基于ADAMS和Simulink鉸接汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析

宋美玉，王旭榮，彭偉利

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206；2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061）

1 引言

為了增加礦物的運(yùn)輸效率，在近些年的研究開發(fā)中，鉸接式礦用汽車的運(yùn)行速度得到了很大的提升，完美地解決了運(yùn)輸效率的問題。當(dāng)前，隨著很多礦區(qū)通道修建的更加合理，更加適合鉸接式礦用汽車的通過[1]。同時，鉸接式礦用汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙油缸“缸體前置式”布置，在轉(zhuǎn)向過程中，左右兩個油缸一個伸長另一個縮短，從而為汽車的轉(zhuǎn)向提供動力[2]。在保證礦用卡車的行駛穩(wěn)定性以及安全性能的同時，鉸接式礦用汽車的最高時速也在不斷地得到提高。而當(dāng)鉸接式礦用汽車在高速運(yùn)行時遇到轉(zhuǎn)彎的巷道時，需要及時減速，并以相對安全的速度通過轉(zhuǎn)彎的巷道。這種情況在每個礦區(qū)都會經(jīng)常遇到，因此，通過獲取轉(zhuǎn)向油缸的行程和汽車的轉(zhuǎn)向角度關(guān)系，進(jìn)而對制動轉(zhuǎn)向工況的運(yùn)行軌跡進(jìn)行分析，以獲取最佳的轉(zhuǎn)彎半徑。

國內(nèi)外學(xué)者對此開展了一定的研究：文獻(xiàn)[3]在行走車輛上安裝劃印裝置，可在地面上畫出行走痕跡，然后測定該痕跡從而獲得行走軌跡；文獻(xiàn)[4]在行走車輛上裝有水箱，控制適當(dāng)?shù)乃髁?，使水滴在走過的地面上，以此來檢測行走軌跡；文獻(xiàn)[5]利用其它比較精確的測量裝置（如傳感器等）進(jìn)行測量，直接獲得車輛行駛的軌跡曲線。文獻(xiàn)[6]利用三維建模的方式，分析交接式車輛的轉(zhuǎn)向半徑及運(yùn)行軌跡。

針對雙油缸“缸體前置式”布置的鉸接式礦用汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析，獲取油缸行程和整車轉(zhuǎn)向角度之間的關(guān)系，并對轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行分析?；贏DAMS建立多自由度整車分析模型，并與Simulink建立的轉(zhuǎn)向模型相結(jié)合，模擬車輛運(yùn)行環(huán)境，選取滿載緊急轉(zhuǎn)向工況和高速轉(zhuǎn)向工況等進(jìn)行運(yùn)動特性和轉(zhuǎn)向軌跡分析。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性分析

鉸接式礦用汽車的前后兩個車體經(jīng)銷軸連接在一起，依靠前后車架之間的相互偏轉(zhuǎn)達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。該瞬時轉(zhuǎn)心的位置隨著轉(zhuǎn)向角的變化而變化，因此，鉸接式汽車前后車輪的轉(zhuǎn)彎半徑也是隨著轉(zhuǎn)向角度的變化而變化的[7]，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)彎半徑示意圖Fig.1 Diagram of Turning Radius

圖中：L1—前橋中心到鉸接點(diǎn)的距離；L2—后橋中心到鉸接點(diǎn)的距離；B—前后橋兩輪之間的距離；假設(shè)在轉(zhuǎn)過α角度之后，前后外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑分別表示為R0、R1。

從圖中可以得到：

式中：α—轉(zhuǎn)向時前后車體間夾角，即轉(zhuǎn)向角，通常為（35～45）°[8]：

因此可得：

則，前內(nèi)輪和后內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑分別為：

從以上兩式可以看出：

當(dāng)L1＞L2時，前橋轉(zhuǎn)彎半徑大；當(dāng)L1＜L2時，后橋轉(zhuǎn)彎半徑大；當(dāng)L1=L2時，R0=R1，即前后橋轉(zhuǎn)彎半徑相等。

3 基于聯(lián)合模型極限工況特性分析

3.1 分析模型

以某載重為60t的地下鉸接式汽車為研究模型，基于Solid-Works搭建整車模型，導(dǎo)入ADAMS建立多自由度分析模型；基于以上轉(zhuǎn)向特性的分析，基于Simulink搭建分析模型，聯(lián)合整車模型和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模型，如圖2所示。

圖2 整車分析模型Fig.2 Vehicle Analysis Model

在建立模擬礦區(qū)的路面時，選擇±150mm為路面的幅值，建立了一個長61000mm，寬17500mm的不規(guī)則路面，并在其中隨機(jī)插入了一些±200mm的特殊路面，并在此路面下進(jìn)行了轉(zhuǎn)向行駛軌跡的模擬仿真，如圖3所示。

圖3 礦區(qū)運(yùn)行模擬地面Fig.3 Simulated Ground Operation of Mining Area

3.2 制動轉(zhuǎn)向工況分析

車輛以較高的車速運(yùn)行時，突然發(fā)生轉(zhuǎn)向時，車輛需要及時制動，之后轉(zhuǎn)向，這里采用控制車輛驅(qū)動力的方式，實現(xiàn)對車輛運(yùn)行速度的控制。開始階段，施加較大的驅(qū)動力，車輛具備較大的加速度，運(yùn)行速度迅速增加，之后進(jìn)入轉(zhuǎn)彎工況，實現(xiàn)邊制動邊轉(zhuǎn)向。

在該工況下，鉸接卡車在行駛過程中，速度和加速度的變化曲線，如圖4所示。制動過程，車輛的運(yùn)行軌跡，如圖5所示。

圖4 速度和加速度曲線Fig.4 Velocity and Acceleration Curves

圖5 車輛運(yùn)行軌跡曲線Fig.5 Vehicle Trajectory Curve

由圖中分析結(jié)果可知，加速階段，車輛的最大速度為9500mm/s，之后進(jìn)入減速階段；整個過程中，加速度曲線變化較大，車輛經(jīng)歷了緊急和平緩兩個階段，最終實現(xiàn)較低的速度運(yùn)行，而綜合作用下，車輛的速度變化平緩，保證了整車的安全運(yùn)行。

從制動轉(zhuǎn)向軌跡的圖中可以看出，車輛轉(zhuǎn)向時，出現(xiàn)一定程度的側(cè)滑，與設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等密切相關(guān)。該車在低速轉(zhuǎn)彎的時候不會出現(xiàn)側(cè)滑或者側(cè)傾的現(xiàn)象。此處車輛減速的函數(shù)顯示，減速過程是一個緩慢的過程，這是為了使車輛不至于突然減速而出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，參數(shù)設(shè)置時，車輛在制動轉(zhuǎn)向工況的速度較大，出現(xiàn)側(cè)滑，除此之外，整個轉(zhuǎn)向過程相對平穩(wěn)，未出現(xiàn)其他不良工況。

整個過程中，前后車體角速度和重心變化，如圖6所示。

圖6 制動轉(zhuǎn)向前后車架重心曲線Fig.6 Center of Gravity Curve of front and Rear Frame

圖中分析結(jié)果可知，整個過程中，前后車體的Y向角度變化基本一致，且與實際情況相符，由于出現(xiàn)了輕微側(cè)滑，因此后期角速度的變化幅度略大；前后車體的Y向位移保持一致，符合實際情況。

3.3 高速行駛轉(zhuǎn)向工況

當(dāng)車輛行駛速度較高并遇到轉(zhuǎn)向通道的時候，一般會先把速度降低到適合轉(zhuǎn)向動作的范圍內(nèi)再進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作[11]。為了形成較好的對比效果，對車輛在較高速度下的轉(zhuǎn)向行駛狀態(tài)也進(jìn)行模擬。將驅(qū)動力的方程修改為：

轉(zhuǎn)向油缸上的MOTION方程不變。加速度曲線，如圖7所示。

圖7 速度和加速度曲線Fig.7 Velocity and Acceleration Curves

由圖可知，車輛在充分加速之后，行駛的速度很快，在整個加速過程，車輛行駛都比較平穩(wěn)，而在勻速行駛過程中，車輛的加速度不太穩(wěn)定，速度開始出現(xiàn)波動，好在轉(zhuǎn)向過程接近尾聲時，車輛的速度才出現(xiàn)了明顯的下降，但是其對軌跡不會造成太大的負(fù)面影響。高速行駛、勻速轉(zhuǎn)向行駛軌跡曲線，如圖8所示。

圖8 高速行駛、勻速轉(zhuǎn)向工況分析結(jié)果Fig.8 Analysis Results of High Speed Driving and Uniform Steering Condition

由圖8（a）可以看出，車輛在行駛過程中極其不穩(wěn)定，后車架出現(xiàn)了較大的偏移現(xiàn)象，車輛有漂移的跡象。且前輪在地面上也有嚴(yán)重側(cè)滑現(xiàn)象發(fā)生。

從圖8（b）可以更明顯地看出，車輛的重心變化明顯，行駛極其不穩(wěn)定。因此，在高速狀態(tài)下進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作是十分危險的，容易造成車輛的損壞。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)L1＞L2時，前橋轉(zhuǎn)彎半徑大；當(dāng)L1＜L2時，后橋轉(zhuǎn)彎半徑大；當(dāng)L1=L2時，R0=R1，即前后橋轉(zhuǎn)彎半徑相等；

（2）為保證轉(zhuǎn)向過程中，車輛不發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，需要提前采取制動措施，使得車輛的運(yùn)行速度低于10m/s；

（3）鉸接式車輛轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向軌跡與前后車橋中心到鉸接點(diǎn)距離是有一定的關(guān)系的，鉸接點(diǎn)位置的布置是影響鉸接汽車行駛軌跡的一個重要因素，設(shè)計中需要加以注意。