基于主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定性

基于主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定性 基于主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定 性 第24卷第4期 2009年12月 青岛大学(工程技术版) JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T) VoI_24NO.4 Dec.2OO9 文章编号:1006—9798(2009)04—0082—05 基于主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定性 严天一,高渐宝,刘大维,符朝兴 (青岛大学机电工程学院,山东青岛266071) 摘要:针对传统自卸汽车普遍存在作业稳定性较差的问题,通过建立具有单侧主动横向 稳定杆的空气悬架自卸汽车功能虚拟样机模型,并利用联合仿真技术,分别研究了在不同 控制方式下的被动横向稳定杆及单侧主动横向稳定杆对空气悬架自卸汽车作业稳定性的 影响.通过对比分析,得出单侧主动横向稳定杆系统显着地提高了空气悬架自卸汽车卸 载时的作业稳定性. 关键词:单侧主动横向稳定杆;被动横向稳定杆;功能虚拟样机;空气悬架系统;作业稳定性 中图分类号:U469.4;TP391.9文献标识码:A 自卸汽车是装有本车发动机驱动的液压举升机构,能将车厢倾斜一定角度卸货,靠自重使车厢回位的专 用汽车.自卸汽车的重心/车宽比值相对较大,故其处于行驶或卸料工况时较易出 现失稳现象,导致整车倾 翻,造成严重人员,财产损失及环境污染.研究自卸汽车作业稳定性,分析其主要影响因素,并基于此设计, 开发可提高自卸汽车作业稳定性的控制系统,显着减少或避免自卸汽车侧翻事故,具有重要应用价值.为提 高商用汽车横向稳定性,国内外学者进行了大量的理论,仿真及试验研究.Kusahara等开展了主动横向稳 定杆对某型货车横向稳定性影响的研究,该文在综合利用速度及转向信息的基础上,对安装在横向稳定杆一 端的液压执行器进行实时控制,发现在稳态转向和变道行驶试验时该车的侧倾角降低了339/6_]].英国剑桥 大学Sampon等通过建立具有主动横向稳定杆的多节铰接车线性侧翻模型,并对其进行分析验证,结果显示 主动横向稳定杆可以使铰接车的横向稳定性提高25?2j.余强等建立了五自由度的半车模型,对空气悬 架提高汽车横向稳定性的作用进行了仿真分析].罗福神等利用联合仿真方法建立具有七自由度的空气悬 架车辆的侧倾动力学仿真模型,分析得出空气悬架可有效提高商用车辆的横向稳定性l7].高速重载商用车 因多桥底盘结构表现出来复杂的横向动力学特性及其巨大的惯性,主动横向稳定杆在此类车辆中的应用尚 处于研究起步阶段.相比较而言,自卸汽车卸载时几乎不涉及车辆运动速度的横向动力学,易于分析,建模, 故主动横向稳定杆技术在此类车辆上具有更好的实际应用前景.但空气悬架系统的传统自卸汽车在作业稳 定性方面的潜在优势仍没有充分发挥出来,针对这一问题,本文提出通过建立具有单侧主动横向稳定杆的空 气悬架自卸汽车的参数化作业稳定性模型,分析单侧主动横向稳定杆系统对其作业稳定性的影响,从而为开 发具有较好作业稳定性的空气悬架自卸汽车提供新的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 . 1车辆主动横向稳定杆 基于传统悬架系统的汽车车身的姿态无法主动调整,易出现静态,准静态或动态横向失稳现象.为提高 车辆的横向稳定性,国外车辆已开始具备车身姿态调整能力,它们主要依靠可调整支架长度的主动横向稳定 杆和空气悬架或油气悬架来满足上述功能.最典型的两种主动横向稳定杆分别是单侧主动横向稳定杆(图 1所示)和双侧主动横向稳定杆(图2所示). 国外研究显示,基于双侧主动横向稳定杆的车身姿态调整方法具有调整范围较大,响应速度较快的特 收稿日期:2009—04,07;修回日期:2009—09—03 基金项目:教育部留学网国人员科研启动基金资助项目(2006年);青岛大学人才引进科研启动基金资助项目(2005年) 作者简介:严天一(1970一),男,副教授,吉林龙井人,主要从事基于半主动,主动悬架及其控制系统研究.Email:yan一7012@126.tom 第4期严天一,等:基于主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定性83 点,在车辆侧倾控制方面应用前景较好,但系统结构及控制策略相对复杂.故本文以单侧主动横向稳定杆为 例研究其在自卸汽车主动侧倾控制方面应用的可行性. 图1基于单侧主动横向稳定杆的姿态调整系统图2基于双侧主动横向稳定杆的姿态调整系统 (剑桥大学工程系) 2具有主动横向稳定杆车辆的静态侧倾理论模型 具有主动横向稳定杆的空气悬架车辆模型见图3所示.在忽略轮胎变形的情形下,通过车辆动力学可 推导出影响静态车辆相对于水平面的绝对侧倾角0的主要因素是由路面横向坡度,主动横向稳定杆的刚度, 空气弹簧刚度调整组成,其具体计算公式为 一a+ (KI__KR) [洳R+(KR+KIJ)雩]一Mg[Ks+K+K一雩]一Mg 式中,B为左右空气弹簧间距;h为悬挂质量质心与侧倾中心间 距离;K为横向稳定杆的自身扭转刚度;K为调整后的左侧 空气弹簧刚度;K.为调整前空气弹簧垂直刚度;K为调整后的 右侧空气弹簧刚度;M为悬挂质量;为车厢侧倾角;a为路面坡 度角;刁为横向稳定杆的主动调节系数,对于被动横向稳定杆其值 (1)推导过程中,令 为1.在式 一 ?L一 ?R, 一a一口 式中,?R为调整后的右侧空气弹簧变形量;?L为调整后的左 侧空气弹簧变形量. 同理,对式(1)进行合理扩展易得到具有主动横向稳定杆的 多桥空气悬架车辆的侧倾模型. 对式(1)分析可知: 1空气弹簧;2一液压油缸;3一横向稳定杆 图3具有主动横向稳定杆车辆的侧倾模型 ?如不对空气悬架施加控制(K.,一K一0),刁KBA值越大,车身的绝对侧倾角越小. ?当71K不变时,如对空气悬架施加控制(K,K>O),可使车身的绝对侧倾角0 减小. ?当空气悬架调整到一定程度时((K一K)B~4ahK.),71Kn减小,反而可以使车身的 绝对侧倾角 减小. 3单侧主动稳定杆自卸车辆仿真模型 3.1参数及假设条件 对基于单侧主动横向稳定杆的空气悬架自卸汽车模型作如下假设:左右轮的轮胎 刚度,直径和宽度相 同;前后轮的直径和宽度相同,分别为551,235mm;前轮的垂直刚度,侧向刚度分别为310,190N/mm,垂直 84青岛大学(工程技术版)第24卷 阻尼系数为3.1N?s/ram;后轮的垂直刚度,侧向刚度和垂直阻尼系数分别为前轮的两倍;忽略前轮的内倾 角和外倾角,同时锁定转向系统以忽略其对作业稳定性的影响.该自卸汽车的其它参数如表1所示. 表1自卸车辆模型的部分参数 基于上述假设,利用典型功能虚拟样机软件建立如图 4所示的具有主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定性的整 车虚拟样机模型,该模型包括以下5个子模块:参数化虚拟 卸载场地模块,前空气悬架模块,后空气悬架模块,基于 PID的空气悬架控制模块,液压举升机构模块及车身模块. 因篇幅所限文中仅重点介绍前3个子模块. 3.2前悬架子模块 空气悬架自卸汽车的前悬架由2支空气弹簧,2个减 震器及4根推力杆等组成,其中各空气弹簧压缩载荷一变形 性能通过样条曲线加以设定.前悬架系统未安装横向稳定 杆.前悬架模型的具体结构如图5所示. 3.3后悬架子模块 图4基于主动横向稳定杆空气悬架自卸汽车模型 自卸汽车的后悬架模型属于双H梁式空气悬架布置,由4对空气弹簧,2根V形推力杆,4根纵向推力 杆,2根C形横向稳定杆,4支减震器等组成(图6所示),其中利用8条样条曲线分别设定了空气弹簧压缩 载荷一变形性能.为使自卸汽车具有一定的横向稳定性,且易于施加横向主动控制,文中设定前横向稳定杆 处于被动工作模式;而通过合理控制安装于后横向稳定杆右侧的液压油缸,使后横 向稳定杆处于主动工作模 式. 图5自卸汽车前悬架子模型图6自卸汽车后悬架子模型 4主动横向稳定杆对作业稳定性的影响 4.1不加控制的被动横向稳定杆 通过锁定主动横向稳定杆的右侧油缸使其工作处于被动工作模式,分别在具有2.,4.,6.,8o侧向斜坡的 路面环境下进行了卸载过程的参数化仿真,举升过程中自卸汽车的侧倾角变化如图7所示. 因重力产生的附加侧倾力矩及车辆某些零件的柔性变形,车身的实际侧倾角要大于路面的坡度.在举 第4期严天一,等:基于主动横向稳定杆的自卸汽车作业稳定性85 升过程中,随着车辆重心的提高,重力产生的附加侧倾力矩逐渐加大,从而导致车辆的侧倾角逐渐增大.车 身的侧倾角达到峰值后,举升角虽进一步增加,但货物重量的减小已经成为影响侧倾角的主要因素,车身变 形也逐渐减小,所以车身侧倾角开始减小.随着路面侧倾角的增加,举升过程中车身侧倾角的变化均显现出 相似的变化趋势. 4.2施加控制的被动横向稳定杆 此时,横向稳定杆仍处于被动工作模式,但是可以通过调节空气弹簧的内部压强以调整车身姿态,并分 别在2.,4.,6.,80侧向斜坡路面上仿真分析自卸车卸载时的侧倾角变化,车身侧倾角的变化如图8所示. 比较图7与图8所示的仿真结果,可以得出:与不加控制的模型相比,通过施加控制可以使卸载过程中 的自卸汽车车身侧倾角减少2,3.,从而提高自卸汽车的作业稳定性.在使用空气弹簧调节车辆的侧倾角 时,因被动横向稳定杆具有提高车辆侧倾刚度的作用,所以其对车身姿态调整起到 了较大的阻碍作用. \v 坚 暮坚 莺 图7不加控制的被动横向稳定杆对侧倾角的影响图8施加控制的被动横向稳定杆对侧倾角影响 4.3施加控制的主动横向稳定杆 此时,通过控制安装于稳定杆上的液压缸,可切换横向稳定杆的工作模式,即可以在主动与被动工作模 式之间转换.在行驶过程中液压缸处于锁定状态以提高侧倾刚度;而在自卸汽车卸载过程中,使横向稳定杆 的工作模式处于主动工作模式,即稳定杆上的液压缸可以自由滑动.同理,分别在2.,4.,6.,80侧向斜坡路 面上仿真分析主动横向稳定杆对车身侧倾角变化的影响,可得如图9所示的仿真结果. 通过比较图8与图9可知,横向稳定杆的工作模 式对车辆的侧倾刚度有重要影响.因具有单侧主动横 向稳定杆的自卸汽车在举升初期悬架变形较大,造成 车辆的侧倾角有一定增加.但与被动横向稳定杆相 比,具有单侧主动横向稳定秆的悬架刚度明显减小. 所以对空气悬架系统施加控制后,最终使车辆的侧倾 角迅速减少5.,有效提高自卸汽车在卸载时的作业稳 定性. 研究发现,在使用单侧主动横向稳定杆时,应延迟 主动与被动横向稳定杆的切换时间,使悬架在卸载初 期具有较大的侧倾刚度,同时,在后期发挥主动横向稳 定杆侧倾刚度小的作用有利于车身姿态调整. 坚 晕 图9施加控制的主动横向稳定杆对侧倾角的影响 86青岛大学(工程技术版)第24卷 5结论 本文推导出了具有主动横向稳定杆的空气悬架车辆的静态侧倾理论模型,通过该 模型可直观分析3种 主要因素对车身绝对侧倾角的影响,提出了通过调节叩和空气悬架刚度可降低其 值.分析研究表明: 1)被动横向稳定杆可以提高车辆的侧倾刚度,在一定程度上提高车辆的抗侧翻能 力.但当利用空气 弹簧调节车身横向姿态时,被动横向稳定杆却起到阻碍作用. 2)通过空气悬架控制系统,单侧主动横向稳定杆可使自卸汽车的作业稳定性有显 着提高. 参考文献: EliKusaharaY,LiXiansheng,HataN,eta1.FeasibilityStudyofActiveRollStabilizerforRed ucingRollAngleofanEx perimentalMedium—dutyTruckEJ].JSAEReview,1994,16(2):217—218. [23 [3] [4] [5] [6] SampsonDJM.ActiveRollControlofArticulatedHeavyVehicles[D].Cambridge:Cambrid geUniversity,2000. SampsonDJM,CebonD.AnInvestigationofRollControlSystemDesignforArticulatedHea vyVehicles[C]//Proceed— ingsof4thInternationalSymposiumonAdvancedVehicleContro1.Nagoya,Japan:Is.n.],19 98:311—316. MiegeAJP,CebonD.ActiveRollControlofanExperimentalArticulatedVehicle[J].Proceed ingsofIMechE,Journalof AutomobileEngineering,2005,219(D6):791—806. 余强,马建.半主动悬架系统对汽车侧翻稳定性的改善[J].交通运输工 程,2005,5(1):53—56. 罗福神,王增才,张长冲,等.空气悬架对提高车辆抗倾翻能力的分析口].农业装备与 车辆工程,2007(7):17—2O. RollStabilityofDumpTruckswithActiveAnti—RolloverBars YANTian—yi,GAOJian—bao, (CollegeofMechanical8LElectricalEngineering, LIUDa—wei.FUChao—xing QingdaoUniversity,Qingdao266071,China) Abstract:Aimingatdealingwiththecommonproblemsoflowrollstabilityofdumptrucks,af unctional virtualprototypeofadumptruckwithanairsuspensionsystemandasingle—sideactiveanti—rolloverbar wasdesignedinthisstudy.Influencesofapassiveanti— rolloverbarunderdifferentcontrolstrategyanda single——sideactiveanti_— rolloverbaronrollstabilityofadumptruckwereanalyzedusingCO—simulationtech—? nology.Comparisonanalysisresultsshowthatthesingle—sideactiveanti— rollbarinconjunctiontoairSUS— pensionsystemscouldimproverollstabilityofdumptrucks. Keywords:single—sideactiveanti—rollbar;passiveanti— rolloverbar;functionalvirtualprototype;airSUS— pensionsystem;rol1stability