劉中英

(鄭州工業(yè)應用技術學院 機電工程學院，河南 鄭州451100)

九軸車輛全輪動態(tài)轉向特性研究

劉中英

(鄭州工業(yè)應用技術學院 機電工程學院，河南 鄭州451100)

為了研究九軸車輛各轉向橋車輪轉角之間的關系，建立了九軸車輛全輪轉向模型，推導了各轉向橋內(nèi)外側車輪轉角的計算公式，運用數(shù)值方法進行了可視化仿真.仿真結果表明，九軸車輛采用全輪轉向時，第一轉向軸到第五轉向軸車輪轉向與后四轉向軸車輪的轉向相反；當?shù)谝晦D向軸車輪轉角變大時，后面八軸車輪轉角線性增加，此時九軸車輛的轉彎半徑最小，同一轉向軸內(nèi)側車輪轉角比外側車輪轉角大.

九軸車輛；車輪轉角；轉向模型；可視化仿真

目前，國內(nèi)外學者和工程技術人員對多軸轉向技術的研究大多數(shù)在三軸、五軸和七軸車輛中進行[1-6].九軸車輛由于其自身的特點(車身長26.4 m、大噸位、轉向軸數(shù)目多)對轉向特性的要求也更高，大大增加了其研究難度.國內(nèi)對九軸大噸位車輛多軸轉向技術的研究起步較晚，核心敏感技術由于國外的壟斷保護而無法獲得，故以某公司九軸車輛轉向系統(tǒng)為原型，利用Matlab對整車各轉向軸車輛動態(tài)轉向轉角進行分析.

1 建立九軸車輛全輪轉向模型

圖1 九軸車輛全輪轉向模型Fig.1 Full wheel steering model of nine axle vehicle

根據(jù)軸距、輪距與轉向偏轉角的關系，分析九軸車輛全輪轉向的基本原理，參考后軸主動轉向轉角控制方式[7]和對千噸級全地面起重機轉向特性的研究[8]，采用可視化仿真方法實現(xiàn)九軸車輛的全輪動態(tài)轉向.建立的仿真模型見圖1.全輪轉向模式必須滿足在純滾動條件下各轉向軸車輪同時繞瞬時轉向中心O轉動，第一至第九軸車輪繞O點順時針轉向規(guī)定為正方向，逆時針轉向規(guī)定為負方向.

如圖1所示，根據(jù)九軸車輛行駛的需要，第一軸內(nèi)側車輪轉角α1由駕駛員操縱轉向盤實現(xiàn)控制，α1與α9滿足一定的轉角關系.在全輪轉向時，第一軸至第五軸與后面4個轉向軸的轉動方向相反.在第一軸到第九軸車輪做純滾動行駛條件下，前面第一到第五轉向軸內(nèi)側車輪轉動時,軸線與后面4個轉向軸內(nèi)側車輪轉動時的垂線相交于O點(瞬時轉動中心).定義S1為整車軸距，α1與α9滿足如下關系：

S1=L12+L23+L34+L45+L56+L67+L78+L89，

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(1)至式(5)可推導出九軸車輛動態(tài)全輪轉向第二軸至第八軸內(nèi)側和外側車輪轉角的計算公式：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

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(12)

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(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

2 可視化顯示九軸車輛全輪轉向過程

根據(jù)式(6)至式(21)，運用Matlab編寫程序，對九軸車輛全輪動態(tài)轉向進行可視化仿真，仿真條件滿足九軸車輛內(nèi)側車輪轉角為前橋同側車輪轉角的k倍，即α9=kα1(k為轉向系數(shù)，當九軸車輛為全輪時，k=-1).以某公司1 200 t全地面起重機底盤轉向系統(tǒng)為實例[9]，主要技術參數(shù)見表1.

表1 九軸車輛轉向系統(tǒng)的主要技術參數(shù)

由仿真畫面可以直觀地看到整車仿真時間(2 s)內(nèi)的變化情況，在整車全輪轉向過程中，第一軸內(nèi)側車輪轉角α1由16.0°轉動到25.6°(每隔0.2 s采集一次)的動態(tài)過程如圖2所示.各軸距、輪距、內(nèi)外側車輪轉角及瞬時轉動中心的動態(tài)變量與圖1中九軸車輛全輪轉向模型的標注符號一致.

圖2 九軸車輛全輪動態(tài)轉向可視化仿真Fig.2 Visual simulation of dynamic steering of nine axle vehicle

由圖2可知，九軸車輛各軸內(nèi)外側車輪的垂線相交于瞬時轉向中心O，驗證了前面九軸車輛內(nèi)外側各車輪轉角推導計算公式的正確性.當?shù)谝惠S內(nèi)側車輪轉角為16°時，九軸車輛各軸車輪到瞬時轉向中心O的距離明顯大于第一軸內(nèi)側車輪轉角為25.6°時的距離.因此，第一軸內(nèi)側車輪轉角α1的值越大，整車所有車輪距離轉向中心O的距離就隨之變小.由于九軸車輛各軸內(nèi)外側車輪轉角的變化，瞬時轉向中心O到各軸內(nèi)外側車輪的距離在逐漸變小，車輛轉彎半徑也同時在變小.

3 實例分析

以某公司1 200t全地面起重機底盤轉向系統(tǒng)相關參數(shù)為原型，根據(jù)式(6)至式(21)，由Matlab編程可知，九軸車輛各轉向軸內(nèi)外側車輪轉角的關系如圖3和圖4所示.由圖3可知，九軸車輛底盤采用全輪轉向，距離轉向中心位置O越遠的車輪轉角越大；隨著第一轉向軸內(nèi)側車輪轉角的變大，第二、第三、第四和第五轉向軸內(nèi)側車輪轉角也正增加，隨之第六、第七、第八和第九轉向軸內(nèi)側車輪轉角為負增加.

圖3 九軸車輛各轉向軸內(nèi)側車輪轉角的關系Fig.3 The relationship between the steering wheel angle and the inner wheel of the nine axle vehicle

圖4 第一轉向軸內(nèi)側車輪與各軸外側車輪轉角的關系Fig.4 The relationship between the inner wheel of the first steering shaft and the outer wheel angle of each axle

由圖4可知，當?shù)谝晦D向軸內(nèi)側車輪轉角正增加時，九軸車輛各軸外側車輪轉角也在相應增加，第一、第二、第三、第四和第五轉向軸車輪同方向轉向為正增加；第六、第七、第八和第九轉向軸外側車輪轉角逆方向轉向為負增加；車輛采用全輪轉向小轉彎模式，轉向中心位于第五軸與第六軸之間時可使九軸車輛底盤轉向得到最小的轉彎半徑.

4 結語

研究軸距、輪距與偏轉角的關系，驗證了全輪動態(tài)轉向各軸內(nèi)外側車輪轉角公式是正確的，采用全輪轉向，前五軸車輪轉角和后四軸車輪轉角轉向相反，此時車輛轉彎半徑變小，采用小轉彎模式可達到轉彎半徑最小，這為多軸車輛轉向的設計提供了依據(jù).

[1] 陳思忠，孟祥，楊林，等.三橋汽車多輪轉向技術研究[J].北京理工大學學報(自然科學版)，2005，25(8):679-683.

[2] 劉從華，趙斌，高秀華，等.多橋轉向車輛轉向機構優(yōu)化設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(9):81-85.

[3] 張小江，高秀華，楊銘.多橋轉向車輛的轉向性能[J].吉林大學學報(自然科學版)，2009，39(4):859-863.

[4] 張俊友，王樹鳳，李華師.五橋重型全輪轉向汽車操縱穩(wěn)定性分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2008，38(9):30-34.

[5] 王樹鳳，張俊友，李華師，等.不同轉向模式的多橋轉向車輛性能分析[J].公路交通科技，2008，25(12):184-187.

[6] 李爽.七橋車輛比例控制轉向研究[D].長春:吉林大學，2008：29-30.

[7] 張元胤，羅小虹，王東華.后橋主動轉向系統(tǒng)及其在全路面汽車起重機上的應用[J].工程機械，2010(4):49-51，99.

[8] 劉中英，賈志絢，李涵兵，等.千噸級全路面起重機轉向特性研究[J].建筑機械，2014(2):82-86.

[9] 劉中英.九橋全地面起重機轉向模式與模糊控制研究[D].太原：太原科技大學，2014:14-19.

Research on dynamic steering characteristics of all wheel for nine-axle vehicle

LIU Zhongying

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ZhengzhouUniversityofIndustrialTechnology,Zhengzhou451100,China)

In order to study the relationship of wheel turning angles of different steering axis,the all-wheel steering model of nine-axle vehicle was established. The calculation formulas of inside and outside wheel turning angles of different steering axis were deduced, and the visualization simulation was obtained by using the numerical method. The results showed that the turning direction of the front five and the back four steering wheels is opposite.With the increasing of the wheel turning angle of the first steering axis, the wheel turning angles of different steering axis increase linearly, while the turning radius decrease.The wheel turning angles increase with the increasing of distance to the turning center, and the inside wheel turning angle is bigger than the outside one at the same steering axis.

nine-axle vehicle; steering model; wheel turning angle; visualization simulation

2016-10-11

河南省高等學校重點科研項目(16A460038)

劉中英(1985-)，女， 河南洛陽人，講師，研究方向為多軸車輛轉向特性.

TH213.6

A

1674-330X(2017)01-0033-04