唐萃，陳陽(yáng)，蘇炫朝

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400074）

前言

目前，由于汽車(chē)列車(chē)的高運(yùn)輸效益、低成本消耗，能滿(mǎn)足較大范圍內(nèi)的運(yùn)輸需求，汽車(chē)列車(chē)運(yùn)輸對(duì)于國(guó)內(nèi)外公路交通運(yùn)輸來(lái)說(shuō)已經(jīng)成了不可或缺的一種運(yùn)輸方式。

汽車(chē)列車(chē)由于其本身的轉(zhuǎn)向機(jī)制，導(dǎo)致車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，牽引車(chē)與掛車(chē)之間容易出現(xiàn)橫擺和甩尾運(yùn)動(dòng)，容易引發(fā)安全事故[2]。此外由于掛車(chē)在進(jìn)入彎道路段時(shí)，是被動(dòng)地跟隨牽引連接裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，且無(wú)法向牽引車(chē)反饋轉(zhuǎn)向情況，導(dǎo)致掛車(chē)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)情況并不理想，轉(zhuǎn)彎半徑比較大等諸多問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題?；谝环N新提出的雙桿式全掛汽車(chē)列車(chē)[3]，加入主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，以提高汽車(chē)列車(chē)的轉(zhuǎn)彎特性，以求更高的運(yùn)輸效率以及運(yùn)輸安全。并通過(guò)建模仿真，分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

1 一種新型全掛汽車(chē)列車(chē)

現(xiàn)以一種具有液壓雙桿式牽引桿連接裝置的全掛汽車(chē)[3]為基礎(chǔ)，加入主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，旨在通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)向，提高全掛汽車(chē)列車(chē)的跟隨性，減小整車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑。液壓雙桿式主動(dòng)轉(zhuǎn)向全掛汽車(chē)列車(chē)主要由牽引車(chē)輛、牽引桿式掛車(chē)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向牽引連接裝置、牽引車(chē)ECU（主控ECU）、掛車(chē)控制板以及通訊網(wǎng)絡(luò)六部分組成，其基本結(jié)構(gòu)俯視圖如圖1所示。

圖1 主動(dòng)轉(zhuǎn)向式汽車(chē)列車(chē)的基本結(jié)構(gòu)圖

在液壓雙桿式全掛汽車(chē)列車(chē)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的輸入為車(chē)輛的速度情況，輸出為液壓伸長(zhǎng)桿的位移。主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集牽引車(chē)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并將送到ECU進(jìn)行處理，ECU根據(jù)一定的算法發(fā)出指令，經(jīng)由通訊網(wǎng)絡(luò)將指令傳遞到掛車(chē)控制器，由掛車(chē)控制器控制牽引桿的伸縮變化，使整個(gè)牽引車(chē)、連接裝置以及掛車(chē)三者形成一個(gè)指定的轉(zhuǎn)彎半徑。

2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方案

對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置建立運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系數(shù)學(xué)模型，分析確定兩根液壓伸長(zhǎng)桿長(zhǎng)度比例與轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系。以實(shí)現(xiàn)ECU更加精準(zhǔn)控制液壓伸長(zhǎng)桿的位移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到理想的轉(zhuǎn)彎半徑要求。主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的全掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)向控制流程如圖2所示。

圖2 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制流程圖

本文主要分析主動(dòng)轉(zhuǎn)向連接裝置的性能，因而使建模分析過(guò)程更加簡(jiǎn)潔明了，本文以一輛牽引車(chē)拖掛一輛牽引桿式掛車(chē)組合的液壓雙桿式全掛汽車(chē)列車(chē)為研究對(duì)象。假設(shè)汽車(chē)列車(chē)保持低速恒速在彎道上行駛，轉(zhuǎn)向強(qiáng)度十分小，車(chē)輪磨損情況處于最小狀態(tài)，空氣阻力等運(yùn)動(dòng)力忽略不計(jì)。

3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向電液部分模型

具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的全掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)向電液控制部分主要由三部分組成，包括三位四通電磁比例閥、雙作用單桿液壓缸以及位移傳感器等。

三位四通電磁比例閥的輸入量為電信號(hào)，輸出量為閥芯的位移變化量。比例閥內(nèi)部，由牛頓第二定律推導(dǎo)出閥芯受到的電磁力與閥芯運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系：

液壓缸是將輸入量轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛘呶灰频囊簤涸?。為了?shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向的控制目標(biāo)，本文選用單桿液壓缸。當(dāng)雙作用單桿液壓缸工作進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其力和流量關(guān)系也分別達(dá)到一個(gè)平衡關(guān)系，分別是：

位移傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，在本系統(tǒng)中，位移傳感器輸入信號(hào)為液壓伸長(zhǎng)桿位移，輸出信號(hào)為電壓變化。由于位移傳感器的頻率遠(yuǎn)大于液壓缸的固有頻率，故傳感器作用環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)使用，反饋系數(shù)記為Kf。

圖3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向電液控制部分仿真模型

其中F為負(fù)載力；Kq為流量增益，KC為流量壓力增益；PL為定義的負(fù)載壓力，其值等于F/A1；Cic為液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)；Cec為液壓缸外泄漏系數(shù)；βe為有效體積彈性模量；V1為液壓缸無(wú)桿腔的容積；V2為液壓缸無(wú)桿腔的容積；qL=(q1+q2)/2；Ct為泄漏系數(shù)，其值Ct=Cec/2+Cic。

在matlab/simulink環(huán)境下，對(duì)電液控制部分進(jìn)行建模，仿真模型如圖3所示。

4 全掛車(chē)側(cè)向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)于全掛車(chē)而言，除了外部作用力輸入，還受到地面對(duì)四個(gè)車(chē)輪的側(cè)向作用力（輪胎側(cè)偏力），假設(shè)輪胎側(cè)偏力處于線(xiàn)性范圍，輪胎側(cè)偏力與側(cè)偏角呈反比。全掛車(chē)沿y軸方向側(cè)向加速度為：

由于左前輪速度與前軸中心處速度在y軸上的投影相，左前輪速度：

其中l(wèi)f、lr分別為掛車(chē)質(zhì)心到前軸、后軸的距離，c為掛車(chē)質(zhì)心與外部作用力作用點(diǎn)的距離在x軸上的投影值，l為輪距，m為整車(chē)質(zhì)量，I為整車(chē)?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F(xiàn)1、F2：為外部作用力，θ1、θ分別外部作用力F1、F2與 x軸的夾角，c1、c2分別為F1、F2作用點(diǎn)與質(zhì)心的距離在y軸上的投影值。

在matlab/simulink環(huán)境下，對(duì)全掛車(chē)部分進(jìn)行建模，仿真模型如圖4所示。

圖4 全掛車(chē)仿真模型

5 仿真結(jié)果及分析

在simulnk中對(duì)液壓雙桿式全掛汽車(chē)列車(chē)模型進(jìn)行仿真，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后，得到如圖5所示響應(yīng)曲線(xiàn)。當(dāng)車(chē)輛直行時(shí)，車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑為無(wú)窮大，牽引車(chē)開(kāi)始轉(zhuǎn)向的瞬間，主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行控制液壓伸長(zhǎng)桿位移輸出，從而改變?nèi)珤燔?chē)的行駛軌跡，使全掛車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑不再為無(wú)窮大。如圖5所示，當(dāng)牽引車(chē)開(kāi)始進(jìn)入轉(zhuǎn)向行駛后，全掛車(chē)轉(zhuǎn)彎半徑不再為無(wú)窮大，且經(jīng)過(guò)1.3s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制響應(yīng)曲線(xiàn)

6 結(jié)論

本文對(duì)一種新提出的液壓雙桿式全掛汽車(chē)列車(chē)進(jìn)行建模分析。完全借助幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行靜態(tài)模型分析，求解出內(nèi)外側(cè)車(chē)速差與轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎半徑與液壓雙桿長(zhǎng)度比例、以及內(nèi)外側(cè)車(chē)速差與液壓桿長(zhǎng)度比例之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

主要以比例閥、液壓缸、位移傳感器等為主線(xiàn)，建立液壓雙桿式主動(dòng)轉(zhuǎn)向電液控制部分的數(shù)學(xué)模型。對(duì)液壓雙桿式全掛汽車(chē)列車(chē)進(jìn)行建模分析可知，該主動(dòng)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定系統(tǒng)為穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

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