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        主動(dòng)側(cè)傾車輛設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

        2020-12-08 03:17:48劉平義柯呈鵬高偌霖李海濤魏文軍
        汽車工程 2020年11期
        關(guān)鍵詞:后輪拉桿轉(zhuǎn)角

        劉平義,柯呈鵬,高偌霖,李海濤,魏文軍,王 亞

        (1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083; 2.河南坐騎科技有限公司,鄭州 450000)

        前言

        21 世紀(jì)以來(lái),我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,2019年,全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.4 億輛,其中11 個(gè)城市汽車保有量超過(guò)300 萬(wàn)輛,北京、成都的汽車保有量更是超過(guò)500 萬(wàn)輛。 人口和機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加,隨之而來(lái)的是交通擁堵、停車?yán)щy等一系列問(wèn)題。

        一種解決這些問(wèn)題的方法是使車輛變小,即長(zhǎng)寬不及傳統(tǒng)汽車的一半,且能耗低、污染物排放少。但其特點(diǎn)是質(zhì)心高,轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性成為一個(gè)問(wèn)題[1]。簡(jiǎn)單靜力學(xué)計(jì)算表明,通過(guò)引入適當(dāng)?shù)膬A斜[2],轉(zhuǎn)向即可穩(wěn)定,因此這種新式窄型車輛關(guān)鍵點(diǎn)是引入主動(dòng)側(cè)傾。 自Neumann 在1945 年至1950 年提出開(kāi)創(chuàng)性樣機(jī)以來(lái), 人們還進(jìn)行了許多其他嘗試。Mercedes-Benz 在 1997 年法蘭福克車展展出的“F300 Life Jet”三輪傾斜概念車,它的特點(diǎn)是一個(gè)兩輪前軸和一個(gè)單后輪,由一個(gè)拖臂懸掛連接到主體;利用液壓機(jī)構(gòu),前懸掛的平行四邊形機(jī)制允許車輛傾斜到30°,同時(shí)保持車輪平行于身體。

        Hibbard 等[3]首先提出主動(dòng)側(cè)傾的2 種控制方法:STC(steer tilt control)[4-6],類似摩托車側(cè)傾,采用反向轉(zhuǎn)向原理[7-8]將車輛側(cè)傾至最佳角度;DTC(direct tilt control)[4,9],采用側(cè)傾機(jī)構(gòu)直接將車輛側(cè)傾至最佳角度。 Rajamani 分析了 STC 與 DTC 的技術(shù)難點(diǎn),建立了4 自由度橫向動(dòng)力學(xué)模型[10],并進(jìn)一步針對(duì)DTC 能力消耗大、側(cè)傾與轉(zhuǎn)向同步等問(wèn)題提出了解決方案[4]。 此外,文獻(xiàn)[11]~文獻(xiàn)[17]中在車輛側(cè)傾系統(tǒng)控制、安全與穩(wěn)定等方面都有廣泛的建模和控制研究。

        本文中立足于機(jī)械本體研究,在此基礎(chǔ)上提出一種DTC 側(cè)傾機(jī)構(gòu),在車體上安裝側(cè)傾電機(jī)帶動(dòng)平衡桿轉(zhuǎn)動(dòng),使車輪上下移動(dòng),在重力作用下實(shí)現(xiàn)側(cè)傾,不僅能實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎,而且能反向控制軸距不變防止停車時(shí)側(cè)傾,同時(shí)解決轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定與停車穩(wěn)定兩大難題。 側(cè)傾過(guò)程中,轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和輪速傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車速,計(jì)算側(cè)傾電機(jī)的瞬時(shí)調(diào)節(jié)量,并通過(guò)側(cè)傾電機(jī)上側(cè)傾角傳感器的反饋,實(shí)現(xiàn)車輛行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以保證車身穩(wěn)定。

        1 主動(dòng)側(cè)傾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案與工作原理

        主動(dòng)側(cè)傾機(jī)構(gòu)采用獨(dú)立懸架,轉(zhuǎn)向盤(pán)處安裝轉(zhuǎn)向角傳感器獲取車輛行駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信息。 后輪安裝輪速傳感器獲取車速信息,根據(jù)已獲得的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和車速信息,計(jì)算車輛在保持穩(wěn)定情況下,車輛所需的側(cè)傾角度,在當(dāng)前位置至轉(zhuǎn)向點(diǎn)行駛過(guò)程中完成車輛側(cè)傾工作。

        1.1 主動(dòng)側(cè)傾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

        主動(dòng)側(cè)傾機(jī)構(gòu)安裝在正三輪車輛上,位于兩后輪之間,主要包括:側(cè)傾角傳感器、側(cè)傾電機(jī)、平衡桿、連桿、上拉桿、下拉桿、減振器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。 下拉桿一端與車身轉(zhuǎn)動(dòng)連接,另一端連接車輪,車輪與下拉桿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng);減振器分別與上拉桿和下拉桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接;由車身、上拉桿、減振器、下拉桿、車輪按以上方式連接形成一組車輪定位機(jī)構(gòu);平衡桿中點(diǎn)與側(cè)傾電機(jī)在車身橫垂面轉(zhuǎn)動(dòng)連接,兩連桿長(zhǎng)度相等,上端與上拉桿球鉸鏈連接、下端與平衡桿兩端球鉸鏈連接;側(cè)傾電機(jī)通過(guò)控制平衡桿的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車輪繞車身上轉(zhuǎn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)側(cè)傾功能。停車時(shí),車輪靜止不動(dòng),能夠反向控制拉桿靜止保證車輛的停車穩(wěn)定。 在側(cè)傾電機(jī)處布置側(cè)傾角傳感器,能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量車身側(cè)傾信息。

        圖1 主動(dòng)側(cè)傾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        1.2 主動(dòng)側(cè)傾工作原理

        圖2 為主動(dòng)側(cè)傾車輛工作原理圖。 停車時(shí),車輪靜止不動(dòng),上下拉桿保持靜止,相連的連桿和平衡桿保持在穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)現(xiàn)停車穩(wěn)定,狀態(tài)如圖2(a)所示。 當(dāng)車輛向右轉(zhuǎn)彎時(shí),側(cè)傾電機(jī)使平衡桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)左連桿帶動(dòng)左輪繞車身上連接點(diǎn)做逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng),通過(guò)右拉桿帶動(dòng)右輪繞車身上鉸接點(diǎn)做順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng),狀態(tài)如圖2(b)所示。 當(dāng)車輛向左轉(zhuǎn)彎時(shí),側(cè)傾電機(jī)使平衡桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)右拉桿帶動(dòng)右輪繞車身上鉸接點(diǎn)做逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng),通過(guò)左拉桿帶動(dòng)左輪繞車身上鉸接點(diǎn)做順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng),狀態(tài)如圖2(c)所示。 在重力與驅(qū)動(dòng)力的作用下,停車、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)最終狀態(tài)示意圖如圖3 所示。

        圖2 主動(dòng)側(cè)傾原理圖

        圖3 最終狀態(tài)圖

        1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)基于車身控制器,硬件主要包括轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、輪速傳感器、側(cè)傾角傳感器、側(cè)傾電機(jī)等,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

        圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        車身控制器為控制系統(tǒng)核心部件,主要負(fù)責(zé)通信、側(cè)傾量計(jì)算、傳感器集成等。 轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和輪速傳感器輸出模擬量參數(shù)可通過(guò)I/O 口和車身控制器直接相連。

        轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、車速,并通過(guò)車身控制器計(jì)算所需側(cè)傾角。最后通過(guò)側(cè)傾電機(jī)完成主動(dòng)側(cè)傾,實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定。 為消除側(cè)傾誤差,通過(guò)側(cè)傾角傳感器檢測(cè)側(cè)傾效果并作為反饋元件消除每個(gè)調(diào)整周期的誤差,避免誤差累積。

        誤差補(bǔ)償步驟:位于側(cè)傾電機(jī)處的側(cè)傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控每次側(cè)傾結(jié)束后車身的側(cè)傾角θ,根據(jù)控制器計(jì)算出的期望角度θdes,計(jì)算出期望角度與實(shí)際角度的差值△θ,作為補(bǔ)償量帶入下次側(cè)傾中。

        1.4 工作流程設(shè)計(jì)

        主動(dòng)側(cè)傾系統(tǒng)工作流程如圖5 所示。

        圖5 主動(dòng)側(cè)傾系統(tǒng)工作流程

        2 主動(dòng)側(cè)傾角度分析計(jì)算

        2.1 正三輪主動(dòng)側(cè)傾角度分析計(jì)算

        以左轉(zhuǎn)為例,此時(shí)車輛向左側(cè)傾,車輛受力后視圖如圖6 所示。

        圖6 車輛主動(dòng)側(cè)傾受力示意圖

        設(shè)O點(diǎn)為車輛質(zhì)心,受到重力G與離心力Fy的作用,O1、O2、O3分別為左后輪、右后輪、前輪與地面的接觸點(diǎn),建立力與力矩平衡方程:

        式中:G為車輛重力;Fy為車輛離心力;Ff1為左后輪摩擦力;Ff2為右后輪摩擦力;Ff3為前輪摩擦力;R1為左后輪支持力;R2為右后輪支持力;R3為前輪支持力;b為不側(cè)傾時(shí)輪距;h為不側(cè)傾時(shí)質(zhì)心高度;θ為側(cè)傾角度;R為轉(zhuǎn)向半徑;g為重力加速度;v為車速。

        根據(jù)式(9),只要得知轉(zhuǎn)向半徑R與車速v,就可以計(jì)算出穩(wěn)態(tài)情況下車輛的側(cè)傾角度θ。

        2.2 轉(zhuǎn)向半徑的計(jì)算

        轉(zhuǎn)向半徑R無(wú)法利用傳感器直接測(cè)量,通過(guò)幾何分析建立轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角β和轉(zhuǎn)向半徑R的關(guān)系。

        主動(dòng)側(cè)傾車輛側(cè)傾后的后視圖與俯視圖如圖7和圖8 所示,由于側(cè)傾導(dǎo)致的軸距變化較小,故在計(jì)算中忽略不計(jì),設(shè)軸距為a,正三輪質(zhì)心距離后輪約為a/3,根據(jù)幾何關(guān)系建立方程。

        式中δ為前輪轉(zhuǎn)向角。

        聯(lián)立式(9)和式(10)可得

        圖7 車輛主動(dòng)側(cè)傾后視圖

        圖8 車輛主動(dòng)側(cè)傾俯視圖

        整理得

        該方程無(wú)法求精確解,故采用泰勒展開(kāi)的方法求近似解,根據(jù)泰勒公式有

        將式(13)和式(14)代入式(12),5 次冪之后的項(xiàng)較小故忽略不計(jì),整理得

        轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為

        式中k為比例系數(shù)。

        將式(16)代入式(15),得

        其中輪距a、質(zhì)心高度h和重力加速度g已知,若測(cè)得轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角β與車速v,便可計(jì)算出最佳側(cè)傾角θ。

        3 試驗(yàn)

        3.1 試驗(yàn)車輛參數(shù)

        試制主動(dòng)側(cè)傾車輛,如圖9 所示。

        圖9 車輛實(shí)物

        試驗(yàn)樣車機(jī)構(gòu)參數(shù):車輛尺寸為1.8 m×0.8 m×1.52 m(長(zhǎng)×寬×高),車輪直徑0.3 m,軸距1.53 m,輪距0.8 m。 車架后方安裝一個(gè)功率為1 500 W 的側(cè)傾電機(jī),兩個(gè)后輪由兩個(gè)功率為800 W 的輪轂電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

        轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和側(cè)傾角傳感器均選擇適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格便宜的角度傳感器,如圖10 所示。考慮到車輛側(cè)傾角狀態(tài)傳感器作為反饋元件、測(cè)量精度要求較高,選擇P3036-C-90-V1-L-5 中的 PandAuto 角度傳感器,線性誤差為0.3%,有效電氣轉(zhuǎn)角為360°,分辨率4 096位。 角度傳感器可通過(guò)數(shù)據(jù)線和控制器相連,可實(shí)現(xiàn)與控制器通信,連續(xù)不斷地將車身轉(zhuǎn)向角、側(cè)傾角信息傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行記錄。

        圖10 角度傳感器

        3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證主動(dòng)側(cè)傾方法的可行性及主動(dòng)側(cè)傾車輛的側(cè)傾性能,選擇室外道路,進(jìn)行S 形軌跡與O 形軌跡的轉(zhuǎn)向試驗(yàn),所有試驗(yàn)均在2019 年12 月進(jìn)行,試驗(yàn)地形如圖11 所示。

        主動(dòng)側(cè)傾的控制目標(biāo)為將車輛側(cè)傾至最佳角度,以實(shí)現(xiàn)重力分力與離心力的平衡,保證車身轉(zhuǎn)向時(shí)穩(wěn)定。 故選擇測(cè)量轉(zhuǎn)向過(guò)程中質(zhì)心處橫向加速度的大小來(lái)判斷側(cè)傾效果,由于主動(dòng)側(cè)傾與不側(cè)傾橫向加速度測(cè)量試驗(yàn)需分兩次進(jìn)行,兩次試驗(yàn)無(wú)法做到轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角β、速度v完全相同,不具有對(duì)比性,故根據(jù)主動(dòng)側(cè)傾試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角β與速度v信息,人為計(jì)算不側(cè)傾時(shí)的橫向加速度ay,并與主動(dòng)側(cè)傾時(shí)橫向加速度測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算公式如下:

        圖11 試驗(yàn)地形

        圖12(a)為S 形車輛行走軌跡,車輛速度為10 km/h, 圖12(b)為O 形車輛行走軌跡,車輛速度為15 km/h。 由圖13 和圖14 可得到轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化規(guī)律,并對(duì)比主動(dòng)側(cè)傾車輛“不側(cè)傾時(shí)橫向加速度”和“側(cè)傾時(shí)橫向加速度”兩種情況的變化規(guī)律,檢驗(yàn)主動(dòng)側(cè)傾效果。

        圖12 試驗(yàn)場(chǎng)景

        由圖13 可知,S 形軌跡試驗(yàn)中前輪轉(zhuǎn)向角成波形變化,根據(jù)該轉(zhuǎn)向角計(jì)算出不側(cè)傾時(shí)橫向加速度在±1g內(nèi)變化,采用“主動(dòng)側(cè)傾技術(shù)”時(shí)橫向加速度在±0.05g內(nèi)波動(dòng),橫向加速度減小了95%以上。 由圖14 可知,O 形軌跡試驗(yàn)中前輪轉(zhuǎn)向角基本固定不變,根據(jù)該轉(zhuǎn)向角計(jì)算出的不側(cè)傾時(shí)橫向加速度在1.7g左右,采用“主動(dòng)側(cè)傾技術(shù)”時(shí)橫向加速度在±0.1g內(nèi)波動(dòng),橫向加速度減小了94%以上,有效防止了車輛轉(zhuǎn)向時(shí)由于離心力而產(chǎn)生的側(cè)翻危險(xiǎn),驗(yàn)證了主動(dòng)側(cè)傾技術(shù)與側(cè)傾機(jī)構(gòu)的可行性以及理論分析計(jì)算的正確性。 主動(dòng)側(cè)傾試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)主要來(lái)源于減振器振蕩的影響與車身的制造誤差。

        圖13 S 型軌跡

        4 結(jié)論

        (1)本文中設(shè)計(jì)了一種采用新型DTC 側(cè)傾機(jī)構(gòu)的主動(dòng)側(cè)傾車輛,分析計(jì)算了車輛轉(zhuǎn)向保持穩(wěn)定時(shí)車身的最佳側(cè)傾角。 分析計(jì)算表明可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角以及車速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)車身的穩(wěn)定。

        (2)車輛在S 形軌跡與O 形軌跡道路試驗(yàn)轉(zhuǎn)向過(guò)程中,可完成主動(dòng)側(cè)傾功能,并且可將轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)向加速度減少94%~95%左右,有效防止了車輛轉(zhuǎn)向時(shí)由于離心力而產(chǎn)生的側(cè)翻危險(xiǎn),驗(yàn)證了主動(dòng)側(cè)傾技術(shù)與側(cè)傾機(jī)構(gòu)的可行性以及理論分析計(jì)算的正確性,為城市窄型車輛的推廣和應(yīng)用提供了理論依據(jù)和試驗(yàn)參考。

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