電動叉車線控轉向系統的設計

摘要：叉車多用于擁擠的廠房、碼頭等地，貨物沉重，因此需具備良好的轉向特性。線控轉向系統對以往的轉向系統進行了改善，能夠達到叉車的靈活性與穩定性的要求。根據理想傳動比的概念，以叉車線控轉向系統為研究對象，結合叉車自身特點與對轉向特性的要求，設計以車速、方向盤轉角為變量的變傳動比函數，運用模糊控制策略建立傳動比函數。此設計進一步改善了叉車轉向系統的轉向性能，提高了保證系數。根據TE30型托盤搬運叉車的數據進行實際計算和分析，利用模糊控制的方法設計的傳動比函數能夠根據車速與方向盤轉角精確的計算出相應的傳動比，使轉向輪獲得相應的轉角，滿足叉車對轉向特性的要求。

關鍵詞：叉車；線控轉向系統；靈敏度；傳動比

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

0引言

叉車是最為常見專用車輛，其工作場所、運輸對象等因素決定了其要有較高的轉向特性。線控轉向系統經過幾代轉向系統的改善與發展，省去了轉向盤與轉向執行機構之間的機械連接機構，由電機提供轉向力矩和路感信息，實現了對車輛轉向系統的主動控制，提高了車輛的操縱穩定性，使用于叉車轉向系統。

本文以TE30型電動叉車為研究對象，闡述線控轉向系統的原理，介紹其組成部件，分析其數學模型。傳動比可根據駕駛員駕駛的舒適度進行自由設計是線控轉向系統最大的特點，因此設計線控轉向系統重點在于設計傳動比函數。橫擺角速度增益是車輛操作穩定性的指標之一，本文用其衡量傳動比函數設計的合理性。

1 線控轉向系統工作原理與模型

線控轉向系統由五個部分組成，分別為：轉向盤總成、轉向執行總成、控制器（ECU）、自動防故障系統和電源。

1.1線控轉向系統工作原理

線控轉向系統的工作原理：當駕駛員轉動把手（即方向盤）時，傳感器將轉矩信號、轉角信號及車速信號等轉換為電信號并傳遞給主控制器ECU，ECU對這些傳感器傳來的信號進行分析與計算并發出控制控制轉向電機的指令，最終實現車輪的轉向。

沒有了轉向盤與把手之間的機械連接，傳動比也不再是固定值。

1.2線控轉向系統模型

TE30型電動叉車相對于其他叉車結構較為簡單，建模時可忽略非線性部分進行合理簡化，簡化為只包含把手、轉向軸、轉向電機、齒輪和轉向輪等幾個重要動力學元件的物理模型。

轉向手把模塊數學模型：

（1）

1.路感電機模型

（2）

路感電機電樞回路的方程為：

（3）

（4）

由電機機械特性有：

（5）

由克希霍夫定律有：

（6）

電磁轉矩方程為：

（7）

2.轉向輪及轉向機構[ ]：

（8）

2變傳動比函數的設計

2.1傳動比的概念

傳動比定義為轉向把手轉角 與轉向輪轉角 的比[2]，用 表示，表達式如下：

（9）

轉向增益是轉向系統的重要參數，其有兩種表述，一種是橫擺角速度 與轉向手把轉向角 的比，用 表示；另一個是橫擺角速度 與前輪轉角 比，用 表示。穩態條件下，根據二自由度整車模型，可得：

（10）

（11）

（12）

將式（12）變形得到：

（13）

其中，

由上式可知，傳動比與車輛參數、車速、轉向角和橫擺角速度有關。

2.2分析影響傳動比的因素

當車輪轉一個很小的角度時，為提高轉向系統的精確性，此時把手的轉角應增大，即傳動比的值較大使系統響應“遲鈍”；當車輪轉一個較大的角度時，為保證系統響應速度，此時把手的轉角應較小，即傳動比的值較小使系統“靈活”。這樣就解決了系統反應精度與速度之間的矛盾，降低駕駛員負擔。由此可知，傳動比與轉向角有關，根據以上分析將傳動比設計為與轉向角成倒U形的函數。

當電動叉車行駛速度較低或是靜止轉向時，靜摩擦力使得轉向阻力矩較大，此時駕駛員體力消耗較大，為使轉向“輕便”減小駕駛員的體力消耗傳動比的值應小些；當電動叉車高速行駛轉向時，由于動摩擦力較小，相應的轉向阻力矩也很小，為防止電動叉車“發飄”傳動比的值應大些，使橫擺角速度增益減小，提高叉車的操縱穩定性。

2.3傳動比的確定

電動叉車的行駛速度一般限制在15km/h以內，與其他車輛相比車速較慢，可將傳動比劃分為三個等級，如式（21）所示。 （24）

當車速小于 時，傳動比設為定值 。由于方向盤轉到最大角度 時，叉車的前輪轉角極限值為 此時轉向系統的傳動比為

（21）

當車速大于 時，輪胎能夠提供的側向力達到了極限值，因此，轉向系統的傳動比不能再增大，此時為最大值 。

根據轉向系統理想傳動比公式確定 1。結合叉車的特殊性和吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室得出結論可知，橫擺角速度增益 0.4時駕駛員的主觀評價和感覺最好[24]，從而確定 13.66，取整數13。

以上分析與計算都是靜態下得到的結果，但叉車實際行駛中經常處于動態過程。因此提出變傳動比模糊控制。

上述分析與計算是在靜態特性下得出的結果，但實際上叉車行駛是處在動態過程，所以提出變傳動比模糊控制。

3模糊變傳動比控制器設計

傳動比與車速和方向盤轉角有關，因此車速 和轉向盤轉角 作為該控制器的輸入，傳動比 為輸出[7]。 和 為輸入量化因子， 為輸出比例因子。車速 和轉向盤轉角 的精確量經量化后，實現由精確量向模糊量的轉化，再經過模糊控制決策和推理后送到解模糊化部分，實現模糊亮相精確量的轉化，輸出量經比例因子后得到精確量傳動比 的輸出[8-9]。

TE30型電動叉車車速在[0，15]km/h，方向盤轉角范圍為[-90，90]度，輸出傳動比范圍在[1，13]。比例因子 2， 1， 1。變量 、 、 分別取7個級別的語言值，即PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。（零）、NS（負?。?、NM（負中）、NB（負大），每一級別對應一個語言變量[10]。

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應語言值為{0，5，10，15，20，25，30}；

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應語言值為{-90，-60，-30，0，30，60，90}；

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應語言值為{1，2，4，6，8，10，13}。

本系統的模糊控制規則可歸納成表1。

表1車速、方向盤轉角兩輸入變傳動比模糊控制規則表

v

NBNMNSZPSPMPB

NBNBNBNMNSZPSPM

NMNMNMNSZPSPMPB

NSNSNSZPSPSPMPB

ZZZPSPSPMPBPB

PSNSNSZPSPMPMPB

PMNMNMNSZPMPMPB

PBNBNBNMNSPSPSPM

4結束語

目前線控轉向系統普遍用于乘用車輛，本文將線控轉向系統用在電動叉車上，對于電動叉車的發展有著啟發性的意義。

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