王騰浩++張保軍

摘要：履帶車輛在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，車輛實(shí)際行駛工況在試驗(yàn)臺(tái)架的模擬是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)履帶車輛動(dòng)力學(xué)理論和臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究和分析，完成了車輛的縱向動(dòng)力學(xué)模型和臺(tái)架系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型的建模仿真。從試驗(yàn)加載精度和實(shí)時(shí)性出發(fā)，提出了臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的速度跟蹤控制算法，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了此控制方法在履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)中模擬實(shí)際路面工況的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：履帶車輛 臺(tái)架試驗(yàn) 速度跟蹤 動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0016-03

1 緒論

整車臺(tái)架試驗(yàn)通過(guò)模擬車輛在道路上行駛時(shí)的各種工況，在室內(nèi)完成動(dòng)力性試驗(yàn)、排放性能評(píng)估與分析、可靠性試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)等專項(xiàng)試驗(yàn)，是車輛試驗(yàn)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)所必需的大型試驗(yàn)設(shè)備。在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行車輛性能試驗(yàn)可以排除外界環(huán)境因素的影響，試驗(yàn)周期短、模擬精度高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且方便試驗(yàn)結(jié)果的橫向?qū)Ρ萚1]。

履帶車輛整車臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，基本有三種不同形式的試驗(yàn)臺(tái)：履帶轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)。其中，無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)是將履帶車輛的履帶拆掉，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器將車輛主動(dòng)輪與臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)直接連接，也是目前國(guó)外履帶車輛試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用最廣的試驗(yàn)臺(tái)方案[2]。典型的無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)是由直流電機(jī)、控制器（變頻器或驅(qū)動(dòng)器）、外接電阻、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置等組成，通過(guò)聯(lián)軸器與車輛主動(dòng)輪相聯(lián)，形成一個(gè)典型的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)改變加載力矩的大小，模擬車輛路面實(shí)際阻力。

控制系統(tǒng)是臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)最重要的組成部分，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)對(duì)于正確控制臺(tái)架試驗(yàn)的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確模擬實(shí)際路面阻力，起著至關(guān)重要的作用。為了克服實(shí)際調(diào)試中存在的困難以及提高系統(tǒng)測(cè)試性能，有必要對(duì)真實(shí)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)及車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)化控制算法、提高測(cè)試精度。

2 真實(shí)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

進(jìn)行履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，要代替真實(shí)的路面試驗(yàn)，就必須通過(guò)電機(jī)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)車輛施加負(fù)載，在車輛輸出動(dòng)力不變的情況下，使在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行的車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速特性等同于路面運(yùn)行的轉(zhuǎn)速特性，即通過(guò)加載使試驗(yàn)臺(tái)上車輛的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定路況下的實(shí)際轉(zhuǎn)速[3]。

通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上靠近車輛輸出軸位置安裝的扭矩傳感器測(cè)出車輛的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)出在設(shè)定路面工況下的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)軸與車輛主動(dòng)輪通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器直接相連，控制直流電機(jī)準(zhǔn)確地跟蹤這個(gè)轉(zhuǎn)速，即可控制被試車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟隨設(shè)定路面工況下的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

基于上述理論的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。整套臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)主要由五部分組成：控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和配電系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包含推導(dǎo)車輛實(shí)際速度的車輛動(dòng)力學(xué)模型模塊、跟蹤實(shí)際道路工況轉(zhuǎn)速的速度跟蹤模塊、試驗(yàn)控制與管理模塊等。采集系統(tǒng)測(cè)量車輛輸出扭矩、車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速等。加載系統(tǒng)由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，兩邊電機(jī)可分別獨(dú)立為被試車輛加載。

3 車輛縱向動(dòng)力學(xué)建模

在建模過(guò)程中，作如下假設(shè)：①動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸及傳動(dòng)齒輪為剛性。②地面附著系數(shù)足夠大，不考慮輪胎的滑移等非線性因素[4]。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出特性表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度與輸出轉(zhuǎn)矩之間的非線性關(guān)系，可由多種方法得到：經(jīng)驗(yàn)公式法、曲線擬合法和查表法。本文采用查表法，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際測(cè)試獲得不同油門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，從而制成發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖。

3.2 離合器模型

離合器的摩擦傳遞扭矩和離合器踏板行程之間的關(guān)系為

3.3 變速器模型

經(jīng)變速器和主減速器后，傳遞到車輪的驅(qū)動(dòng)扭矩為

3.4 制動(dòng)器模型

制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)踏板位移之間的關(guān)系為

3.5 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型

將車輛假設(shè)為均質(zhì)剛體，車輛直線行駛的動(dòng)力學(xué)方程為：

4 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)模型

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)控制算法

4.2.1 電機(jī)的調(diào)速

在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)加載電機(jī)的控制中，要對(duì)負(fù)載電機(jī)的速度連續(xù)控制，要求速度控制精度高、響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)定性好，所以采用應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。圖4.1是常見(jiàn)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真圖。

4.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的速度跟蹤控制

本文采用速度跟蹤控制算法，系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集車輛主動(dòng)輪輸出力矩及試驗(yàn)臺(tái)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，推導(dǎo)出車輛下一時(shí)刻目標(biāo)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制負(fù)載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而模擬實(shí)際路面工況（如圖4.2所示）。

5 仿真分析和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)控制方法的有效性，分別進(jìn)行了履帶車輛牽引特性曲線的測(cè)試試驗(yàn)和加速性能試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛的性能參數(shù)如表5.1所示。

5.1 牽引特性曲線的測(cè)試試驗(yàn)

牽引性能是指車輛各檔時(shí)各種轉(zhuǎn)速下具有的牽引力大小，它是由車輛發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、各個(gè)排檔的速度和車重等決定的，是評(píng)定車輛動(dòng)力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]。由牽引特性曲線可以較直觀的看出車輛的牽引性能。

牽引特性曲線表示發(fā)動(dòng)機(jī)完全供油時(shí)（油門(mén)到底），車輛在各個(gè)排檔、各個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力Ft與車輛運(yùn)動(dòng)速度v的關(guān)系曲線，即Ft-v曲線。如圖5.1所示，它由多條曲線組成，每條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)檔位。

本次試驗(yàn)是一次性連續(xù)試驗(yàn)完成的，試驗(yàn)順序?yàn)棰魴n、Ⅴ檔、Ⅵ檔、Ⅲ檔、Ⅱ檔。

5.2 加速性能試驗(yàn)

加速性能是指車輛在使用條件下迅速增大行駛速度的能力，是車輛機(jī)動(dòng)性能的重要指標(biāo)之一。車輛從靜止?fàn)顟B(tài)加速到32km/h的加速時(shí)間、加速距離和最大加速度是試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[6]，對(duì)車輛從靜止到最高速的加速性能進(jìn)行試驗(yàn)，并與實(shí)際路面試驗(yàn)相比較，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性（如圖5.2、圖5.3所示）。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)模型、履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了MATLAB建模仿真，提出了一種既具有良好的跟蹤精度，又具有良好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)抗干擾性能力的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)車速跟蹤控制方法。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的曲線基本相同，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)模擬車輛所受到的路面阻力、風(fēng)阻和慣性力，準(zhǔn)確的模擬了車輛在牽引力測(cè)試試驗(yàn)、加速試驗(yàn)中的實(shí)際路面工況。在車輛動(dòng)力性等專項(xiàng)試驗(yàn)中能夠縮減車輛測(cè)試的周期，降低試驗(yàn)的成本和環(huán)境要求。

參考文獻(xiàn)

[1]冀強(qiáng).履帶車輛綜合傳動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2011.

[2]張保軍.試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷與排除[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（20）：220-224

[3]程廣偉，周志立，徐立有，等.履帶車輛行駛載荷在傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)上的模擬[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006（33）：12-14.

[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型軍用車輛起步過(guò)程仿真研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，35（4）：507-512.

[5]GJB 59.25—91，裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 硬地拖鉤牽引特性試驗(yàn)[S].

[6]GJB 59.1-1985，裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 加速特性、最大和最小穩(wěn)定速度試驗(yàn)[S].

摘要：履帶車輛在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，車輛實(shí)際行駛工況在試驗(yàn)臺(tái)架的模擬是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)履帶車輛動(dòng)力學(xué)理論和臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究和分析，完成了車輛的縱向動(dòng)力學(xué)模型和臺(tái)架系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型的建模仿真。從試驗(yàn)加載精度和實(shí)時(shí)性出發(fā)，提出了臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的速度跟蹤控制算法，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了此控制方法在履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)中模擬實(shí)際路面工況的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：履帶車輛 臺(tái)架試驗(yàn) 速度跟蹤 動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0016-03

1 緒論

整車臺(tái)架試驗(yàn)通過(guò)模擬車輛在道路上行駛時(shí)的各種工況，在室內(nèi)完成動(dòng)力性試驗(yàn)、排放性能評(píng)估與分析、可靠性試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)等專項(xiàng)試驗(yàn)，是車輛試驗(yàn)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)所必需的大型試驗(yàn)設(shè)備。在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行車輛性能試驗(yàn)可以排除外界環(huán)境因素的影響，試驗(yàn)周期短、模擬精度高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且方便試驗(yàn)結(jié)果的橫向?qū)Ρ萚1]。

履帶車輛整車臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，基本有三種不同形式的試驗(yàn)臺(tái)：履帶轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)。其中，無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)是將履帶車輛的履帶拆掉，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器將車輛主動(dòng)輪與臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)直接連接，也是目前國(guó)外履帶車輛試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用最廣的試驗(yàn)臺(tái)方案[2]。典型的無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)是由直流電機(jī)、控制器（變頻器或驅(qū)動(dòng)器）、外接電阻、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置等組成，通過(guò)聯(lián)軸器與車輛主動(dòng)輪相聯(lián)，形成一個(gè)典型的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)改變加載力矩的大小，模擬車輛路面實(shí)際阻力。

控制系統(tǒng)是臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)最重要的組成部分，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)對(duì)于正確控制臺(tái)架試驗(yàn)的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確模擬實(shí)際路面阻力，起著至關(guān)重要的作用。為了克服實(shí)際調(diào)試中存在的困難以及提高系統(tǒng)測(cè)試性能，有必要對(duì)真實(shí)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)及車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)化控制算法、提高測(cè)試精度。

2 真實(shí)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

進(jìn)行履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，要代替真實(shí)的路面試驗(yàn)，就必須通過(guò)電機(jī)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)車輛施加負(fù)載，在車輛輸出動(dòng)力不變的情況下，使在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行的車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速特性等同于路面運(yùn)行的轉(zhuǎn)速特性，即通過(guò)加載使試驗(yàn)臺(tái)上車輛的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定路況下的實(shí)際轉(zhuǎn)速[3]。

通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上靠近車輛輸出軸位置安裝的扭矩傳感器測(cè)出車輛的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)出在設(shè)定路面工況下的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)軸與車輛主動(dòng)輪通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器直接相連，控制直流電機(jī)準(zhǔn)確地跟蹤這個(gè)轉(zhuǎn)速，即可控制被試車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟隨設(shè)定路面工況下的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

基于上述理論的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。整套臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)主要由五部分組成：控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和配電系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包含推導(dǎo)車輛實(shí)際速度的車輛動(dòng)力學(xué)模型模塊、跟蹤實(shí)際道路工況轉(zhuǎn)速的速度跟蹤模塊、試驗(yàn)控制與管理模塊等。采集系統(tǒng)測(cè)量車輛輸出扭矩、車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速等。加載系統(tǒng)由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，兩邊電機(jī)可分別獨(dú)立為被試車輛加載。

3 車輛縱向動(dòng)力學(xué)建模

在建模過(guò)程中，作如下假設(shè)：①動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸及傳動(dòng)齒輪為剛性。②地面附著系數(shù)足夠大，不考慮輪胎的滑移等非線性因素[4]。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出特性表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度與輸出轉(zhuǎn)矩之間的非線性關(guān)系，可由多種方法得到：經(jīng)驗(yàn)公式法、曲線擬合法和查表法。本文采用查表法，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際測(cè)試獲得不同油門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，從而制成發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖。

3.2 離合器模型

離合器的摩擦傳遞扭矩和離合器踏板行程之間的關(guān)系為

3.3 變速器模型

經(jīng)變速器和主減速器后，傳遞到車輪的驅(qū)動(dòng)扭矩為

3.4 制動(dòng)器模型

制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)踏板位移之間的關(guān)系為

3.5 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型

將車輛假設(shè)為均質(zhì)剛體，車輛直線行駛的動(dòng)力學(xué)方程為：

4 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)模型

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)控制算法

4.2.1 電機(jī)的調(diào)速

在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)加載電機(jī)的控制中，要對(duì)負(fù)載電機(jī)的速度連續(xù)控制，要求速度控制精度高、響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)定性好，所以采用應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。圖4.1是常見(jiàn)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真圖。

4.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的速度跟蹤控制

本文采用速度跟蹤控制算法，系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集車輛主動(dòng)輪輸出力矩及試驗(yàn)臺(tái)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，推導(dǎo)出車輛下一時(shí)刻目標(biāo)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制負(fù)載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而模擬實(shí)際路面工況（如圖4.2所示）。

5 仿真分析和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)控制方法的有效性，分別進(jìn)行了履帶車輛牽引特性曲線的測(cè)試試驗(yàn)和加速性能試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛的性能參數(shù)如表5.1所示。

5.1 牽引特性曲線的測(cè)試試驗(yàn)

牽引性能是指車輛各檔時(shí)各種轉(zhuǎn)速下具有的牽引力大小，它是由車輛發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、各個(gè)排檔的速度和車重等決定的，是評(píng)定車輛動(dòng)力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]。由牽引特性曲線可以較直觀的看出車輛的牽引性能。

牽引特性曲線表示發(fā)動(dòng)機(jī)完全供油時(shí)（油門(mén)到底），車輛在各個(gè)排檔、各個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力Ft與車輛運(yùn)動(dòng)速度v的關(guān)系曲線，即Ft-v曲線。如圖5.1所示，它由多條曲線組成，每條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)檔位。

本次試驗(yàn)是一次性連續(xù)試驗(yàn)完成的，試驗(yàn)順序?yàn)棰魴n、Ⅴ檔、Ⅵ檔、Ⅲ檔、Ⅱ檔。

5.2 加速性能試驗(yàn)

加速性能是指車輛在使用條件下迅速增大行駛速度的能力，是車輛機(jī)動(dòng)性能的重要指標(biāo)之一。車輛從靜止?fàn)顟B(tài)加速到32km/h的加速時(shí)間、加速距離和最大加速度是試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[6]，對(duì)車輛從靜止到最高速的加速性能進(jìn)行試驗(yàn)，并與實(shí)際路面試驗(yàn)相比較，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性（如圖5.2、圖5.3所示）。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)模型、履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了MATLAB建模仿真，提出了一種既具有良好的跟蹤精度，又具有良好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)抗干擾性能力的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)車速跟蹤控制方法。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的曲線基本相同，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)模擬車輛所受到的路面阻力、風(fēng)阻和慣性力，準(zhǔn)確的模擬了車輛在牽引力測(cè)試試驗(yàn)、加速試驗(yàn)中的實(shí)際路面工況。在車輛動(dòng)力性等專項(xiàng)試驗(yàn)中能夠縮減車輛測(cè)試的周期，降低試驗(yàn)的成本和環(huán)境要求。

參考文獻(xiàn)

[1]冀強(qiáng).履帶車輛綜合傳動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2011.

[2]張保軍.試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷與排除[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（20）：220-224

[3]程廣偉，周志立，徐立有，等.履帶車輛行駛載荷在傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)上的模擬[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006（33）：12-14.

[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型軍用車輛起步過(guò)程仿真研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，35（4）：507-512.

[5]GJB 59.25—91，裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 硬地拖鉤牽引特性試驗(yàn)[S].

[6]GJB 59.1-1985，裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 加速特性、最大和最小穩(wěn)定速度試驗(yàn)[S].

摘要：履帶車輛在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，車輛實(shí)際行駛工況在試驗(yàn)臺(tái)架的模擬是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)履帶車輛動(dòng)力學(xué)理論和臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究和分析，完成了車輛的縱向動(dòng)力學(xué)模型和臺(tái)架系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型的建模仿真。從試驗(yàn)加載精度和實(shí)時(shí)性出發(fā)，提出了臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的速度跟蹤控制算法，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了此控制方法在履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)中模擬實(shí)際路面工況的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：履帶車輛 臺(tái)架試驗(yàn) 速度跟蹤 動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0016-03

1 緒論

整車臺(tái)架試驗(yàn)通過(guò)模擬車輛在道路上行駛時(shí)的各種工況，在室內(nèi)完成動(dòng)力性試驗(yàn)、排放性能評(píng)估與分析、可靠性試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)等專項(xiàng)試驗(yàn)，是車輛試驗(yàn)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)所必需的大型試驗(yàn)設(shè)備。在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行車輛性能試驗(yàn)可以排除外界環(huán)境因素的影響，試驗(yàn)周期短、模擬精度高、試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且方便試驗(yàn)結(jié)果的橫向?qū)Ρ萚1]。

履帶車輛整車臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)，基本有三種不同形式的試驗(yàn)臺(tái)：履帶轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)。其中，無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)是將履帶車輛的履帶拆掉，通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器將車輛主動(dòng)輪與臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)直接連接，也是目前國(guó)外履帶車輛試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用最廣的試驗(yàn)臺(tái)方案[2]。典型的無(wú)履帶試驗(yàn)臺(tái)是由直流電機(jī)、控制器（變頻器或驅(qū)動(dòng)器）、外接電阻、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置等組成，通過(guò)聯(lián)軸器與車輛主動(dòng)輪相聯(lián)，形成一個(gè)典型的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)改變加載力矩的大小，模擬車輛路面實(shí)際阻力。

控制系統(tǒng)是臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)最重要的組成部分，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)對(duì)于正確控制臺(tái)架試驗(yàn)的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確模擬實(shí)際路面阻力，起著至關(guān)重要的作用。為了克服實(shí)際調(diào)試中存在的困難以及提高系統(tǒng)測(cè)試性能，有必要對(duì)真實(shí)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)及車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)化控制算法、提高測(cè)試精度。

2 真實(shí)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

進(jìn)行履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，要代替真實(shí)的路面試驗(yàn)，就必須通過(guò)電機(jī)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)車輛施加負(fù)載，在車輛輸出動(dòng)力不變的情況下，使在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行的車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速特性等同于路面運(yùn)行的轉(zhuǎn)速特性，即通過(guò)加載使試驗(yàn)臺(tái)上車輛的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定路況下的實(shí)際轉(zhuǎn)速[3]。

通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上靠近車輛輸出軸位置安裝的扭矩傳感器測(cè)出車輛的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)出在設(shè)定路面工況下的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)軸與車輛主動(dòng)輪通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器直接相連，控制直流電機(jī)準(zhǔn)確地跟蹤這個(gè)轉(zhuǎn)速，即可控制被試車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟隨設(shè)定路面工況下的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

基于上述理論的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。整套臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)主要由五部分組成：控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和配電系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包含推導(dǎo)車輛實(shí)際速度的車輛動(dòng)力學(xué)模型模塊、跟蹤實(shí)際道路工況轉(zhuǎn)速的速度跟蹤模塊、試驗(yàn)控制與管理模塊等。采集系統(tǒng)測(cè)量車輛輸出扭矩、車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速等。加載系統(tǒng)由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，兩邊電機(jī)可分別獨(dú)立為被試車輛加載。

3 車輛縱向動(dòng)力學(xué)建模

在建模過(guò)程中，作如下假設(shè)：①動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸及傳動(dòng)齒輪為剛性。②地面附著系數(shù)足夠大，不考慮輪胎的滑移等非線性因素[4]。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出特性表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)開(kāi)度與輸出轉(zhuǎn)矩之間的非線性關(guān)系，可由多種方法得到：經(jīng)驗(yàn)公式法、曲線擬合法和查表法。本文采用查表法，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際測(cè)試獲得不同油門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，從而制成發(fā)動(dòng)機(jī)MAP圖。

3.2 離合器模型

離合器的摩擦傳遞扭矩和離合器踏板行程之間的關(guān)系為

3.3 變速器模型

經(jīng)變速器和主減速器后，傳遞到車輪的驅(qū)動(dòng)扭矩為

3.4 制動(dòng)器模型

制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)踏板位移之間的關(guān)系為

3.5 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型

將車輛假設(shè)為均質(zhì)剛體，車輛直線行駛的動(dòng)力學(xué)方程為：

4 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)模型

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)控制算法

4.2.1 電機(jī)的調(diào)速

在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)加載電機(jī)的控制中，要對(duì)負(fù)載電機(jī)的速度連續(xù)控制，要求速度控制精度高、響應(yīng)快、超調(diào)小、穩(wěn)定性好，所以采用應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。圖4.1是常見(jiàn)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真圖。

4.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的速度跟蹤控制

本文采用速度跟蹤控制算法，系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集車輛主動(dòng)輪輸出力矩及試驗(yàn)臺(tái)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，推導(dǎo)出車輛下一時(shí)刻目標(biāo)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制負(fù)載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而模擬實(shí)際路面工況（如圖4.2所示）。

5 仿真分析和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)控制方法的有效性，分別進(jìn)行了履帶車輛牽引特性曲線的測(cè)試試驗(yàn)和加速性能試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛的性能參數(shù)如表5.1所示。

5.1 牽引特性曲線的測(cè)試試驗(yàn)

牽引性能是指車輛各檔時(shí)各種轉(zhuǎn)速下具有的牽引力大小，它是由車輛發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、各個(gè)排檔的速度和車重等決定的，是評(píng)定車輛動(dòng)力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5]。由牽引特性曲線可以較直觀的看出車輛的牽引性能。

牽引特性曲線表示發(fā)動(dòng)機(jī)完全供油時(shí)（油門(mén)到底），車輛在各個(gè)排檔、各個(gè)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力Ft與車輛運(yùn)動(dòng)速度v的關(guān)系曲線，即Ft-v曲線。如圖5.1所示，它由多條曲線組成，每條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)檔位。

本次試驗(yàn)是一次性連續(xù)試驗(yàn)完成的，試驗(yàn)順序?yàn)棰魴n、Ⅴ檔、Ⅵ檔、Ⅲ檔、Ⅱ檔。

5.2 加速性能試驗(yàn)

加速性能是指車輛在使用條件下迅速增大行駛速度的能力，是車輛機(jī)動(dòng)性能的重要指標(biāo)之一。車輛從靜止?fàn)顟B(tài)加速到32km/h的加速時(shí)間、加速距離和最大加速度是試驗(yàn)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[6]，對(duì)車輛從靜止到最高速的加速性能進(jìn)行試驗(yàn)，并與實(shí)際路面試驗(yàn)相比較，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性（如圖5.2、圖5.3所示）。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)模型、履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了MATLAB建模仿真，提出了一種既具有良好的跟蹤精度，又具有良好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)抗干擾性能力的履帶車輛臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)車速跟蹤控制方法。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的曲線基本相同，臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)模擬車輛所受到的路面阻力、風(fēng)阻和慣性力，準(zhǔn)確的模擬了車輛在牽引力測(cè)試試驗(yàn)、加速試驗(yàn)中的實(shí)際路面工況。在車輛動(dòng)力性等專項(xiàng)試驗(yàn)中能夠縮減車輛測(cè)試的周期，降低試驗(yàn)的成本和環(huán)境要求。

參考文獻(xiàn)

[1]冀強(qiáng).履帶車輛綜合傳動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2011.

[2]張保軍.試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷與排除[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（20）：220-224

[3]程廣偉，周志立，徐立有，等.履帶車輛行駛載荷在傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)上的模擬[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006（33）：12-14.

[4]周云波，常思勤，魏巍，等.基于MATLAB/SimDriveline的某型軍用車輛起步過(guò)程仿真研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，35（4）：507-512.

[5]GJB 59.25—91，裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 硬地拖鉤牽引特性試驗(yàn)[S].

[6]GJB 59.1-1985，裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 加速特性、最大和最小穩(wěn)定速度試驗(yàn)[S].