王曉晶，王丙軍

（安陽工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽 455000）

1 引言

自卸車效率高、運(yùn)量大、靈活性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好而成為大型露天礦理想運(yùn)輸工具。礦山運(yùn)行時(shí)，良好操縱穩(wěn)定性既保證正常運(yùn)行，也保證礦山正常生產(chǎn)運(yùn)營。與普通汽車相比，自卸車整備質(zhì)量及載重量大、質(zhì)心高且空載和滿載時(shí)質(zhì)量參數(shù)變化大，采用非線性油氣懸架，由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]。操縱穩(wěn)定性使車輛能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向輪給定方向行駛，且遭遇外界干擾時(shí)，能抵抗干擾而保持穩(wěn)定，是整車運(yùn)行重要性能之一。

采用不同方法對(duì)操縱穩(wěn)定性研究：文獻(xiàn)[2]建立主動(dòng)懸架半車模型，將道路自適應(yīng)原理應(yīng)用于模型，使主動(dòng)懸架功能得到充分發(fā)揮；文獻(xiàn)[3]分析某微型車懸架K&C特性對(duì)操縱穩(wěn)定性影響；文獻(xiàn)[4]基于虛擬樣機(jī)研究懸架性能對(duì)操縱穩(wěn)定性和平順性影響；文獻(xiàn)[5]采用ADAMS建立某重卡多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比剛體和柔體車架對(duì)整車穩(wěn)定性影響。

根據(jù)自卸車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Trucksim搭建某自卸車動(dòng)力學(xué)模型，包括電傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎等。根據(jù)GB/T6323-1994規(guī)定試驗(yàn)工況進(jìn)行操縱穩(wěn)定性仿真，包括方向盤角階躍、角脈沖和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真。為增加整車仿真分析實(shí)時(shí)性，利用整車模型，聯(lián)合PXI實(shí)時(shí)硬件和Labview，進(jìn)行駕駛員在環(huán)實(shí)時(shí)仿真分析，對(duì)整車滿載雙移線工況操縱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 整車操縱穩(wěn)定性建模分析

2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型

車輛操縱穩(wěn)定性影響因素涉及到輪胎側(cè)偏、懸架剛度、阻尼和K＆C特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、質(zhì)心位置、載荷以及整車布置等，分析模型需包含這些參數(shù)[6]。

所研究自卸車前橋采用獨(dú)立懸架，后橋采用非獨(dú)立懸架，忽略空氣阻力影響建立自卸車14自由度模型，包括：簧上質(zhì)量Ms三個(gè)移動(dòng)自由度（u，v，r）和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（α，β，γ）、前橋簧下質(zhì)量（Mufl和Mufr）兩個(gè)移動(dòng)自由度（Sfl和Sfr）、后橋簧下質(zhì)量（Mur）一個(gè)移動(dòng)自由度和一個(gè)側(cè)傾自由度（Sr和θ）以及四個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（φfl，φfr，φrl，φfl），如圖1所示。

圖1 整車動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Vehicle Dynamics Model

2.2 子系統(tǒng)模型

2.2.1 電傳動(dòng)系統(tǒng)

自卸車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電傳動(dòng)模型通過Simulink接口導(dǎo)入Trucksim。輸入驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

式中：M—車輛驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Nm；thrt—油門開度；i—輪邊速比；ωw—車輪轉(zhuǎn)速，r/m；f—查表函數(shù)。

2.2.2 懸架系統(tǒng)

采用油氣懸架，前橋?qū)驒C(jī)構(gòu)采用燭式，后橋采用三角架加橫拉桿型式[7]。Trucksim只用輸入懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性及彈簧力和阻尼力。

根據(jù)油氣懸架工作原理，在外界激勵(lì)作用下，其輸出力主要有：氣體彈性力Fs、油液阻尼力Fd以及活塞和缸筒之間的摩擦力Ff，摩擦力較小可忽略，則：

式中：P0—?dú)怏w初始?jí)毫?，Pa；V0—?dú)怏w初始體積，mm3；A1—無桿腔截面積，mm2；A2—環(huán)形腔截面積，mm2；Ad—阻尼孔過流面積，mm2；Ach—單向閥過流面積，mm2；Cd—阻尼孔流量系數(shù)；Cch—單向閥流量系數(shù)；n—?dú)怏w多變指數(shù)；x—缸筒和活塞桿的相對(duì)位移，mm；ρ—油液密度，kg/mm3。

2.2.3 輪胎

使用斜交輪胎37-57，由于輪胎尺寸較大很難進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，參數(shù)為廠家提供估算值，承載能力是50km/h時(shí)能承載最大重量。

3 操縱穩(wěn)定性仿真

3.1 方向盤角階躍仿真

根據(jù)GB/T6323.2-1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入[8]。以30km/h車速直線行駛，先按輸入方向輕輕靠緊方向盤，消除自由行程，經(jīng)過（0.2～0.5）s，以盡快速度（起躍時(shí)間不大于0.2s或速度不低于200°/s）轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使其達(dá)到預(yù)設(shè)位置并固定數(shù)秒，保持車速不變。令該車得到使其側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值分別達(dá)到0.1g，0.15g，0.2g，0.25g 和 0.3g時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角，分別為 175°、275°、380°、515°、690°，如圖2所示。由圖可知，車輛進(jìn)行五次不同轉(zhuǎn)角階躍輸入車速變，如圖2（a）所示。在方向盤轉(zhuǎn)角迅速變化時(shí)，車速略有下降，其下降幅度隨轉(zhuǎn)角增大而增大，很快都回到30km/h。五次試驗(yàn)中軌跡，如圖2（b）所示。由于轉(zhuǎn)角輸入驗(yàn)漸增大，其轉(zhuǎn)向半徑逐漸減小。

圖2 方向盤角階躍仿真結(jié)果Fig.2 Simulation Results of Steering Wheel Angle Step

3.2 方向盤角脈沖仿真

開始時(shí)以30km/h速度直線行駛1s后，給方向盤輸入一個(gè)三角脈沖角信號(hào)。在實(shí)際中采用脈寬0.5s?？蛰d和重載結(jié)果，如圖3所示。車速基本維持30km/h，在脈沖輸入時(shí)車速有微小震蕩。其空載和滿載狀態(tài)下參數(shù)如圖中所示，盡管側(cè)向加速度最大值都為0.4g，但滿載狀態(tài)下震蕩幅度更大，橫擺角速度和側(cè)傾角最大值也比空載狀態(tài)高出很多?？蛰d或滿載時(shí)，在不同側(cè)向加速度下，側(cè)向加速度、橫擺角速度幅值比和相位滯后變化不大，而空載時(shí)頻域特性與滿載時(shí)差別很大，故整車頻域特性變化主要由于載重量變化。滿載時(shí)橫擺角速度幅值比峰值為13.85Hz，空載為7.24Hz。

圖3 方向盤角脈沖輸入仿真結(jié)果Fig.3 Simulation Results of Steering Wheel Angle Pulse Input

3.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真

操縱汽車以最低穩(wěn)定車速沿所畫圓周行駛，汽車起步，緩緩連續(xù)而均勻加速，直至汽車側(cè)向加速度達(dá)到6.5m/s2為止。Trucksim中沿半徑20m做加速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制較難實(shí)現(xiàn)，故采用固定方向盤轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)代替，方向盤轉(zhuǎn)角均為550°。方向盤轉(zhuǎn)角不變時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑隨側(cè)向加速度增加而減小，即轉(zhuǎn)彎半徑越來越小，且前后軸側(cè)偏角差值絕對(duì)值也越來越大。這說明礦用汽車在空載和滿載時(shí)都表現(xiàn)出過度轉(zhuǎn)向特性，而且滿載時(shí)更加嚴(yán)重。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)過程中，側(cè)傾角都會(huì)隨著側(cè)向加速度增大而增大，且趨于線性。相同側(cè)向加速度時(shí)，空載和滿載時(shí)側(cè)傾角差值很小，由于懸架系統(tǒng)非線性使?jié)M載時(shí)側(cè)傾剛度增加。

3.4 雙移線仿真

“緊急雙移線”工況場(chǎng)地示意圖，如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)雙移線試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.4 Standard Double Lane Change Test Site

當(dāng)車速為10km/h時(shí)，空載和滿載時(shí)各參數(shù)平均值幾乎相等。隨著車速增加，空載和滿載時(shí)各參數(shù)峰值都增大。滿載時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度峰值增加速度明顯大于空載，（20～40）km/h時(shí)滿載值約為空載值兩倍，而側(cè)傾角、側(cè)向加速度峰值在空載與滿載時(shí)仍相差不大。各參數(shù)值隨車速增加而增大趨勢(shì)因?yàn)樾旭偮肪€不變而車速增加時(shí)，轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)向加速度和輪胎受地面?zhèn)认蛄Χ紩?huì)增大，增大的側(cè)向力需要增大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角來獲得。汽車滿載和空載時(shí)側(cè)傾都比較小而且相差不大，由于油氣懸架缸隨載荷增加，其剛度會(huì)很快變大，整車側(cè)傾剛度變大，這也有利于整車側(cè)傾安全性。

4 駕駛員在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

4.1 在環(huán)仿真平臺(tái)

為增加自卸車操縱穩(wěn)定性分析實(shí)時(shí)性，搭建駕駛員在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，以了解整車模型與實(shí)際駕駛員交互情況。駕駛員操作真實(shí)轉(zhuǎn)向盤、油門踏板和制動(dòng)踏板，同時(shí)通過屏幕顯示仿真畫面感受礦用汽車行駛情況和操縱穩(wěn)定性[9]。駕駛員在環(huán)仿真平臺(tái)原理，如圖5（a）所示。實(shí)時(shí)仿真軟件主要利用Labview和Trucksim，Labview通過硬件I/O連接駕駛員和汽車模型，通過加載動(dòng)態(tài)鏈接庫求解器文件來調(diào)用Trucksim模型和算法[10]，實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，如圖5（b）所示。

圖5 駕駛員在環(huán)仿真平臺(tái)Fig.5 The Driver in the Loop Simulation Platform

操作平臺(tái)包括可調(diào)節(jié)座椅、操作手柄、加速踏板、制動(dòng)踏板、顯示屏、方向盤及方向盤管柱。操作平臺(tái)參數(shù)，如表1所示。

表1 操作平臺(tái)產(chǎn)品參數(shù)Tab.1 Operating Platform Product Parameters

4.2 整車操縱穩(wěn)定性實(shí)時(shí)分析

Trucksim自帶駕駛員模型進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)整車閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制。為驗(yàn)證所搭建操縱穩(wěn)定性在環(huán)仿真平臺(tái)可靠性，先用Trucksim進(jìn)行雙移線仿真，再利用在環(huán)仿真平臺(tái)進(jìn)行同工況在環(huán)試驗(yàn)。雙移線工況下利用Trucksim進(jìn)行閉環(huán)仿真和利用駕駛員在環(huán)平臺(tái)進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)對(duì)比，如圖6所示。

圖6 滿載雙移線仿真試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.6 Analysis of Simulation Results with Double Lane Change

由圖6（a）和圖6（b）可知，開始后，駕駛員2s左右開始踩油門踏板并維持在最大開度位置。滿載時(shí)仿真車速經(jīng)過約7s加速后穩(wěn)定在30/kmh左右。軌跡對(duì)比，如圖6（c）所示。可以看出“駕駛員模型”進(jìn)行閉環(huán)仿真所行駛軌跡與目標(biāo)軌跡符合性較高，而“真實(shí)駕駛員”閉環(huán)試驗(yàn)軌跡與目標(biāo)軌跡符合程度較低，但圖6（d）中方向盤轉(zhuǎn)角對(duì)比，要實(shí)現(xiàn)6（c）行駛軌跡，需要駕駛員非常頻繁操縱方向盤，其頻繁性是“真實(shí)駕駛員”難以完成的，而駕駛員在環(huán)試驗(yàn)中方向盤轉(zhuǎn)角曲線更加符合正常駕駛員行為?？梢?，盡管利用駕駛員在環(huán)平臺(tái)進(jìn)行操縱穩(wěn)定性閉環(huán)試驗(yàn)具有一些缺點(diǎn)，但是更符合真實(shí)情況。

5 結(jié)論

根據(jù)自卸車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于TruckSim搭建整車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)操縱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。利用整車模型、PXI實(shí)時(shí)硬件和Labview軟件，及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器和踏板傳感器，搭建自卸車駕駛員在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。

通過模型仿真和在環(huán)仿真對(duì)比分析可知：

（1）整車總體上能夠很好響應(yīng)駕駛員操縱并沿著目標(biāo)路徑行駛，且轉(zhuǎn)向輕便，但轉(zhuǎn)向器對(duì)轉(zhuǎn)向盤幾乎沒有回正力矩反饋，車輪回正過程中轉(zhuǎn)向盤不會(huì)一起回正。

（2）轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生側(cè)傾角較小，相同側(cè)向加速度時(shí)，空載和滿載時(shí)側(cè)傾角差值很小，但是空載和滿載時(shí)都表現(xiàn)出一定程度的過度轉(zhuǎn)向。

（3）結(jié)果顯示駕駛員操縱過程中，汽車行駛路徑與期望路徑差距較大，駕駛員需多次調(diào)整轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角才能完成汽車雙移線。盡管利用駕駛員在環(huán)平臺(tái)進(jìn)行操縱穩(wěn)定性閉環(huán)試驗(yàn)具有一些缺點(diǎn)，但是更符合真實(shí)情況。