向晨曦 鄧珞 計(jì)三有
1 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063 2 武漢航空儀表有限責(zé)任公司 武漢 430074
不同于汽車注重于行駛特性而設(shè)計(jì)的前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng),平衡重式叉車的運(yùn)行環(huán)境多為狹小空間,需要頻繁進(jìn)出搬運(yùn)貨物的貨倉、堆場等,故叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用前輪驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向。該方式可有效提高叉車的轉(zhuǎn)向角度,減小轉(zhuǎn)向面積,且叉車的后輪比前輪更小,能進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)彎半徑,使叉車在頻繁地轉(zhuǎn)向操作中更加靈活穩(wěn)定。平衡重式叉車的后部是配重平衡區(qū)域,前部是裝卸貨物部位,按照杠桿原理,叉車前輪為重心的主要支撐點(diǎn),但是若叉車前輪既承擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)也擔(dān)當(dāng)支點(diǎn)承壓會(huì)使叉車在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生較大的方向盤轉(zhuǎn)矩。另外,由于叉車前輪所承載的回轉(zhuǎn)半徑較大,頻繁的轉(zhuǎn)向還將增加叉車側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)和前輪磨損,不但使叉車轉(zhuǎn)向困難還可能造成叉車重心失穩(wěn)引起側(cè)傾,從而降低叉車的安全性。叉車后輪轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)提供了叉車機(jī)動(dòng)、靈巧的操作優(yōu)勢,輕便穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向性能和安全舒適的操縱駕駛體驗(yàn)。
隨著當(dāng)今車輛運(yùn)行工況環(huán)境的日益復(fù)雜,為了提高車輛的操縱穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和轉(zhuǎn)向輕便性以滿足復(fù)雜工況環(huán)境的要求,主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)愈發(fā)受到重視。主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向技術(shù)作為主動(dòng)轉(zhuǎn)向的核心技術(shù),越來越多的學(xué)者開始對(duì)其進(jìn)行研究分析。
Zhang Y S等[1]詳細(xì)概述了后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)行原理,描述了所有后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的目的和必要性,后輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更高水平的車輪轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性;陶盛飛[2]分析了車輛主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和轉(zhuǎn)向特性,基于平面和空間作圖法提出了一種新型后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)校核方法,并在后輪跳動(dòng)工況下進(jìn)行了仿真試驗(yàn),對(duì)車輛的主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析;Park K等[3]提出了一種后輪轉(zhuǎn)向控制算法來提高車輛的操縱性能,其設(shè)計(jì)的RWS控制算法分穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)控制輸入,能在無任何輪胎和路面信息的情況下通過離線優(yōu)化獲得期望的橫擺率增益,最小化車輛橫向速度,如圖1所示。
圖1 后輪轉(zhuǎn)向控制流程圖
孫林[4]基于集成線控前輪轉(zhuǎn)向提出了一套新型全主動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向策略,建立了車輛質(zhì)心側(cè)偏角的估計(jì)模塊并進(jìn)行仿真試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明全主動(dòng)四輪控制能降低不同工況下車輛的質(zhì)心側(cè)偏角,且在極限工況下有較好的控制效果;李一染等[5]設(shè)計(jì)了二階自抗擾控制算法來實(shí)現(xiàn)車輛前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制,建立了仿真試驗(yàn)?zāi)P?,在?duì)開路面加速工況和典型極限轉(zhuǎn)向操縱工況下進(jìn)行了仿真試驗(yàn),結(jié)果表明設(shè)計(jì)的二階自抗擾控制算法能對(duì)車輛的前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向進(jìn)行有效控制,且控制效果優(yōu)于部分主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制,控制后的車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性更好;宋宇等[6]根據(jù)車輛實(shí)際參數(shù),通過ADAMS/Carsim軟件建立了車輛虛擬樣機(jī)模型,基于Matlab設(shè)計(jì)了一種新型分層式集成控制系統(tǒng),理論分析和仿真試驗(yàn)表明其集成系統(tǒng)能對(duì)車輛轉(zhuǎn)向進(jìn)行高精度控制,在常規(guī)和極限工況下均能有效地對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向操作進(jìn)行控制,使車輛的轉(zhuǎn)向更加安全穩(wěn)定。
本文結(jié)合平衡重式叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力學(xué)特性,建立了叉車的動(dòng)力學(xué)模型及叉車主動(dòng)轉(zhuǎn)向滑膜控制系統(tǒng),對(duì)叉車的主動(dòng)轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了研究分析和評(píng)價(jià),為今后叉車相關(guān)的研究設(shè)計(jì)提供理論參考。
本文結(jié)合平衡重式叉車的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)模型的可行性,創(chuàng)建了叉車七自由度整車動(dòng)力學(xué)模型,如圖2所示。按本文創(chuàng)造的力學(xué)模型,定義:m1為車體質(zhì)量,m0為叉車整車總質(zhì)量,m2為后橋質(zhì)量,B1為叉車前輪輪距,B2為叉車后輪輪距,l為叉車前后輪軸距,δ1為后輪的外側(cè)轉(zhuǎn)向角,δ2為后輪的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向角,ω為橫擺角速度,a1為質(zhì)心至前橋的水平距離,b1為質(zhì)心至后橋的水平距離,βij為輪胎的側(cè)偏角,Gij為輪胎的垂直反力,Pij為輪胎受到的摩擦力,Yij為輪胎受到的側(cè)向力,vx為質(zhì)心速度在X軸分量,ax為質(zhì)心加速度在X軸分量,vy為質(zhì)心速度在Y軸分量,ay為質(zhì)心加速度在Y軸分量。其中,i和j分別為平衡重式叉車前后輪和車輪內(nèi)外側(cè);即i=1為前輪,i=2為后輪;j=1為車輪內(nèi)側(cè),j=2為車輪外側(cè)。
圖2 平衡重式叉車七自由度動(dòng)力學(xué)模型簡圖
通過分析上述數(shù)學(xué)模型,可以得出平衡重式叉車轉(zhuǎn)向過程中的力平衡方程,具體為:
橫向運(yùn)動(dòng)的力平衡方程為
側(cè)向運(yùn)動(dòng)的力平衡方程為
橫擺運(yùn)動(dòng)的力平衡方程為
側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的力平衡方程為
平衡重式叉車質(zhì)心加速度在X軸和Y軸上的分量分別為
式中:h1為整車質(zhì)心高度,φ··為側(cè)傾角加速度,hx為車身與后橋鉸接點(diǎn)高度,Ix為整車?yán)@X軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Iz為整車?yán)@Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Ixy為叉車?yán)@X軸和Y軸的慣性積,Ixz為叉車?yán)@X軸和Z軸的慣性積。
圖3為輪胎側(cè)偏角與轉(zhuǎn)角關(guān)系,由圖3可得叉車轉(zhuǎn)向輪側(cè)偏角為
圖3 輪胎側(cè)偏角與轉(zhuǎn)角關(guān)系圖
同理,可計(jì)算出前輪側(cè)偏角為
叉車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)有可能會(huì)發(fā)生側(cè)傾事故,從而改變了行駛過程中輪胎的側(cè)偏角,為確保叉車運(yùn)行過程中側(cè)偏角的計(jì)算準(zhǔn)確性,由式(9)~式(12)對(duì)叉車輪胎側(cè)偏角進(jìn)行修正,即
分析計(jì)算可得輪胎受到的橫向力Yij和縱向力Pij為
式中:i0為傳動(dòng)比,f為滾動(dòng)阻力系數(shù),Me為叉車前輪驅(qū)動(dòng)力矩,Kij為輪胎側(cè)偏剛度,NPij為叉車前輪分配系數(shù),Rij為叉車前后輪瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑。
本文主要研究平衡重式叉車的轉(zhuǎn)向性能,為了方便分析叉車轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)態(tài)側(cè)傾狀態(tài),不考慮叉車后輪在Y軸方向上的受力分量,假設(shè)輪胎為彈性元件,其受力變形呈線性變化關(guān)系,假定vx為常數(shù),則有
當(dāng)叉車側(cè)傾角φ較小時(shí),可以認(rèn)為sinφ=φ,則叉車的運(yùn)動(dòng)可簡化為
平衡重式叉車處于勻速圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),有
當(dāng)叉車在極限轉(zhuǎn)向工況下運(yùn)行時(shí),輪胎垂直力會(huì)由外向內(nèi)發(fā)生移動(dòng),車輪會(huì)由外向內(nèi)抬起。當(dāng)叉車內(nèi)前輪離地時(shí),叉車處于臨界側(cè)翻狀態(tài),此時(shí)Gij=0,叉車側(cè)翻臨界條件為
車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可大致分為機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向、電控液壓助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和線控轉(zhuǎn)向6個(gè)發(fā)展階段。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要可以對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比和電動(dòng)助力大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,電動(dòng)助力控制單元通過方向盤輸入轉(zhuǎn)角力矩對(duì)轉(zhuǎn)向助力大小進(jìn)行控制;而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元?jiǎng)t根據(jù)車速、車輛運(yùn)行姿態(tài)等控制調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸入疊加轉(zhuǎn)向角,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比,提高車輛的穩(wěn)定性。
主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可在一定范圍內(nèi)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比進(jìn)行調(diào)整,滿足車輛在常規(guī)和極限轉(zhuǎn)向工況下對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏度的要求,提高了車輛的轉(zhuǎn)向性能。主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛低速行駛時(shí),降低了系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比,駕駛員只需施加很小的方向盤轉(zhuǎn)角即可實(shí)現(xiàn)車輛的大角度轉(zhuǎn)向;在車輛高速行駛時(shí),增大系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比,使得車輛不會(huì)因較小方向盤轉(zhuǎn)角輸入而嚴(yán)重失穩(wěn),能有效提高車輛的穩(wěn)定性與安全性。
平衡重式叉車多應(yīng)用于港口碼頭、貨倉堆場等地形復(fù)雜且需要頻繁轉(zhuǎn)向操作的場所,基于主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能提高叉車在極限轉(zhuǎn)向工況環(huán)境下運(yùn)行的操縱穩(wěn)定性。本文針對(duì)平衡重式叉車設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的滑膜控制策略,使用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)角來改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比,優(yōu)化叉車轉(zhuǎn)向性能,達(dá)到平衡重式叉車主動(dòng)轉(zhuǎn)向的目的。
主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使得車輛在低速轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)彎半徑更小,車輛內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角更小,車輛更加穩(wěn)定安全;在中高速轉(zhuǎn)向工況時(shí),主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輪行進(jìn)速度方向能更好地貼合車身方向,保持車輛轉(zhuǎn)向時(shí)較高的向心力,提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。
由永磁直流電動(dòng)機(jī)提供附加轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)平衡重式叉車主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向,將永磁直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)分為電氣子系統(tǒng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)。
電動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為
式中:Un為電動(dòng)機(jī)電壓,I為電流,L為電感,R為電阻,Ka為電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢常數(shù),θn為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角。
電動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為
式中:Tn為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,Tb為電動(dòng)機(jī)輸出力矩,Bn為電動(dòng)機(jī)當(dāng)量阻尼系數(shù),Jn為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,f(θn,)為電動(dòng)機(jī)軸承的摩擦力(為簡化模型,摩擦力太小可忽略不計(jì))。
電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和平衡重式叉車方向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系為
式中:Kn為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù),Vsw為方向盤轉(zhuǎn)速,Gn為電動(dòng)機(jī)減速結(jié)構(gòu)減速比。
電動(dòng)機(jī)模型如圖4所示,所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)為:L=0.003 4 H,R=0.03 Ω,Kn=0.65 Nm/A,Ka=0.45 Nm/A,Gn=18.2,Jn=4.5×10-4kgm2,Bn=5.7×10-4Nms/rad,Kn=2.75 Nm/rad。
圖4 電動(dòng)機(jī)模型
將叉車轉(zhuǎn)向運(yùn)行工況中質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度和橫擺角速度作為分析平衡重式叉車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的變量,設(shè)計(jì)了叉車主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向滑模控制器來提高叉車的轉(zhuǎn)向性能?;た刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 滑膜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
本文分別設(shè)計(jì)了永磁直流電動(dòng)機(jī)電流和速度滑膜控制器,以確保永磁直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的高精度控制。
電流誤差表達(dá)式為
式中:i為電動(dòng)機(jī)定子電流。
永磁直流電動(dòng)機(jī)滑膜控制系統(tǒng)的切換面為
由式(33)微分得到
根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,即式(28)可得
將式(35)代入式(34)可得
等速趨近率表達(dá)式為
將式(37)代入式(36)可得
由式(38)整理得到電流環(huán)控制器輸出表達(dá)式
根據(jù)式(38)設(shè)計(jì)永磁直流電動(dòng)機(jī)電流環(huán)滑膜控制器,對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)電流環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定控制。
永磁直流電動(dòng)機(jī)速度誤差為
式中:θr為電動(dòng)機(jī)參考轉(zhuǎn)速。
參照電動(dòng)機(jī)電流環(huán)滑膜控制,定義速度環(huán)滑膜控制系統(tǒng)切換面為
將式(41)進(jìn)行微分運(yùn)算
根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,即式(29)以及電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,即式(28)可得
將式(43)代入式(42)中,可以得到
再將式(37)等速趨近率代入式(44),得到
由式(45)整理得到速度環(huán)滑膜控制器輸出
根據(jù)式(45)設(shè)計(jì)永磁直流電動(dòng)機(jī)速度環(huán)滑膜控制器,對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)速度環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定控制。
為了驗(yàn)證滑膜控制系統(tǒng)對(duì)平衡重式叉車轉(zhuǎn)向性能的控制效果,本文在Matlab/Simulink中搭建了永磁電動(dòng)機(jī)滑膜控制系統(tǒng)如圖6所示。永磁直流電動(dòng)機(jī)滑膜控制系統(tǒng)以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)輸入,以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等作為系統(tǒng)輸出。
圖6 滑膜控制系統(tǒng)模型
若使用Trucksim和Matlab獨(dú)立進(jìn)行仿真,研究人員需要在各自的操作環(huán)境下創(chuàng)建平衡重式叉車的仿真模型,并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和仿真調(diào)試,會(huì)使整個(gè)仿真流程更加繁瑣,同時(shí)更易出現(xiàn)錯(cuò)誤?;赥rucksim和Matlab建立平衡重式叉車模型進(jìn)行聯(lián)合仿真分析,結(jié)合2個(gè)軟件的優(yōu)勢,能讓仿真流程更加簡潔流暢,結(jié)果更加準(zhǔn)確。
將Trcuksim中的模型仿真步長、輸出變量仿真數(shù)據(jù)輸入到Matlab,然后建立平衡重式叉車聯(lián)合仿真模型,如圖7所示。
圖7 平衡重式叉車滑膜控制聯(lián)合仿真模型
選取道路附著系數(shù)為0.8,平衡重式叉車的初始速度設(shè)置為30 km/h。雙移線工況下平衡重式叉車方向盤轉(zhuǎn)角輸入如圖8所示,聯(lián)合仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖9~圖11所示。
圖8 雙移線工況聯(lián)合仿真方向盤轉(zhuǎn)角輸入
圖9 雙移線工況聯(lián)合仿真?zhèn)认蚣铀俣葘?duì)比
圖10 雙移線工況聯(lián)合仿真質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)比
圖11 雙移線工況聯(lián)合仿真橫擺角速度對(duì)比
從圖9~圖11可知,在雙移線工況下,未控制的平衡重式叉車的側(cè)向加速度已經(jīng)達(dá)到非線性區(qū),叉車已接近臨界側(cè)翻狀態(tài);采用滑膜控制系統(tǒng)的平衡重式叉車側(cè)向加速度、橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角一定程度減小,且仿真動(dòng)畫顯示采用滑膜控制的叉車安全穩(wěn)定地通過雙移線工況。
平衡重式叉車的初始速度設(shè)置為30 km/h,路面附著系數(shù)為0.8,方向盤轉(zhuǎn)角輸入如圖12所示,方向盤最大輸入值為200°。叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的聯(lián)合仿真分析結(jié)果如圖13~圖15所示。
圖12 魚鉤工況聯(lián)合仿真方向盤轉(zhuǎn)角輸入
圖13 魚鉤工況聯(lián)合仿真?zhèn)认蚣铀俣葘?duì)比
圖13所示為叉車側(cè)向加速度對(duì)比曲線,由圖13分析可知,采用滑膜控制的叉車側(cè)向加速度明顯減小,更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);圖14所示為叉車質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)比曲線,可知采用滑膜控制的叉車質(zhì)心側(cè)偏角保持在1.0°以內(nèi),叉車側(cè)傾穩(wěn)定性得到提高;圖15所示為叉車橫擺角速度對(duì)比曲線,控制后叉車橫擺角速度低于未控制的9°/s,車輛的橫擺穩(wěn)定性得到提高。
圖14 魚鉤工況聯(lián)合仿真質(zhì)心側(cè)偏角對(duì)比
圖15 魚鉤工況聯(lián)合仿真橫擺角速度對(duì)比
通過上述分析可知,在進(jìn)行魚鉤工況過程中,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滑膜控制可以降低平衡重式叉車側(cè)向加速度和橫擺角速度,對(duì)叉車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性有較大提高。
本文紹了主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的滑膜控制系統(tǒng),創(chuàng)建了永磁直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,提出了平衡重式叉車主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的滑膜控制策略并設(shè)計(jì)了滑膜控制器;創(chuàng)建了Trucksim和Simulink模型并進(jìn)行了轉(zhuǎn)向操縱極限工況下的聯(lián)合仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:基于平衡重式叉車主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的滑膜控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能進(jìn)行有效控制,降低轉(zhuǎn)向側(cè)向加速度,對(duì)叉車的轉(zhuǎn)向性能有較大提高。