系統(tǒng)參數(shù)

8 聯(lián)合仿真

在Trucksim軟件中輸入兩個(gè)變量,分別是客車左前輪制動(dòng)力、客車右前輪制動(dòng)力。

Trucksim軟件的輸出變量包括客車左前輪垂直載荷、客車左后輪垂直載荷、客車右前輪垂直載荷、客車右后輪垂直載荷、客車側(cè)向加速度、客車質(zhì)心側(cè)偏角、客車橫擺角速度。

將上述參數(shù)輸入在Trucksim軟件中建立的客車模型與在Simulink軟件中建立的防側(cè)翻控制系統(tǒng)模型,完成聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型的搭建。

按照國家動(dòng)態(tài)模擬標(biāo)準(zhǔn),對應(yīng)用防側(cè)翻控制系統(tǒng)的客車進(jìn)行雙移線試驗(yàn),并與無防側(cè)翻控制的同種客車進(jìn)行對比分析。

對質(zhì)心高度為1 800 mm、車速為100 km/h的客車進(jìn)行雙移線試驗(yàn)分析,在其它條件都相同的情況下,有防側(cè)翻控制系統(tǒng)控制的客車沒有發(fā)生側(cè)翻,而沒有防側(cè)翻控制的客車發(fā)生了側(cè)翻。仿真試驗(yàn)情況如圖16所示。

圖16 仿真試驗(yàn)情況

聯(lián)合仿真獲得應(yīng)用防側(cè)翻控制系統(tǒng)的客車的橫向載荷轉(zhuǎn)移率、質(zhì)心加速度、橫擺角速度變化狀態(tài),依次如圖17、圖18、圖19所示。

聯(lián)合仿真試驗(yàn)是在質(zhì)心高度、車速均為客車側(cè)翻的極限狀態(tài)值時(shí)進(jìn)行的,由圖17、圖18、圖19可知,在客車整個(gè)行車過程中,均未發(fā)生側(cè)翻。雖然前1/3時(shí)刻客車載荷轉(zhuǎn)移率、質(zhì)心加速度、橫擺角速度均有一定的波動(dòng),但是在防側(cè)翻控制系統(tǒng)的調(diào)控下,這種波動(dòng)逐漸平穩(wěn)。

圖17 客車橫向載荷轉(zhuǎn)移率變化

圖18 客車質(zhì)心加速度變化

圖19 客車橫擺角速度變化

由仿真試驗(yàn)可見,這一防側(cè)翻控制系統(tǒng)確實(shí)起到了良好的控制作用。

9 結(jié)束語

筆者以三自由度客車為研究對象,應(yīng)用Trucksim軟件建立客車模型,進(jìn)行雙移線試驗(yàn)與仿真分析,得出車速、質(zhì)心高度都是引起客車側(cè)翻的重要因素。為了更好地對客車行駛過程進(jìn)行防側(cè)翻控制,確保行駛的安全性,建立了基于比例積分微分控制的防側(cè)翻控制系統(tǒng)。通過Trucksim軟件與Simulink軟件聯(lián)合仿真,驗(yàn)證了防側(cè)翻控制系統(tǒng)的有效性。