趙昀隴，池茂儒，賈 鵬，張成銘，于忠建，代亮成

（1 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都610031；2 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

隨著現(xiàn)代城市交通的不斷發(fā)展，交通方式的不斷創(chuàng)新，豐富的出行選擇極大的降低了人們出行的時間，虛擬軌道車輛不僅能夠豐富人們的出行，而且兼顧了軌道列車和汽車乘用車的優(yōu)點，可以靈活運行在復(fù)雜的城市空間。目前，我國湖南已經(jīng)建成第一列虛擬軌道示范線［1］，在多個其他省市也開始試運行，可見虛擬軌道車輛作為傳統(tǒng)軌道交通的有機補充在我國有廣闊的市場和前景。然而，由于虛擬軌道車輛包含豐富的電氣控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)機械模塊，其運行過程是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程，其平穩(wěn)性和可控性直接關(guān)系到車輛運行的品質(zhì)和安全，而懸掛參數(shù)的取值是否合理又與車輛的平穩(wěn)性和可控性密切相關(guān)，因此，對虛擬軌道車輛的懸掛參數(shù)進行研究，掌握懸掛參數(shù)對虛擬軌道車輛平穩(wěn)性和可控性的影響規(guī)律，對虛擬軌道車輛的設(shè)計是尤為重要的。目前虛擬軌道車輛在國內(nèi)運用還不成熟，相關(guān)學(xué)者對此開展了部分研究工作。孫幫成［2］基于全輪差動轉(zhuǎn)向，研究了虛擬軌道車輛的導(dǎo)向循跡控制算法，并搭建了虛擬軌道車輛原理樣車；于磊［3］運用無刷直流電機數(shù)學(xué)模型對虛擬軌道車輛的輪轂電機驅(qū)動技術(shù)進行了研究，分析了輪轂電機的轉(zhuǎn)矩脈動；曹競瑋［4］建立包含側(cè)向和橫擺的線性二自由度車輛操縱模型，并基于循跡效果提取車輛所需的動力學(xué)參數(shù)，建立虛擬軌道車輛全輪力矩分配方法。但鮮有學(xué)者開展虛擬軌道車輛懸掛系統(tǒng)對車輛平穩(wěn)性和可控性影響的研究。文中根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論、胎地耦合理論、車輛系統(tǒng)動力學(xué)理論，綜合考慮車輛電氣和機械系統(tǒng)，基于Simpack和Simulink建立了包含電機驅(qū)動系統(tǒng)、循跡控制系統(tǒng)、差動控制系統(tǒng)、多體動力學(xué)系統(tǒng)的機電一體化模型，研究二系垂向剛度和阻尼對虛擬軌道車輛平穩(wěn)性和可控性的影響，為今后的虛擬軌道車輛設(shè)計提供理論參考。

1 多體動力學(xué)聯(lián)合仿真模型

1.1 虛擬軌道車輛動力學(xué)模型

文中研究的虛擬軌道車輛兼顧軌道列車與公路汽車的特點，其結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)鐵道列車有所不同，為了實現(xiàn)通過公路上較小的轉(zhuǎn)彎半徑曲線和更好地匹配輪轂電機，采用的是每側(cè)雙獨立輪式結(jié)構(gòu)，單側(cè)一前一后2輪組成一個“走行架”。文中的多體動力學(xué)模型采用單車體、每車4個走行架、每個走行架雙車輪模式，電動機采用內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機，將動力裝置、傳動裝置、制動裝置整合到輪轂之內(nèi)，將機械部分簡化；車軸與走行架之間裝有一系懸掛，車體與走行架裝有二系懸掛，考慮需要的自由度，建立多體動力學(xué)模型［5］。模型和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬軌道車輛模型和結(jié)構(gòu)

1.2 輪胎模型

輪胎模型有多種，文中車輪采用商業(yè)上廣泛使用的Pacejka模型［6-7］，該模型可統(tǒng)一表示為式（1）～式（3）：

式中：Y（x）為輪胎縱向力、側(cè)向力或回正力矩，x為考慮水平偏移因子時的自變量；y（x）為不考慮垂直偏移因子的縱向力、側(cè)向力或回正力矩；X為縱向滑動率或者側(cè)偏角；D為峰值因子；C為形狀因子；E為曲率因子；Sv為垂直偏移因子；Sh為水平偏移因子。輪胎力元輸出如圖2所示。

圖2 輪胎力元的輸出

1.3 路面重構(gòu)

路面重構(gòu)即路面不平度的重構(gòu)。公路路面一般在頻域上采用功率譜形式來給出統(tǒng)計特性，將其分為A～H共8級，見表1。其分類參數(shù)Gq（n0）為參考空間頻率下得到的路面功率譜密度值，其公式為式（4）［8］：

表1 路面不平度分類標(biāo)準(zhǔn)

式中：n為空間頻率，單位為m-1，它是波長的倒數(shù)，表示每米長度中包含幾個波長，n為參考空間頻率；Gq（n0）為參考空間頻率下得到路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)；W為頻率指數(shù)，為雙對數(shù)坐標(biāo)斜線的斜率，它決定路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)。

采用諧波疊加法重構(gòu)A級路面，Gq（n0）中n0取0.1 m-1，n從0.011 m-1到2.83 m-1取值。

f為時間頻率，其對于給定的車速v，根據(jù)空間頻率n與時間頻率f的關(guān)系，有式（5）：

當(dāng)W=2時有式（6）：

功率譜為式（7）：

采用正弦波疊加，可得式（8）：

式中：φ為0到2π的隨機值。

重構(gòu)時將頻率離散化后將正弦波疊加求得離散化的各級路面［9］。虛擬軌道車輛作為一種新型城市交通工具，其線路條件較為類似A級路面，因此文中仿真所用路面均采用A級路面。

1.4 輪轂電機控制方法

采用感應(yīng)式異步輪轂電機，輪轂電機目前在新能源汽車中應(yīng)用廣泛，采用該類型電機可以簡化車輛結(jié)構(gòu)且便于采用新技術(shù)；而感應(yīng)式電機同樣結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且運行可靠。文中采用直接轉(zhuǎn)矩控制，分別對8個車輪的轉(zhuǎn)速進行控制［10-12］。其控制模型如圖3所示。

圖3 輪轂電機控制模型

1.5 循跡控制策略

循跡控制分為2部分：轉(zhuǎn)向控制和車輪沖角控制，其循跡控制模型如圖4所示。

轉(zhuǎn)向控制采用橫移PID控制［13-14］，實時檢測每個車輪與目標(biāo)軌跡的偏移量，分別輸出轉(zhuǎn)向力矩。該橫移包括垂向激勵和輪胎的側(cè)偏特性在內(nèi)引起的橫移。其仿真模型如圖4（a）所示。

車輪沖角控制目的是讓車輪在彎道上能夠?qū)崟r處于徑向位置，配合差動控制減小輪胎磨耗，具體采用實時監(jiān)測車輪沖角，根據(jù)沖角大小輸出轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩調(diào)整沖角。其仿真模型如圖4（b）所示。

圖4 循跡控制模型

1.6 差動控制方法

采用托森差速器的原理，監(jiān)測一對輪胎的滑移率，當(dāng)某側(cè)滑移率超過臨界值時，減小該側(cè)輸出轉(zhuǎn)矩，增大另一側(cè)轉(zhuǎn)矩，完成驅(qū)動力的再分配，實現(xiàn)差動控制。其仿真模型如圖5所示。

圖5 差動控制系統(tǒng)模型

1.7 整車模型

整車模型包括循跡控制模塊、電機驅(qū)動模塊、差動控制模塊、輪胎模型模塊、車體動力學(xué)模塊、懸架系統(tǒng)模塊、車輪動力學(xué)模塊、虛擬軌道路面模塊等模塊，各模塊之間關(guān)系如圖6所示。

圖6 整車模型框圖

2 二系垂向剛度/阻尼對車輛平穩(wěn)性和可控性的影響

二系懸掛系統(tǒng)主要包括垂向減振器以及空氣彈簧，懸掛參數(shù)主要包括空簧三向剛度以及垂向減振器提供的阻尼［15］。文中重點研究二系垂向剛度以及垂向減振器阻尼對車輛平穩(wěn)性以及可控性的影響規(guī)律。

由于虛擬軌道車輛國內(nèi)外尚無相應(yīng)的相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)［16-17］，文中借鑒傳統(tǒng)鐵路機車車輛常用的Sperling平穩(wěn)性指標(biāo)和循跡時車輛橫移量的響應(yīng)性能指標(biāo)。需要指出的是，由于下文中虛擬軌道車輛是以60 km/h的中低速在采用A級路面譜的直道中仿真運行，A級路面代表最優(yōu)的路面，其不平度相比其他的B～H級路面小很多，因此計算出的平穩(wěn)性指標(biāo)比較優(yōu)。

2.1 二系垂向剛度

在研究二系垂向剛度對車輛平穩(wěn)性的影響時，由于一系和二系垂向剛度屬于串聯(lián)的關(guān)系，在不同一系垂向剛度值下分析二系垂向剛度對車輛垂向動力學(xué)性能的影響規(guī)律，綜合考慮二系懸掛裝置的承載能力及減振性能，垂向剛度選取范圍0.5～25 MN/m。

（1）平穩(wěn)性

車輛運行速度60 km/h，A級路面，附著系數(shù)取0.7。車輛垂向平穩(wěn)性和舒適度隨二系垂向剛度值的變化曲線如圖7所示。

圖7 二系垂向剛度對平穩(wěn)性影響

由圖7可知，隨著車輛二系垂向剛度的增加，垂向平穩(wěn)性和舒適度均先增大，且隨著一系垂向剛度的增加，平穩(wěn)性指標(biāo)稍有增加。

（2）可控性

虛擬軌道車輛屬于自導(dǎo)向車輛，即在無人駕駛的情況下能沿著既定的軌道行駛，因此除了平穩(wěn)性之外還需考慮車輛的循跡可控性。把車輛在與軌道有一定偏差情況下，逐漸向軌道靠近到保持循跡這一過程中車輛中心的軌跡視為循跡響應(yīng)過程曲線?？疾煸撉€的超調(diào)量、上升時間以及調(diào)節(jié)時間，如圖8所示。

圖8 可控性指標(biāo)示意圖

如車輛與軌道具有正的橫向偏差，在循跡的過程中不會直接使得橫向偏差為0，而是一個振蕩—收斂的過程，其中出現(xiàn)的第一個波峰值為超調(diào)量，從0時刻到第一次橫向偏差為0的時間為上升時間，調(diào)節(jié)時間指從0時刻到橫向偏差收斂至10%的時間。若超調(diào)量、上升時間和調(diào)節(jié)時間越小，則車輛可控性越好。

車輛運行速度60 km/h，偏離預(yù)定軌跡1 m，A級路面，附著系數(shù)0.7。車輛中心橫移量響應(yīng)曲線的超調(diào)量、上升時間及調(diào)節(jié)時間隨二系垂向剛度的變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，隨著二系垂向剛度和一系垂向剛度的增加，超調(diào)量、上升時間和調(diào)節(jié)時間均先減小后穩(wěn)定，其中隨著二系垂向剛度從0.5 MN/m增加到5 MN/m，三指標(biāo)逐漸穩(wěn)定，超調(diào)量減小20%左右，上升時間縮短10%左右，調(diào)節(jié)時間縮短近40%，由此可見車輛的可控性隨著二系垂向剛度的增大而變得更優(yōu)。

圖9 二系垂向剛度對控制系統(tǒng)的影響

2.2 二系垂向減振器阻尼/節(jié)點剛度對平穩(wěn)性的影響

考慮到減振器兩端的橡膠節(jié)點剛度，改變節(jié)點剛度，與減振器阻尼值聯(lián)合優(yōu)化。橡膠節(jié)點的剛度值取10～30 MN/m，間隔5 MN/m，參考一般車輛的垂向減振器阻尼特性，取阻尼范圍為10～50 kN?s/m。

車輛運行速度60 km/h，直線A級路面，附著系數(shù)取0.7。車輛垂向平穩(wěn)性和舒適度隨二系垂向減振器阻尼值的變化曲線如圖10所示。

由圖10可得，隨著二系垂向減振器阻尼的增大，垂向平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)均減小，并逐漸趨于平穩(wěn)。在減振器阻尼值較大時，隨著二系垂向減振器節(jié)點剛度的增大垂向平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)均減小。

圖10 二系垂向減振器阻尼/節(jié)點剛度對平穩(wěn)性影響

文中還研究了二系垂向減振器阻尼/節(jié)點剛度對控制系統(tǒng)的影響，經(jīng)過計算得出基本沒有影響，不再贅述。

3 結(jié)論

（1）車體垂向平穩(wěn)性與舒適度指標(biāo)隨二系垂向剛度的增加而逐漸增大，且在剛度值大于15 MN/m后趨于穩(wěn)定。平穩(wěn)性指標(biāo)隨著二系垂向減振器阻尼值的增大而減小，在阻尼值增大到40 kN?s/m后逐漸趨于平穩(wěn)。

（2）循跡控制的響應(yīng)超調(diào)量、上升時間及調(diào)整時間均隨二系垂向剛度的增大而減小，且在剛度值大于5 MN/m后基本保持不變，可見適當(dāng)?shù)卦龃蠖荡瓜騽偠饶芴岣呦到y(tǒng)的可控性。

（3）基于前面的分析可以看出二系垂向剛度對虛擬軌道車輛的平穩(wěn)性和可控性的影響是互相矛盾的，提高可控性就會降低平穩(wěn)性，反之亦然。由此可以為二系垂向剛度選取一個折衷值，可以看出可控性在剛度值大于5 MN/m之后基本不再變得更優(yōu)，而此時車輛的平穩(wěn)性指標(biāo)也比較好。綜合而言，當(dāng)二系垂向剛度在5 MN/m左右時，能在保持較好的平穩(wěn)性前提下兼顧車輛的可控性。

同時，當(dāng)二系垂向減振器的阻尼值取40～50 kN?s/m時，車輛的平穩(wěn)性較優(yōu)。

從研究的虛擬軌道車輛懸掛參數(shù)對其平穩(wěn)性和可控性的影響可以看出，對懸掛參數(shù)進行優(yōu)化匹配可以使虛擬軌道車輛兼顧平穩(wěn)性與可控性，為今后的虛擬軌道車輛二系垂向剛度及阻尼的取值范圍提供理論參考。