速差轉向輪式車輛轉向阻力系數(shù)模型

速差轉向輪式車輛轉向阻力系數(shù)模型

車輛轉向載荷通過傳動裝置，向兩側傾斜的發(fā)動機汽車允許向汽車兩側傾斜。這些車輛可以實現(xiàn)原地轉向與零半徑轉向,能夠得到比傳統(tǒng)幾何轉向的輪式車輛更好的機動性能。由于輪式速差轉向車輛的轉向裝置和履帶車輛相似,所以目前主要借用履帶車輛的轉向理論。但由于輪式車輛與履帶車輛在行動裝置上的差別,履帶車輛轉向理論并不能很好地解釋輪式車輛的轉向過程。本文中利用實車進行轉向載荷測試,獲得某些典型轉向工況下的轉向載荷;對車輛不同轉向工況下的功率分配規(guī)律進行理論研究;分析路面條件、整車參數(shù)和轉向工況等對轉向機構載荷的影響及其權重。對理論分析和仿真結果進行驗證,根據(jù)試驗結果,對仿真模型進行改進、優(yōu)化和完善,使其更符合速差轉向的多輪驅動車輛轉向的實際運行工況。1模型中轉向阻力的確定速差轉向車輛在進行轉向時,輪胎將出現(xiàn)非線性側向滑動。在此過程中,輪胎的垂向載荷不僅縱向分布不均勻,在橫向也具有非均勻特性,此時輪胎起滑點延伸為起滑曲線,如圖1所示。圖中2a、2b分別為輪胎接地區(qū)長度和寬度;D1、D2分別為彈性變形區(qū)域和滑移區(qū)域;y=ψ(x)為起滑曲線。速差轉向過程中的總側向力為Fyij=∫∫D1qyijdS+∫∫D2μsqzijdS(1)Fyij=∫∫D1qyijdS+∫∫D2μsqzijdS(1)式中:qyij為輪胎側向載荷分布函數(shù);qzij為輪胎印跡載荷分布函數(shù);μs為當?shù)仂o摩擦因數(shù)。圖2為輪式車輛轉向時輪胎印跡上轉向阻力的分布,其中F1、F2分別為轉向時車輛內、外側輪胎牽引力。當車輛在水平地面上轉向時,所受的縱向力和側向力(轉向阻力)對車輛平面中心C點取矩,就形成了轉向時的兩個外力矩,這就是車輛的地面轉向阻力矩和轉向驅動力矩。轉向時地面的轉向阻力矩Tz主要是地面轉向阻力Fyij所造成的。由圖2可知,地面轉向阻力與車輛平面中心C點的距離為x0j+Dxij,其中Dxij為輪胎(編號ij)的拖距,將轉向阻力對平面中心C點取矩,可得地面轉向阻力矩為Τz=2∑i=14∑j=1[Fyij(x0j+Dxij)](2)Tz=∑i=12∑j=14[Fyij(x0j+Dxij)](2)定義轉向阻力系數(shù)為轉向阻力與整車重力的比值,并令L=x01+x04為1、4軸之間的軸距,參考履帶車輛轉向阻力計算公式:Tz=μGL/4,得到輪式速差轉向車輛的轉向阻力系數(shù)表達式為μ=4Tz/(GL)(3)根據(jù)式(1)計算各個不同轉向半徑下地面的轉向阻力Fyij,并計算轉向阻力和對應的轉向阻力系數(shù)。若將轉向半徑R與輪距B的比值定義為相對轉向半徑ρ,即ρ=R/B,則通過多次計算發(fā)現(xiàn),輪式車輛速差轉向的轉向阻力系數(shù)近似滿足如下擬合公式:μ=μmax/(a0+b0ρm)(4)式中:μmax為輪式車輛速差轉向的最大轉向阻力系數(shù),常數(shù);a0、b0和m為擬合參數(shù)。為驗證此輪式車輛速差轉向的最大轉向阻力系數(shù)模型,并給出合適的參數(shù)值,須進行實車測試。2試驗原理和試驗計劃2.1車輛轉向阻力系被試車輛為國產某型全輪驅動全地形車,其傳動簡圖如圖3所示,同側車輪之間通過同步帶傳動。該車采用零差速式雙功率流液壓無級轉向機構,利用變量泵驅動定量馬達,實現(xiàn)無級轉向。試驗車液壓馬達的兩側油路均布置了壓力傳感器,當試驗車以不同的轉向半徑轉彎時,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量轉向液壓馬達的油壓數(shù)值,用于反映轉向阻力的變化規(guī)律;同時測量實際的轉向半徑,以建立轉向阻力系數(shù)與相對轉向半徑的函數(shù)關系,完成輪式速差轉向車輛的轉向阻力系數(shù)的測定。轉向機輸出端為液壓馬達,其輸出轉矩TM為TM=(F1+F2)rr/[(1+k)icηc](5)式中:rr為車輪滾動半徑;ic為傳動系統(tǒng)傳動比;ηc為傳動系統(tǒng)機械效率;k為匯流行星排參數(shù)。轉向定量馬達的轉矩TM由下式給出:TM=ΔpVMηm/(20π)(6)式中:Δp=p1-p2,p1、p2為液壓馬達進、出油路油壓;VM為馬達排量;ηm為馬達機械效率。將式(6)代入式(5),并經過整理得到:F1+F2=Δp(1+k)icVΜηcηm2πrr(7)F1+F2=Δp(1+k)icVMηcηm2πrr(7)作用在兩側輪胎上的縱向力F1、F2是驅動車輛轉向的主動力,二者對于車輛幾何中心的轉矩即為轉向主動力矩Td,由圖2可知:Td=(F1+F2)B/2(8)式中:B為輪距。將式(7)代入式(8),可得Τd=Δp(1+k)icVΜηcηm4πrrB(9)勻速轉向時,有Td=Tz,再根據(jù)式(3)和式(9)可得μ=BGL?(1+k)icVΜηcηmπrrΔp(10)除測量值Δp外,式(10)中的參數(shù)均為常數(shù),所以通過測量Δp即可完成轉向阻力系數(shù)的測定。2.2測試系統(tǒng)的搭建根據(jù)實車測試的特點,選用CRONOS-PL-2動態(tài)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)采用PC-aided方式實現(xiàn)測量信號的在線監(jiān)視,整個系統(tǒng)最多可支持512個通道,單機總采樣頻率為400kHz。雙采樣率可以將高速通道和低速通道進行分組,對總采樣率進行最大優(yōu)化。通過平均或其它處理方式,數(shù)據(jù)存儲的速率可每通道單獨設定。保證系統(tǒng)的各種輸入和輸出通道完全同步,這在多臺系統(tǒng)組成的測試網絡里特別重要。整個測試采集系統(tǒng)的實車安裝見圖4。試驗場地為南方某試車場的水平黏土路面。試驗內容為:(1)車輛進行中心轉向,測定轉向油壓數(shù)值;(2)掛1擋,保持車速和轉向盤轉角,測量1擋行進間的轉向油壓數(shù)值;(3)停車,測量車輛在步驟(2)中的轉向半徑;(4)升擋,重復(2)、(3)兩步試驗,得到2～4擋的轉向油壓數(shù)值及相應的轉向半徑;(5)再將(2)～(4)步試驗重復兩次。3轉向阻力曲線的繪制試驗得到中心轉向油壓數(shù)據(jù)1組,行進間轉向油壓數(shù)據(jù)12組。選取各擋具有代表性的試驗曲線,并根據(jù)相應的工況,分別按照履帶車輛和輪式速差轉向車輛的轉向阻力模型計算對應理論油壓值,繪制于同一曲線圖中。試驗結果如圖5～圖9所示。測量得到的油壓數(shù)據(jù)通過式(10)處理可得轉向阻力系數(shù)μ;再根據(jù)對應的轉向半徑測量數(shù)據(jù),得到轉向阻力系數(shù)-相對轉向半徑關系曲線,即如圖10所示的μ-ρ關系曲線。將式(4)所示的轉向阻力系數(shù)模型繪制在同一曲線圖中(各參數(shù)取值:a0=0.935,b0=0.1776,m=1.45),通過與擬合曲線的對比表明,轉向阻力系數(shù)模型的精度尚可接受。4轉向阻力系數(shù)模型的擬合曲線本文中基于輪式速差轉向車輛行動裝置的特點,參考履帶車輛轉向理論,提出了輪式車輛轉向阻力系數(shù)模型。通