速差转向轮式车辆转向阻力系数模型

速差转向轮式车辆转向阻力系数模型

车辆转向载荷通过传动装置，向两侧倾斜的发动机汽车允许向汽车两侧倾斜。这些车辆可以实现原地转向与零半径转向,能够得到比传统几何转向的轮式车辆更好的机动性能。由于轮式速差转向车辆的转向装置和履带车辆相似,所以目前主要借用履带车辆的转向理论。但由于轮式车辆与履带车辆在行动装置上的差别,履带车辆转向理论并不能很好地解释轮式车辆的转向过程。本文中利用实车进行转向载荷测试,获得某些典型转向工况下的转向载荷;对车辆不同转向工况下的功率分配规律进行理论研究;分析路面条件、整车参数和转向工况等对转向机构载荷的影响及其权重。对理论分析和仿真结果进行验证,根据试验结果,对仿真模型进行改进、优化和完善,使其更符合速差转向的多轮驱动车辆转向的实际运行工况。1模型中转向阻力的确定速差转向车辆在进行转向时,轮胎将出现非线性侧向滑动。在此过程中,轮胎的垂向载荷不仅纵向分布不均匀,在横向也具有非均匀特性,此时轮胎起滑点延伸为起滑曲线,如图1所示。图中2a、2b分别为轮胎接地区长度和宽度;D1、D2分别为弹性变形区域和滑移区域;y=ψ(x)为起滑曲线。速差转向过程中的总侧向力为Fyij=∫∫D1qyijdS+∫∫D2μsqzijdS(1)Fyij=∫∫D1qyijdS+∫∫D2μsqzijdS(1)式中:qyij为轮胎侧向载荷分布函数;qzij为轮胎印迹载荷分布函数;μs为当地静摩擦因数。图2为轮式车辆转向时轮胎印迹上转向阻力的分布,其中F1、F2分别为转向时车辆内、外侧轮胎牵引力。当车辆在水平地面上转向时,所受的纵向力和侧向力(转向阻力)对车辆平面中心C点取矩,就形成了转向时的两个外力矩,这就是车辆的地面转向阻力矩和转向驱动力矩。转向时地面的转向阻力矩Tz主要是地面转向阻力Fyij所造成的。由图2可知,地面转向阻力与车辆平面中心C点的距离为x0j+Dxij,其中Dxij为轮胎(编号ij)的拖距,将转向阻力对平面中心C点取矩,可得地面转向阻力矩为Τz=2∑i=14∑j=1[Fyij(x0j+Dxij)](2)Tz=∑i=12∑j=14[Fyij(x0j+Dxij)](2)定义转向阻力系数为转向阻力与整车重力的比值,并令L=x01+x04为1、4轴之间的轴距,参考履带车辆转向阻力计算公式:Tz=μGL/4,得到轮式速差转向车辆的转向阻力系数表达式为μ=4Tz/(GL)(3)根据式(1)计算各个不同转向半径下地面的转向阻力Fyij,并计算转向阻力和对应的转向阻力系数。若将转向半径R与轮距B的比值定义为相对转向半径ρ,即ρ=R/B,则通过多次计算发现,轮式车辆速差转向的转向阻力系数近似满足如下拟合公式:μ=μmax/(a0+b0ρm)(4)式中:μmax为轮式车辆速差转向的最大转向阻力系数,常数;a0、b0和m为拟合参数。为验证此轮式车辆速差转向的最大转向阻力系数模型,并给出合适的参数值,须进行实车测试。2试验原理和试验计划2.1车辆转向阻力系被试车辆为国产某型全轮驱动全地形车,其传动简图如图3所示,同侧车轮之间通过同步带传动。该车采用零差速式双功率流液压无级转向机构,利用变量泵驱动定量马达,实现无级转向。试验车液压马达的两侧油路均布置了压力传感器,当试验车以不同的转向半径转弯时,通过数据采集系统测量转向液压马达的油压数值,用于反映转向阻力的变化规律;同时测量实际的转向半径,以建立转向阻力系数与相对转向半径的函数关系,完成轮式速差转向车辆的转向阻力系数的测定。转向机输出端为液压马达,其输出转矩TM为TM=(F1+F2)rr/[(1+k)icηc](5)式中:rr为车轮滚动半径;ic为传动系统传动比;ηc为传动系统机械效率;k为汇流行星排参数。转向定量马达的转矩TM由下式给出:TM=ΔpVMηm/(20π)(6)式中:Δp=p1-p2,p1、p2为液压马达进、出油路油压;VM为马达排量;ηm为马达机械效率。将式(6)代入式(5),并经过整理得到:F1+F2=Δp(1+k)icVΜηcηm2πrr(7)F1+F2=Δp(1+k)icVMηcηm2πrr(7)作用在两侧轮胎上的纵向力F1、F2是驱动车辆转向的主动力,二者对于车辆几何中心的转矩即为转向主动力矩Td,由图2可知:Td=(F1+F2)B/2(8)式中:B为轮距。将式(7)代入式(8),可得Τd=Δp(1+k)icVΜηcηm4πrrB(9)匀速转向时,有Td=Tz,再根据式(3)和式(9)可得μ=BGL⋅(1+k)icVΜηcηmπrrΔp(10)除测量值Δp外,式(10)中的参数均为常数,所以通过测量Δp即可完成转向阻力系数的测定。2.2测试系统的搭建根据实车测试的特点,选用CRONOS-PL-2动态采集系统,该系统采用PC-aided方式实现测量信号的在线监视,整个系统最多可支持512个通道,单机总采样频率为400kHz。双采样率可以将高速通道和低速通道进行分组,对总采样率进行最大优化。通过平均或其它处理方式,数据存储的速率可每通道单独设定。保证系统的各种输入和输出通道完全同步,这在多台系统组成的测试网络里特别重要。整个测试采集系统的实车安装见图4。试验场地为南方某试车场的水平黏土路面。试验内容为:(1)车辆进行中心转向,测定转向油压数值;(2)挂1挡,保持车速和转向盘转角,测量1挡行进间的转向油压数值;(3)停车,测量车辆在步骤(2)中的转向半径;(4)升挡,重复(2)、(3)两步试验,得到2～4挡的转向油压数值及相应的转向半径;(5)再将(2)～(4)步试验重复两次。3转向阻力曲线的绘制试验得到中心转向油压数据1组,行进间转向油压数据12组。选取各挡具有代表性的试验曲线,并根据相应的工况,分别按照履带车辆和轮式速差转向车辆的转向阻力模型计算对应理论油压值,绘制于同一曲线图中。试验结果如图5～图9所示。测量得到的油压数据通过式(10)处理可得转向阻力系数μ;再根据对应的转向半径测量数据,得到转向阻力系数-相对转向半径关系曲线,即如图10所示的μ-ρ关系曲线。将式(4)所示的转向阻力系数模型绘制在同一曲线图中(各参数取值:a0=0.935,b0=0.1776,m=1.45),通过与拟合曲线的对比表明,转向阻力系数模型的精度尚可接受。4转向阻力系数模型的拟合曲线本文中基于轮式速差转向车辆行动装置的特点,参考履带车辆转向理论,提出了轮式车辆转向阻力系数模型。通