【摘要】：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和軍事的更高需求,多軸轉(zhuǎn)向車輛在各個領(lǐng)域都得到了越來越多的應用。但是其尺寸過大和載重量過重的特點也導致這種車輛的低速靈活性和高速穩(wěn)定性得不到可靠的保證,增加了對其控制的難度。車輛車軸數(shù)量的增加使得對車輛各軸的轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制變得更加困難,不當?shù)霓D(zhuǎn)角關(guān)系還將會加劇各軸輪胎的磨損程度。而合理有效的轉(zhuǎn)角控制技術(shù)對改善以上問題能起到關(guān)鍵性的作用。圍繞上述問題,本文以某六軸轉(zhuǎn)向起重車輛為研究對象,對阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系下的轉(zhuǎn)向特性展開深入研究。并進一步考慮多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向形式的多樣化,研究其非阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系時的轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)角控制更有實際意義。因而,針對不同研究側(cè)重點,文中提出了四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型。使多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向技術(shù)在任意轉(zhuǎn)角關(guān)系下都能擁有統(tǒng)一的研究方法。最后采用面向模型跟蹤控制的等效轉(zhuǎn)向模型作為基礎(chǔ),提出了一種分層轉(zhuǎn)向控制策略對車輛的各軸進行轉(zhuǎn)角控制,并表現(xiàn)出了多目標最優(yōu)的控制效果。本文主要開展了以下研究工作:首先,采用拉格朗日動力學建模方法推導建立了三自由度非線性多軸車輛模型。模型包括油氣懸架子模型、輪胎子模型、公路行駛模式下的轉(zhuǎn)向子模型。進行油氣懸架建模時,本文采用試驗結(jié)合曲線擬合的方式對其進行建模。利用高頻往復振動模擬油氣懸架的阻尼特性,低頻往復振動模擬油氣彈簧的剛度特性。這種試驗性建模方法實用性強,且與真實系統(tǒng)的吻合度高。本文采用郭孔輝教授提出的Uni Tire半經(jīng)驗模型對輪胎的純側(cè)偏工況進行建模,并將其嵌入至整車模型中。文中針對公路轉(zhuǎn)向模式建立了相應的轉(zhuǎn)向模型。最后采用實車試驗的方式對所建模型進行了驗證。其次,本文對車輛的不同轉(zhuǎn)向模式和各種轉(zhuǎn)向模式所具有的特點進行了較詳細的闡述。針對多軸車輛低速靈活性的問題,文中采用最小轉(zhuǎn)向空間為優(yōu)化目標的方法對車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑進行了求解,優(yōu)化量為各軸轉(zhuǎn)角,限制條件為阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系下的各軸轉(zhuǎn)角偏差不超過2°。按此方法,最終所得的最小轉(zhuǎn)彎半徑不超過6m,極大的提高了多軸車輛的低速轉(zhuǎn)向靈活性。再次,結(jié)合所建立的二自由度線性車輛模型以及相應的推導結(jié)果,對車輛的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性進行了深入研究。文中提出了等效轉(zhuǎn)向中心距和等效質(zhì)心側(cè)偏角系數(shù)的概念,并與所推導的等效軸距和等效穩(wěn)定性系數(shù)一起作為車輛穩(wěn)態(tài)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的研究基礎(chǔ)。通過選取不同的轉(zhuǎn)向中心距對車輛轉(zhuǎn)向特性的影響進行了定性的分析。同時為了更好的選擇輪胎側(cè)偏剛度,還以不同的輪胎側(cè)偏剛度對車輛轉(zhuǎn)向特性的影響做了定性分析。最后文中從頻域、復域和時域的角度對車輛的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性進行分析研究。同樣,也選取不同的轉(zhuǎn)向中心距對多軸轉(zhuǎn)向車輛的各瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性參數(shù)進行了對比分析。然后,考慮到多軸轉(zhuǎn)向車輛的大部分轉(zhuǎn)向模式都是非阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系,為了進一步研究非阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系下的多軸轉(zhuǎn)向特性的統(tǒng)一表征方法。文中提出了四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型,分別是針對橫擺率控制的“橫擺等效模型”(第一種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)、質(zhì)心側(cè)偏角控制的“側(cè)偏等效模型”(第二種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)、理想模型跟蹤控制的“橫擺—側(cè)偏等效模型”(第三種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)、適用于轉(zhuǎn)向特性分析的“橫擺—側(cè)偏二元等效模型”(第四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)。前三種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型屬于一元等效,計算方便,精度稍低,但在控制的上層決策中使用可以達到精度和計算效率兼顧的效果。第四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型屬于二元等效,計算偏復雜,精度很高,用于對非阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系下的轉(zhuǎn)向特性分析將會得到較精確的分析結(jié)果。最后,為了說明所提出的四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型的有效性,分別從時域、復域、頻域的角度對其做了詳細的論述。結(jié)果表明,所提出的四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型具有較高的可靠性,可作為非阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系下的多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的理論研究基礎(chǔ)。最后,由于車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角都需進行控制,又兼顧計算效率和精度,本文選取第三種“橫擺—側(cè)偏等效模型”作為控制策略的理論基礎(chǔ),設(shè)計一種包含三層控制的轉(zhuǎn)角控制器。根據(jù)理想車輛模型和目標車輛模型對上層控制進行設(shè)計。根據(jù)輪胎均勻化磨損對各軸側(cè)偏角的要求,再結(jié)合上層控制的框架,即可分配下層的各軸轉(zhuǎn)角量。最后通過微調(diào)控制層對各軸轉(zhuǎn)角進行微調(diào),即以犧牲最小的各軸輪胎側(cè)偏角的均勻性來換取目標車輛最好的跟蹤理想車輛狀態(tài)參數(shù)的目的,從而達到車輛的操穩(wěn)性能和輪胎磨損性能的最優(yōu)控制效果。結(jié)果表明,本文所提出的MOC控制策略不僅提升了多軸轉(zhuǎn)向車輛的低速靈活性和高速穩(wěn)定性,并對減輕各軸輪胎磨損起到了很好的控制效果。本文主要創(chuàng)新點如下:(1)建立了多軸轉(zhuǎn)向車輛的非線性三自由度動力學數(shù)學整車模型。其中的懸架模型采用試驗曲線擬合的方式建立,并分別以高頻和低頻模擬油氣彈簧阻尼和剛度特性。以此整車模型為基礎(chǔ),進行多軸轉(zhuǎn)向車輛的多目標轉(zhuǎn)角控制研究;(2)提出了等效轉(zhuǎn)向中心距和等效質(zhì)心側(cè)偏角系數(shù)的概念,結(jié)合等效軸距和等效穩(wěn)定性系數(shù),統(tǒng)一表達多軸轉(zhuǎn)向車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。并且這一概念的提出也讓瞬時轉(zhuǎn)向中心距有了更標準的表達形式和更明確的物理意義;(3)提出了四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型�？筛鶕�(jù)具體的控制需要選擇前三種一元等效模型中的一種來使用,而精度較高的第四種二元等效模型更適合用于對多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向特性分析中;(4)基于第三種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型理論,提出了適合于以多軸轉(zhuǎn)向車輛操穩(wěn)和輪胎磨損為多控制目標的分層轉(zhuǎn)角控制策略。并使該多軸轉(zhuǎn)向車輛達到多目標轉(zhuǎn)角最優(yōu)控制效果。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U463.4
【圖文】：

對于軍用而言，使用最多的是多軸轉(zhuǎn)向?qū)椳�、裝甲車以及貨車。當代高科技戰(zhàn)爭的特點決定了軍用車輛的重型化、多軸化和復雜化。首先是武器裝備的重型化和復雜化必定要求與其配套的車輛也有承擔相應重型化和復雜化的能力。其次，要在極短時間內(nèi)集齊大量的消耗物資補給也必要要求作為勤務運輸工具的補給車輛重型化。作為現(xiàn)代軍隊戰(zhàn)斗力四大要素之首的機動性要求軍用車輛具有良好的轉(zhuǎn)運和投送能力，并且保證在一定載重的基礎(chǔ)上能夠快速穩(wěn)定的通過各種路段[1]。（a）多軸轉(zhuǎn)向貨車 （b）多軸轉(zhuǎn)向工程車

（c）臺架試驗中的蓄能器和閥塊等原件圖 2.2 油氣彈簧及臺架試驗彈簧的剛度特性和阻尼特性數(shù)據(jù)，本文對油氣彈分別模擬油氣彈簧的剛度和阻尼特性。如表 2.1 所體參數(shù)細節(jié)。表 2.1 油氣彈簧試驗工況 幅值 (m) 頻率 (Hz) 0.05 0.05 0.05 0.54 彈簧的下端固定在試驗臺上，上端與試驗臺的頂可以做一定頻率的往復運動，油氣彈簧即跟隨臺移傳感器和力傳感器將位移值和力值通過數(shù)采系

第 2 章 多軸轉(zhuǎn)向車輛的整車動力學模型為車輛靜止時的位置，所以在平衡點時油氣彈簧表現(xiàn)出一定的，受拉升為正）。圖中的藍色點構(gòu)成的曲線為試驗曲線，而黑色中可以看出，因為是在低頻工況下，所以此試驗曲線已經(jīng)相當模擬油氣彈簧的剛度特性。由圖中曲線可以得到位移-力擬合曲3 2 5 350.1307 0.4912 4.3 10 3.2484 10 (KN)sF x x x = + × + × ···剛度擬合曲線為：3 -5 20.4912 8.6 10 9.7452 10 (KN/mm)sk x x = × + × ··········

【參考文獻】

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1 陳翔;許男;郭孔輝;;基于Padé模型降階法的車輛側(cè)傾動力學研究[J];農(nóng)業(yè)工程學報;2017年17期

2 于祥歡;孫大剛;何成林;;九軸全地面起重機轉(zhuǎn)向模式及其性能研究[J];太原科技大學學報;2017年04期

3 葛明此;史青錄;何成林;邵波;;九軸全地面起重機三種轉(zhuǎn)向模式分析[J];太原科技大學學報;2017年03期

4 馮威;;全鋼載重子午胎發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望和建議[J];中國橡膠;2016年06期

5 袁磊;劉西俠;劉維平;姚新民;劉明遠;;三軸車輛多模式全輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計[J];裝甲兵工程學院學報;2015年05期

6 朱亞夫;丁宏剛;張小江;李想;;多軸車輛輪胎側(cè)偏磨耗控制方法[J];機械設(shè)計與制造;2015年09期

本文編號：2798783