六轮铰接车转向能力的分析与仿真

贾小平，杨　众，于魁龙，姬鹏飞，陈剑龙

(1.装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072；2.中国人民解放军石家庄机械化步兵学院 一大队，河北 石家庄 050227)



六轮铰接车转向能力的分析与仿真

贾小平1，杨众1，于魁龙1，姬鹏飞1，陈剑龙2

(1.装甲兵工程学院 机械工程系，北京 100072；2.中国人民解放军石家庄机械化步兵学院 一大队，河北 石家庄 050227)

摘要：为了解决一般铰接车折腰转向空间利用率低的问题，设计了一种采用后轮转向方式的六轮摆臂铰接车。根据其结构特点，建立了铰接车转向力学模型，对其转向阻力矩和转向驱动力矩进行了理论分析，得出决定铰接车转向阻力矩大小的因素。利用多体动力学仿真软件RecurDyn建立了铰接车仿真模型，通过对转向阻力矩理论值与仿真值的对比分析，验证了理论计算方法的正确性。

关键词：铰接式车辆；转向阻力矩；力学模型；仿真

0引言

铰接式车辆由于具有较高的地面通过性能和越障能力，已被广泛应用于复杂路况下的工程机械中[1]。铰接车辆的转向阻力矩是其转向系统设计必不可少的原始参数，所以长期以来，对铰接车辆转向系统的研究主要集中在转向阻力矩的计算上。目前，大部分学者都是基于车辆转向动力学原理，经一定的简化或采用经验公式，建立转向力学模型，来计算铰接车转向阻力矩的大小[2-3]，但忽略了侧向力的作用。而在实际转向过程中，即使假定各车轮均处在无侧滑的滚动状态，侧向力也是存在的，所以理论计算结果与实际往往相差较大。此外，许多文献在进行前后车体受力分析时，将转向油缸的作用视为力偶，认为推力和拉力的绝对值相同[4]。但实际上，转向油缸通过推力和拉力作用在前后车体上，向任意一点简化的结果必然是一力偶和一合力矢量的共同作用，忽略这一合力矢量，在理论上就会使车体受力状态严重失真。

为了解决上述问题，本文提出一种新型铰接式车体方案，采用后轮转向的方式，使得整车结构更加紧凑。根据整车结构特点，并综合考虑侧向力的作用，建立了铰接车转向力学模型。通过理论分析，推导出转向阻力矩和转向驱动力矩的数学计算公式。利用多体动力学软件进行仿真分析，进一步验证了所推导的理论计算方法的正确性，并总结出决定铰接车转向阻力矩大小的因素。

图1　六轮铰接车工作原理简图

1转向阻力矩的计算

本文提出的铰接式车体方案，其前后车体通过铰接装置连接，可绕车辆前进方向进行扭转。前车体两侧各两个车轮，由于摆臂悬架的作用可向上抬起完成越障动作。后车体采用一个转向驱动桥，负责整车的转向。六轮铰接车结构紧凑，通过性能强，其简要工作原理如图1所示。

车辆要实现转向，其转向驱动力矩MQ应不小于地面对其施加的转向阻力矩MZ，即：

MQ≥MZ。

(1)

所以进行车辆设计时，必须先根据具体转向工作条件计算MZ，进而预估MQ，保证车辆具有足够的转向能力[5]。六轮铰接车转向阻力矩模型如图2所示。

图2　六轮铰接车转向阻力矩模型

MZ=ML+Mf+MC，

(2)

其中：ML为各车轮自身偏转产生的阻力矩；Mf为车轮滚动阻力对桥的偏转产生的阻力矩；MC为前车体车轮侧向反力对车架形成的转向阻力矩。

1.1车轮偏转阻力矩ML

车辆在转向过程中，各个车轮均做曲线运动。以轮胎自身纵向对称面为界，内半侧轮胎相对地面呈滑转状态，外半侧轮胎相对地面呈滑移状态。在滑转区和滑移区轮胎受到的地面摩擦阻力方向相反，由此对其中心点形成转向阻力矩。

单个车轮偏转阻力矩为[6]：

(3)

其中：p为轮胎充气压力，Pa；a、b分别为轮胎接地面长、宽距离的一半，m；Rni为各车轮与转向中心O的距离，m；r为车轮半径，m；μj为静摩擦因数；μdp为滑动摩擦因数；U，n为橡胶的摩擦特性参数。

整车车轮偏转阻力矩为：

ML=MLA+MLB+MLC+MLD+MLE+MLF。

(4)

对式(3)进一步解释说明如下：

(Ⅰ)各车轮负载不同时，轮胎接地面积边长2b会发生变化。由于2b变化量极小，通常认为不变，一般取2b=0.93T，其中，T为充气后轮胎宽度。尺寸a变化较大，由几何关系可得[7]：

(5)

其中：r0为车轮自由半径，m；λ为车轮径向变形量,m。

λ值可由下面公式确定其近似值[8]：

(6)

其中：G为轮胎载荷，kN；R为轮胎胎面横向曲率半径，m；D为轮胎外径，m。

(Ⅱ)由于各车轮距离转向中心O的距离Rn不同，故应该分别计算每个车轮的MLi,再将其求和即是整车的车轮偏转阻力矩ML。

(Ⅲ)对于前车架的4个车轮，它们的轴线虽然都不通过转向中心O，但计算误差并不大，故仍可按式(3)近似计算MLi。

1.2桥的偏转阻力矩Mf

设前桥的偏转阻力矩为Mf 1，后桥的偏转阻力矩为Mf 2，则整车桥的偏转阻力矩Mf为[9]：

Mf=Mf 1+Mf 2，

(7)

其中：Mf 1=fG1B；Mf 2=fG2B；G1为前桥负荷，N；G2为后桥负荷，N；B为轮距，m；f为滚动阻力因数，当车轮充气压力为250 kPa行驶在水泥路面时，可取f=0.02。

1.3侧向反力的转向阻力矩MC

当车辆转向行驶时，如图2所示，前车体4个车轮会产生侧偏现象形成侧偏角，外侧两车轮侧偏角为δ1，内侧两车轮侧偏角为δ2，它们均受到地面的侧向反力FCi的作用(i=A,B,C,D)。当侧偏角δi较小时，FCi与δi近似呈线性关系[10]，即：

FCi=KCiδi，

(8)

其中：KCi为偏离系数，kN/rad。对于KCi的计算，可采用下列经验公式[11]：

(9)

由于FCA与FCC以及FCB与FCD组成两对力偶，故整车由侧向反力形成的转向阻力矩MC为：

MC=FCAL+FCBL，

(10)

其中：L为前车架摆臂距离，m。

2转向驱动力矩的计算

六轮铰接车在转向过程中，其转向驱动力矩MQ主要是由后轮与地面的附着力对前车架重心取矩而形成的[12]，以前车架重心O1为取矩点，O1M、O1N为力臂，分别对E轮、F轮与地面之间的附着力Fφ1、Fφ2取力矩，Fφ1、Fφ2与水平线之间的夹角为θ1、θ2，则其力矩和即为转向驱动力矩MQ。将Fφ1、Fφ2向后车架重心点O2进行力的合成，得到Fφ，则MQ可等效为Fφ与其力臂O1S的乘积，Fφ与水平线之间的夹角为θ，具体力矩模型如图3所示。

图3　六轮铰接车转向驱动力矩模型

(11)

其中：Fφ1=φFZE；Fφ2=φFZF；Fφ1、Fφ2分别为E轮、F轮与地面之间的附着力，N；LO1M、LO1N分别为E轮、F轮的地面附着力对前车架重心O1的力臂长，m；FZE、FZF分别为E轮、F轮的径向载荷，N；φ为地面附着因数。

为简化计算，假设后车体质量G2平均分布于E轮与F轮之上，则有：

(12)

将Fφ1、Fφ2向后车架重心点O2进行简化，且近似认为O2对Fφ1、Fφ2的力矩相同。根据平面力系的简化原则，可得：

(13)

其中：Fφ为整个后车架的地面附着力，N；θ为Fφ与车辆纵向平面间的夹角，rad；θ1、θ2分别为E轮、F轮的转向角,rad。

则转向驱动力矩MQ可简化为：

MQ=FφLO1S，

(14)

其中：LO1S为Fφ对前车架重心O1的力臂，m；LO1S=L1sinθ，L1为前后轴距，m。

3实例计算与仿真

对所设计的六轮铰接车利用上述公式进行转向阻力矩计算，相关技术参数和计算结果如表1和表2所示。

表1　六轮铰接车转向阻力矩相关技术参数

表2　六轮铰接车转向阻力矩计算结果　N·m

图4　六轮铰接车转向阻力矩随时间变化曲线

基于多体动力学仿真软件RecurDyn，建立六轮铰接车仿真模型及转向路面[13]。设置模型在1～4 s后，车轮逐渐偏转，完成转向，仿真时间t=12 s，步长为500，对模型进行Dynamic/Kinematic分析并进行plot结果后处理，得到转向阻力矩随时间的变化曲线，如图4所示。由图4可知：在1～4 s时，随着转向角的增大，转向阻力矩也在逐渐增大；当t>4 s时，由于转向角不再增大，转向阻力矩也基本保持不变。

对转向阻力矩的理论值与仿真值进行比较，比较结果显示：t=4 s车轮转向角最大，转向阻力矩的理论值为5 929 N·m，与仿真值6 137 N·m相比，误差为3.51%，在允许范围内。因此，验证了采用上述力学模型推导出的转向阻力矩计算公式的正确性。

4结论

(1)除臂长和轮距外，其余完全相同的铰接车，在相同路面、相同转角下转向，转向阻力矩随臂长、轮距的增大而增大。

(2)除轴距外，其余完全相同的铰接车，在相同路面、相同转角下转向，轴距越长，ML越大，MC越小，总的转向阻力矩MZ越小。即轴距对MC的影响要大于对ML的影响，且此时所需后桥转矩较小，整车转向较为容易。

(3)六轮铰接车转向时，转向角越大，转向半径越小，转向阻力矩越大。当转向角超过一定值，前车架将会发生反向侧滑，整车无法完成转向。

参考文献：

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[13]焦晓娟,张湝渭,彭斌彬.RecurDyn 多体系统优化仿真技术[M].北京:清华大学出版社,2010.

基金项目：国家“十二五”总装备部预先研究基金项目(40401060304)

作者简介：贾小平(1958-),男,云南昆明人,教授,硕士,硕士生导师,主要研究方向为车辆系统论证、仿真与评估.

收稿日期：2015-11-01

文章编号：1672-6871(2016)04-0011-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.003

中图分类号：U462.2

文献标志码：A