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(yè)大學(xué)交通學(xué)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(yè)，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(qū)執(zhí)行林火巡護工作，視察林火危機和實現(xiàn)林火早期撲救工作。由于ATV經(jīng)常在特殊的環(huán)境中作業(yè)，所以ATV需具有很好的機動性和良好的轉(zhuǎn)向運動特性［1-2］。但是受研究目的、駕駛?cè)蝿?wù)、人為感覺及環(huán)境條件等多種因素的影響，車輛轉(zhuǎn)向運動特性的研究和評價錯綜復(fù)雜。關(guān)于這方面的研究很多，也提出了不同的數(shù)學(xué)模型、評價指標(biāo)、實驗方法及實驗手段［3-4］，但還沒有一致認(rèn)可的客觀定量評價轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向運動性能。論文根據(jù)所研究的全路況車輛的實際運行工況設(shè)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(wěn)態(tài)運動特性和瞬態(tài)響應(yīng)特性［5-6］，并對結(jié)果進(jìn)行了評價。

1 測試裝置和測試系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于記錄實驗中測量的數(shù)據(jù)。

(5)ZL—1L型轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀，用于測量方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩。

(6)電源穩(wěn)壓器，為陀螺儀提供穩(wěn)定的直流電源。

(7)直流逆變器，用于將電瓶電源轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

(9)其他，電源線、數(shù)據(jù)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(wěn)態(tài)圓周運動和瞬態(tài)響應(yīng)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(jìn)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(wěn)定行駛，到圓周路段急速轉(zhuǎn)動方向盤，使車輛沿圓弧行駛，進(jìn)入圓弧路徑并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，試驗結(jié)束，記錄試驗數(shù)據(jù)。在試驗過程中保持方向盤轉(zhuǎn)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(shù)。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(wěn)態(tài)圓周運動操縱穩(wěn)定性分析

車輛的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)是當(dāng)給車輛一個轉(zhuǎn)角輸入以后車輛發(fā)生運動狀態(tài)的改變，在保持這樣的轉(zhuǎn)角不變時車輛將進(jìn)入穩(wěn)態(tài)圓周運動，其運動參數(shù)不隨時間而改變。在這個過程中，車輛轉(zhuǎn)向之前是穩(wěn)態(tài)，保持轉(zhuǎn)角進(jìn)入圓周運動也是穩(wěn)態(tài)，在兩個穩(wěn)態(tài)之間的運動狀態(tài)即為車輛的瞬態(tài)響應(yīng)過程，在圖2中的初始運動過程即為汽車的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn) ［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(cè)向加速度時的轉(zhuǎn)彎半徑，m;ay是側(cè)向加速度，m/s2。

根據(jù)獲得R和ay的數(shù)據(jù)，得到表1，R/Ro是轉(zhuǎn)彎半徑之比，當(dāng)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(shù)Tab.1 Parameters of circular motion at different speeds

根據(jù)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(guān)系，且斜率大于1，這表示研究的ATV具有不足轉(zhuǎn)向特性;圖4中R/Ro-ay曲線呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，R/Ro隨著ay的增加而增加，這個結(jié)果與日本Journal of Motor Fan所做的桑塔納Xi5的道路測試結(jié)果一致。

2.2 瞬態(tài)響應(yīng)特性分析

圖2中，當(dāng)車速從5～30 km/h，可以得出瞬態(tài)變化過程中全路況車的反應(yīng)時間、峰值時間、超調(diào)量和穩(wěn)定時間，見表2。

表2 不同車速時瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)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(tài)反應(yīng)時間為0.18～0.21 s，峰值時間為0.2～0.4 s，反應(yīng)超調(diào)量為111%～129%，穩(wěn)定時間約為0.8～1.2 s。上述數(shù)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(zhì)量輕、操縱靈活，所以比較適用于特殊的林區(qū)道路條件下使用。

3 結(jié)論

從ATV穩(wěn)態(tài)圓周運動試驗結(jié)果可以得出該車具有不足轉(zhuǎn)向特性，從車輛的瞬態(tài)響應(yīng)過程分析得到所研究的車輛瞬態(tài)響應(yīng)較為穩(wěn)定，各項響應(yīng)參數(shù)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(shù)為0.7)，ATV車輛的試驗測試還應(yīng)該包括非常規(guī)路面，例如石子路、沼澤地和山區(qū)等，這些研究將在以后進(jìn)行。

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