摘要：叉車(chē)多用于擁擠的廠房、碼頭等地，貨物沉重，因此需具備良好的轉(zhuǎn)向特性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)以往的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了改善，能夠達(dá)到叉車(chē)的靈活性與穩(wěn)定性的要求。根據(jù)理想傳動(dòng)比的概念，以叉車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合叉車(chē)自身特點(diǎn)與對(duì)轉(zhuǎn)向特性的要求，設(shè)計(jì)以車(chē)速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為變量的變傳動(dòng)比函數(shù)，運(yùn)用模糊控制策略建立傳動(dòng)比函數(shù)。此設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善了叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，提高了保證系數(shù)。根據(jù)TE30型托盤(pán)搬運(yùn)叉車(chē)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算和分析，利用模糊控制的方法設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比函數(shù)能夠根據(jù)車(chē)速與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角精確的計(jì)算出相應(yīng)的傳動(dòng)比，使轉(zhuǎn)向輪獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，滿足叉車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)向特性的要求。

關(guān)鍵詞：叉車(chē)；線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；靈敏度；傳動(dòng)比

中圖分類(lèi)號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

0引言

叉車(chē)是最為常見(jiàn)專(zhuān)用車(chē)輛，其工作場(chǎng)所、運(yùn)輸對(duì)象等因素決定了其要有較高的轉(zhuǎn)向特性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改善與發(fā)展，省去了轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的機(jī)械連接機(jī)構(gòu)，由電機(jī)提供轉(zhuǎn)向力矩和路感信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)控制，提高了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性，使用于叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

本文以TE30型電動(dòng)叉車(chē)為研究對(duì)象，闡述線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理，介紹其組成部件，分析其數(shù)學(xué)模型。傳動(dòng)比可根據(jù)駕駛員駕駛的舒適度進(jìn)行自由設(shè)計(jì)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)傳動(dòng)比函數(shù)。橫擺角速度增益是車(chē)輛操作穩(wěn)定性的指標(biāo)之一，本文用其衡量傳動(dòng)比函數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理與模型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，分別為：轉(zhuǎn)向盤(pán)總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器（ECU）、自動(dòng)防故障系統(tǒng)和電源。

1.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)把手（即方向盤(pán)）時(shí)，傳感器將轉(zhuǎn)矩信號(hào)、轉(zhuǎn)角信號(hào)及車(chē)速信號(hào)等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳遞給主控制器ECU，ECU對(duì)這些傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析與計(jì)算并發(fā)出控制控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的指令，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向。

沒(méi)有了轉(zhuǎn)向盤(pán)與把手之間的機(jī)械連接，傳動(dòng)比也不再是固定值。

1.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

TE30型電動(dòng)叉車(chē)相對(duì)于其他叉車(chē)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，建模時(shí)可忽略非線性部分進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為只包含把手、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒輪和轉(zhuǎn)向輪等幾個(gè)重要?jiǎng)恿W(xué)元件的物理模型。

轉(zhuǎn)向手把模塊數(shù)學(xué)模型：

（1）

1.路感電機(jī)模型

（2）

路感電機(jī)電樞回路的方程為：

（3）

（4）

由電機(jī)機(jī)械特性有：

（5）

由克?；舴蚨捎校?/p>

（6）

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

（7）

2.轉(zhuǎn)向輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[ ]：

（8）

2變傳動(dòng)比函數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1傳動(dòng)比的概念

傳動(dòng)比定義為轉(zhuǎn)向把手轉(zhuǎn)角 與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 的比[2]，用 表示，表達(dá)式如下：

（9）

轉(zhuǎn)向增益是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要參數(shù)，其有兩種表述，一種是橫擺角速度 與轉(zhuǎn)向手把轉(zhuǎn)向角 的比，用 表示；另一個(gè)是橫擺角速度 與前輪轉(zhuǎn)角 比，用 表示。穩(wěn)態(tài)條件下，根據(jù)二自由度整車(chē)模型，可得：

（10）

（11）

（12）

將式（12）變形得到：

（13）

其中，

由上式可知，傳動(dòng)比與車(chē)輛參數(shù)、車(chē)速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度有關(guān)。

2.2分析影響傳動(dòng)比的因素

當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度時(shí)，為提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確性，此時(shí)把手的轉(zhuǎn)角應(yīng)增大，即傳動(dòng)比的值較大使系統(tǒng)響應(yīng)“遲鈍”；當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)一個(gè)較大的角度時(shí)，為保證系統(tǒng)響應(yīng)速度，此時(shí)把手的轉(zhuǎn)角應(yīng)較小，即傳動(dòng)比的值較小使系統(tǒng)“靈活”。這樣就解決了系統(tǒng)反應(yīng)精度與速度之間的矛盾，降低駕駛員負(fù)擔(dān)。由此可知，傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向角有關(guān)，根據(jù)以上分析將傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為與轉(zhuǎn)向角成倒U形的函數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)叉車(chē)行駛速度較低或是靜止轉(zhuǎn)向時(shí)，靜摩擦力使得轉(zhuǎn)向阻力矩較大，此時(shí)駕駛員體力消耗較大，為使轉(zhuǎn)向“輕便”減小駕駛員的體力消耗傳動(dòng)比的值應(yīng)小些；當(dāng)電動(dòng)叉車(chē)高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，由于動(dòng)摩擦力較小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力矩也很小，為防止電動(dòng)叉車(chē)“發(fā)飄”傳動(dòng)比的值應(yīng)大些，使橫擺角速度增益減小，提高叉車(chē)的操縱穩(wěn)定性。

2.3傳動(dòng)比的確定

電動(dòng)叉車(chē)的行駛速度一般限制在15km/h以?xún)?nèi)，與其他車(chē)輛相比車(chē)速較慢，可將傳動(dòng)比劃分為三個(gè)等級(jí)，如式（21）所示。 （24）

當(dāng)車(chē)速小于 時(shí)，傳動(dòng)比設(shè)為定值 。由于方向盤(pán)轉(zhuǎn)到最大角度 時(shí)，叉車(chē)的前輪轉(zhuǎn)角極限值為 此時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比為

（21）

當(dāng)車(chē)速大于 時(shí)，輪胎能夠提供的側(cè)向力達(dá)到了極限值，因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比不能再增大，此時(shí)為最大值 。

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比公式確定 1。結(jié)合叉車(chē)的特殊性和吉林大學(xué)汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得出結(jié)論可知，橫擺角速度增益 0.4時(shí)駕駛員的主觀評(píng)價(jià)和感覺(jué)最好[24]，從而確定 13.66，取整數(shù)13。

以上分析與計(jì)算都是靜態(tài)下得到的結(jié)果，但叉車(chē)實(shí)際行駛中經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此提出變傳動(dòng)比模糊控制。

上述分析與計(jì)算是在靜態(tài)特性下得出的結(jié)果，但實(shí)際上叉車(chē)行駛是處在動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以提出變傳動(dòng)比模糊控制。

3模糊變傳動(dòng)比控制器設(shè)計(jì)

傳動(dòng)比與車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此車(chē)速 和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角 作為該控制器的輸入，傳動(dòng)比 為輸出[7]。 和 為輸入量化因子， 為輸出比例因子。車(chē)速 和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角 的精確量經(jīng)量化后，實(shí)現(xiàn)由精確量向模糊量的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過(guò)模糊控制決策和推理后送到解模糊化部分，實(shí)現(xiàn)模糊亮相精確量的轉(zhuǎn)化，輸出量經(jīng)比例因子后得到精確量傳動(dòng)比 的輸出[8-9]。

TE30型電動(dòng)叉車(chē)車(chē)速在[0，15]km/h，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角范圍為[-90，90]度，輸出傳動(dòng)比范圍在[1，13]。比例因子 2， 1， 1。變量 、 、 分別取7個(gè)級(jí)別的語(yǔ)言值，即PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。?、Z（零）、NS（負(fù)?。?、NM（負(fù)中）、NB（負(fù)大），每一級(jí)別對(duì)應(yīng)一個(gè)語(yǔ)言變量[10]。

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對(duì)應(yīng)語(yǔ)言值為{0，5，10，15，20，25，30}；

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對(duì)應(yīng)語(yǔ)言值為{-90，-60，-30，0，30，60，90}；

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對(duì)應(yīng)語(yǔ)言值為{1，2，4，6，8，10，13}。

本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則可歸納成表1。

表1車(chē)速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角兩輸入變傳動(dòng)比模糊控制規(guī)則表

v

NBNMNSZPSPMPB

NBNBNBNMNSZPSPM

NMNMNMNSZPSPMPB

NSNSNSZPSPSPMPB

ZZZPSPSPMPBPB

PSNSNSZPSPMPMPB

PMNMNMNSZPMPMPB

PBNBNBNMNSPSPSPM

4結(jié)束語(yǔ)

目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍用于乘用車(chē)輛，本文將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用在電動(dòng)叉車(chē)上，對(duì)于電動(dòng)叉車(chē)的發(fā)展有著啟發(fā)性的意義。

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