電源車穩(wěn)定性研究

李起華 張利軍 衛(wèi)中 戴建軍 成丁雨

摘要：研究以某電源車為例，通過其部件布局，對其質(zhì)心位置、輪荷分配進(jìn)行計算，探究其電源車橫向與縱向穩(wěn)定性，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，對其穩(wěn)態(tài)與制動轉(zhuǎn)向條件下瞬態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：電源車;穩(wěn)定性;質(zhì)心位置;輪荷分配;穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向

近年來，電源車以其操作簡單、移動速度、噪聲低等優(yōu)越性在電力通信維護(hù)、野外勘測以及搶險救災(zāi)等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[1]。電源車行駛穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)向性能直接影響著車輛整體性能，此次研究構(gòu)建了基于橫擺運(yùn)動與側(cè)向運(yùn)動轉(zhuǎn)向模型，對其質(zhì)心參數(shù)、輪載等影響穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向機(jī)順態(tài)相應(yīng)作用機(jī)理進(jìn)行分析。

1. 質(zhì)心位置及輪荷計算

圖1為某電源車簡圖，選擇底盤位置安裝放艙，會改變車輛原有的質(zhì)量及質(zhì)心位置，考慮到質(zhì)心位置會影響到轉(zhuǎn)向性能，首先要明確加裝艙體后質(zhì)心的位置。在計算質(zhì)心位置及軸荷時，需建立一個坐標(biāo)系，原點(diǎn)為過雙前軸中心垂線與地面的交點(diǎn)，X軸代表的是行駛方向，為正，Y軸代表的是寬度方向，Z軸表示的是垂直方向，其主要參數(shù)見表1：

電源車底盤為二類底盤，，總質(zhì)量最大為16500kg，最大設(shè)計軸荷為7000/7000/11000，輪距為1876mm，接近角/離去角為20/11?？傎|(zhì)量采用M= 表示，整裝質(zhì)心為： ，后軸荷載 。質(zhì)心距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離采用l表示，橫向穩(wěn)定性計算公式為 ，縱向穩(wěn)定性計算公式為 ，車輛底盤輪距采用B表示，C表示的是方艙整裝質(zhì)心與后橋距離[2]。將數(shù)據(jù)代入公式計算可以質(zhì)心位置Xg=2889mm，Yg=-6mm，Zg=1170mm，橫向與縱向穩(wěn)定性分別為1.65、0.67，均>0.6;前軸車輪負(fù)載為4029kg，后軸為4460kg。通過對其負(fù)荷參數(shù)分析，與負(fù)荷分布要求相符。

2. 電源車轉(zhuǎn)向運(yùn)動數(shù)學(xué)建模

研究綜合以往文獻(xiàn)，在汽車?yán)碚撆c車輛操縱力學(xué)基礎(chǔ)上針對電源車建立了關(guān)于轉(zhuǎn)向運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過簡化處理后的轉(zhuǎn)向運(yùn)動數(shù)學(xué)模型描述如下：假設(shè)汽車順X軸前進(jìn)速度不變，側(cè)向加速度<0.4g，保持輪胎側(cè)偏特性在線性范圍，此時側(cè)偏力與偏角呈現(xiàn)出明顯正相關(guān)[4]，研究不考慮轉(zhuǎn)向時輪胎荷載以及懸架運(yùn)動學(xué)的作用。將車輛質(zhì)心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，正方向即為電源車行駛方向，為X軸，與路面垂直向下為Z軸，采用右手法則確定Y軸正向。將電源車順X軸前進(jìn)速度作為定值，其運(yùn)動為Z軸橫擺運(yùn)動與Y軸側(cè)向運(yùn)動。二自由度微分方程計算公式如下：

其中質(zhì)心側(cè)偏角、電源車橫擺狀態(tài)下角速度分別采用β、 r表示，第i軸輪胎側(cè)偏剛度采用ki表示，電源車圍繞Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量采用Iz表示。電源車整體質(zhì)量表示方法為M，計量單位為kg。

3. 運(yùn)動特性及仿真分析

3.1穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向分析

穩(wěn)定性因數(shù)用字母K表示，假設(shè)K值為0，那么其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向呈現(xiàn)出中性轉(zhuǎn)向;假設(shè)K值>0，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向表現(xiàn)為不足轉(zhuǎn)向。隨著K值的增加，橫擺角速度增益曲線會呈現(xiàn)出降低趨勢，由不足逐漸向增大轉(zhuǎn)換。當(dāng)K值<0時，表現(xiàn)為過度轉(zhuǎn)向，通常，轉(zhuǎn)向特性穩(wěn)定性因數(shù)k>0表示達(dá)到理想轉(zhuǎn)向[4]?；贚i有正負(fù)值之分，需確保其分母<0，布置大型輪式起重機(jī)時，為確保其處于不足轉(zhuǎn)向特性，需要對軸間距、輪胎側(cè)偏剛度關(guān)系進(jìn)行控制，使其滿足 ，根據(jù)該公式可以得出，若穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性為0，那么 =0;假設(shè)電源車前輪胎側(cè)偏剛度與后輪胎相同，那么 。

從圖2可以看出，若電源車后輪輪胎側(cè)偏剛度大于前輪，即k1，k2k3，將黑色圓點(diǎn)位置作為參照，中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)會出現(xiàn)前移。由上可知，可以通過兩種方案獲得>0的穩(wěn)定性因數(shù)，第一種方案為對艙體內(nèi)設(shè)備進(jìn)行合理化布置，盡可能使質(zhì)心位置靠前，增強(qiáng)車輛不足轉(zhuǎn)向特性。第二種方案則是對輪胎側(cè)偏剛度分配做出相應(yīng)的調(diào)整，前輪側(cè)偏剛度作減少處理，適當(dāng)增加后輪側(cè)偏剛度，當(dāng)中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)后移后，車輛不足轉(zhuǎn)向特性會得到增強(qiáng)。

3.2順態(tài)分析

研究針對電源車在高速階躍小轉(zhuǎn)角狀態(tài)下以及急剎車轉(zhuǎn)向狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)心位置靠前時，會在一定程度上提升橫擺角速度相應(yīng)敏感性;當(dāng)處于急剎車狀態(tài)下，質(zhì)心靠前時，會導(dǎo)致車輛橫擺角速度超調(diào)量增加，該結(jié)果提示執(zhí)行指令會出現(xiàn)較大的誤差。如圖3所示，當(dāng)質(zhì)心靠前時，可以獲得更為平穩(wěn)的質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)。

結(jié)束語

通過本研究可以發(fā)現(xiàn)電源車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性會受到輪胎側(cè)偏剛度以及整裝質(zhì)心位置的影響，為提升電源車縱向穩(wěn)定性與不足轉(zhuǎn)向特性，可以在確保軸荷載滿足要求的基礎(chǔ)上，對艙內(nèi)布置結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的調(diào)整，適當(dāng)將質(zhì)心進(jìn)行前移。保持前輪胎側(cè)偏剛度小于后輪胎能夠有效改善車輛不足轉(zhuǎn)向特性。除此之外，電源車設(shè)計要充分考慮質(zhì)心位置、輪胎側(cè)偏剛度，明確多種因素對轉(zhuǎn)向性能的影響，以確保軸荷滿足需求。

參考文獻(xiàn)

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