某全路況車輛圓周運動特性試驗分析

曹艷瓊，閻春利，李東東，高春斌

(東北林業大學交通學院，哈爾濱150040)

全路況車 (All Terrain Vehicle，簡稱ATV)車身輕便、操作簡單，可在非道路條件 (森林、沼澤和沙灘等)下作業，是良好的非道路運輸交通工具。如果配備滅火裝置，例如水箱和強力滅火裝置，車輛可以在林區執行林火巡護工作，視察林火危機和實現林火早期撲救工作。由于ATV經常在特殊的環境中作業，所以ATV需具有很好的機動性和良好的轉向運動特性［1-2］。但是受研究目的、駕駛任務、人為感覺及環境條件等多種因素的影響，車輛轉向運動特性的研究和評價錯綜復雜。關于這方面的研究很多，也提出了不同的數學模型、評價指標、實驗方法及實驗手段［3-4］，但還沒有一致認可的客觀定量評價轉向運動特性的最佳方法。本文采用一種圓周運動試驗的方法來分析車輛的轉向運動性能。論文根據所研究的全路況車輛的實際運行工況設計了良好路面的圓周運動試驗，分析了圓周運動試驗中的穩態運動特性和瞬態響應特性［5-6］，并對結果進行了評價。

1 測試裝置和測試系統的組成

實驗用的測試儀器和裝置包括:

(1)CTM2002汽車拖拉機綜合測試儀，用于測定車輛的行駛速度。

(2)光電傳感器，為CTM2002汽車拖拉機綜合測試儀采集車速信號。

(3)VG700AA/AB陀螺儀 (六自由度)，用于測量車輛行駛過程中的角度、角加速度及速度。

(4)DEWE-43-V數據采集系統，用于記錄實驗中測量的數據。

(5)ZL—1L型轉向參數測試儀，用于測量方向盤的轉角和轉向力矩。

(6)電源穩壓器，為陀螺儀提供穩定的直流電源。

(7)直流逆變器，用于將電瓶電源轉換為220V交流電源。

(8)筆記本一臺，實時采集、顯示和記錄實驗數據并進行處理。

(9)其他，電源線、數據線及卡頭若干。

2 車輛圓周運動試驗

圖1 圓周運動試驗路徑Fig.1 Circular motions experiment route

車輛的圓周運動試驗過程包括穩態圓周運動和瞬態響應運動，本試驗將二者合并一起完成。ATV車輛的圓周運動試驗選擇在良好的水泥路面上進行。試驗時在地面畫一段半徑為15 m的圓，開始試驗時，車輛以5km/h的速度直線穩定行駛，到圓周路段急速轉動方向盤，使車輛沿圓弧行駛，進入圓弧路徑并達到穩定狀態，試驗結束，記錄試驗數據。在試驗過程中保持方向盤轉角在固定位置不變至少3 s，測量車輛的橫擺角速度。增加車速，分別為 10 km/h、15 km/h、18 km/h、20 km/h、25 km/h和30 km/h，并記錄不同車速下的測量參數。試驗路徑 (如圖1所示)和圓周運動的橫擺角速度測量曲線如下 (如圖2所示)。

2.1 穩態圓周運動操縱穩定性分析

車輛的穩態反應是當給車輛一個轉角輸入以后車輛發生運動狀態的改變，在保持這樣的轉角不變時車輛將進入穩態圓周運動，其運動參數不隨時間而改變。在這個過程中，車輛轉向之前是穩態，保持轉角進入圓周運動也是穩態，在兩個穩態之間的運動狀態即為車輛的瞬態響應過程，在圖2中的初始運動過程即為汽車的瞬態響應。根據文獻 ［7］～［8］得出汽車在圓周運動中公式:

式中:u是汽車的速度，km/h;r是橫擺角速度，(°/s);R是汽車具有橫擺角速度和側向加速度時的轉彎半徑，m;ay是側向加速度，m/s2。

根據獲得R和ay的數據，得到表1，R/Ro是轉彎半徑之比，當車速很低時，ay接近于零。

表1 汽車在不同速度下圓周運動的參數Tab.1 Parameters of circular motion at different speeds

根據表1，繪制R/Ro-u2曲線，如圖3所示;曲線R/Ro-ay，如圖4所示。

圖3 R/Ro-u2曲線Fig.3 R/Ro-u2curve

圖4 R/Ro-ay曲線Fig.4 R/Ro-aycurve

從圖3中可以看出R/Ro與u2呈比例關系，且斜率大于1，這表示研究的ATV具有不足轉向特性;圖4中R/Ro-ay曲線呈指數函數關系，R/Ro隨著ay的增加而增加，這個結果與日本Journal of Motor Fan所做的桑塔納Xi5的道路測試結果一致。

2.2 瞬態響應特性分析

圖2中，當車速從5～30 km/h，可以得出瞬態變化過程中全路況車的反應時間、峰值時間、超調量和穩定時間，見表2。

表2 不同車速時瞬態響應參數Tab.2 Transient-state response parameters at different speeds

從表2可以看出，所研究的全路況車的瞬態反應時間為0.18～0.21 s，峰值時間為0.2～0.4 s，反應超調量為111%～129%，穩定時間約為0.8～1.2 s。上述數值低于普通的乘用車，主要是因為所研究的全路況車體積小、質量輕、操縱靈活，所以比較適用于特殊的林區道路條件下使用。

3 結論

從ATV穩態圓周運動試驗結果可以得出該車具有不足轉向特性，從車輛的瞬態響應過程分析得到所研究的車輛瞬態響應較為穩定，各項響應參數低于普通的乘用車。本次試驗所選擇的路面為良好路面 (附著系數為0.7)，ATV車輛的試驗測試還應該包括非常規路面，例如石子路、沼澤地和山區等，這些研究將在以后進行。

［1］ Chen S，Tsai L，Chen J，et al.Steady-State Handling of Four-Wheeled All Terrain Vehicles(Atvs)［R］.SAE Paper 891117，1989.

［2］ Yan Chunli，Yu Jianguo.Transient and steady-state handling characteristics of forest fire patrolling vehicle based on ADAMS［A］.In:Proceedings of the 2010 Second International Conference on Multi-Media and Information Technology［C］，2010(1):210-212.

［3］陳 炎.汽車轉向運動數學模型的參數辨識［J］.汽車工程，1990(2):16-21.

［4］宗長富，郭孔輝.汽車操縱穩定性的客觀定量評價指標［J］.吉林工業大學學報(自然科學版)，2000，30(1):1-6.

［5］閻春利.全路況林火巡護與撲救車輛橫向穩定特性研究［D］，哈爾濱:東北林業大學，2010.

［6］李亮平，蘇初旺，謝美芝.汽車電子穩定程序控制策略的研究［J］.森林工程，2009，25(5):47-50.

［7］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［8］馬 丹，崔淑華.黑龍江省道路運輸綜合競爭力現狀的SWOT分析［J］.林業機械與木工設備，2011，39(1):41-42.