基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)移的農(nóng)用冷藏物流車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性研究及控制仿真*

周志國 方棟華 方劍烽 喻學(xué)才

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院1) 杭州 311112) (浙江師范大學(xué)工學(xué)院2) 金華 321004)

基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)移的農(nóng)用冷藏物流車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性研究及控制仿真*

周志國1)方棟華1)方劍烽1)喻學(xué)才2)

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院1)杭州 311112) (浙江師范大學(xué)工學(xué)院2)金華 321004)

基于整體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立了農(nóng)用冷藏物流車模型及其狀態(tài)方程，并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，運(yùn)用整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)分析算法，對(duì)車載貨物重心位置變化引起的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)評(píng)估；基于MATLAB平臺(tái)對(duì)車輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能進(jìn)行時(shí)域和頻域仿真分析.仿真結(jié)果表明，該方法可以得到車載貨物重心位置變化對(duì)車輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性的影響結(jié)果.

現(xiàn)代物流；主動(dòng)安全；模型分析法；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性；計(jì)算機(jī)仿真

0 引 言

現(xiàn)代高速農(nóng)用物流冷藏物車因?yàn)檐囕d貨物重心位置變化容易引起整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而給車輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性造成嚴(yán)重影響.文獻(xiàn)[1-3]提出需要針對(duì)冷藏物流運(yùn)輸車的特殊需求進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化.由于箱式物流運(yùn)輸車車速的提高對(duì)車輛的穩(wěn)定控制系統(tǒng)也提出了更高的要求，需要在車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上有新的技術(shù)要求[4-5].同時(shí)，隨著車載電控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)物流運(yùn)輸車穩(wěn)定性電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)也是研究的一個(gè)方向[6-7].

但是，車輛運(yùn)行速度作為影響農(nóng)用冷藏物流運(yùn)輸車效率的主導(dǎo)因素之一，而冷藏物流車車載貨物的重量和重量分布情況具有很大的不確定性，這種不確定性會(huì)引起車輛的重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，從而對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，目前成為又一個(gè)新的研究重點(diǎn)和難點(diǎn).因此，為了降低車載貨物對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，文中提出基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)移對(duì)冷藏物流車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性進(jìn)行研究.

1 車輛模型

選取應(yīng)用較多的4×2箱式冷藏物流運(yùn)輸車作為研究對(duì)象，為了研究車載貨物重心轉(zhuǎn)移對(duì)車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，分析轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小和位置的變化對(duì)整車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響，建立車輛整車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型.

(1)

式中：mveh為整車質(zhì)量；MZi為整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩；ωr為車聲橫擺角速度；FXi為車輛縱向作用分力；FYi為車輛側(cè)向作用分力；Iz為橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

為了便于分析車輛重心位置轉(zhuǎn)移與整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化之間的關(guān)系，以及引起的車輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性的變化，忽略車輛地面切向力對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響，忽略空氣動(dòng)力對(duì)車輛的作用，忽略車輛由于載荷變化引起的輪胎動(dòng)力學(xué)特性的影響以及車輛回正力矩的影響等，對(duì)方程(1)中的車輛模型進(jìn)行簡(jiǎn)化得到2自由度單軌車輛模型，見圖1.

圖1 單軌車輛模型

由圖1可知2自由度單軌車輛模型為

(2)

式中：v為車輛側(cè)向速度；u為車輛前進(jìn)速度；a為前軸到質(zhì)心距離；b為后軸到質(zhì)心距離；δf為前輪轉(zhuǎn)角；kaf為前輪側(cè)偏剛度；kar為后輪側(cè)偏剛度.

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)方程是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析的經(jīng)典分析和描述方式，令

(3)

則方程(2)可轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程，即

Y=CX+DuIn

(4)

式中：

；

2 整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法

車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性和行駛平順性有很大的影響，對(duì)于一般剛體，根據(jù)理論力學(xué)的原理，其對(duì)某一軸線XG的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是剛體中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量mGi與其到該軸的距離rGi的平方之乘積的累積值，其計(jì)算式為

(5)

在計(jì)算汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，理論上可以定義車輛是一個(gè)連續(xù)的剛體，但是，汽車本身又是一個(gè)不均勻的、空間分布比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，因此，很難采用上述理論方法積分得到車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.但是，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)好的車輛，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也隨之確定了，因此，工業(yè)上通常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試法和經(jīng)驗(yàn)公式法來確定車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

這里重點(diǎn)討論經(jīng)驗(yàn)公式法[8-9]，這是一種建立在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上計(jì)算整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，方法如下.

(6)

IXG=KmL2

(7)

(8)

式中：K和K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù).

式(6)只有在很特殊的情況下才可以使用，針對(duì)冷藏物流運(yùn)輸車的載荷分布情況，見圖2，這里選取式(7)作為計(jì)算基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)公式.

圖2 農(nóng)用冷藏物流車載荷分布示意圖

由圖2可知，由于對(duì)于自重引起的車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置在運(yùn)行過程中變化比較小，可以采用已測(cè)試數(shù)值，而對(duì)于車載貨物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置則會(huì)隨著實(shí)際情況的變化而發(fā)生較大變化，這也是引起整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置變化的重要因素，因此，將這2部分載重量進(jìn)行分離計(jì)算，則有

(9)

(10)

則可得整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化值為

(11)

整車質(zhì)心位置距離前軸變化值為

Δa=a-a′

(12)

3 車輛動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仿真分析

本節(jié)對(duì)車載貨物引起的整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置變化對(duì)其穩(wěn)定性的影響進(jìn)行仿真分析，參數(shù)見表1.

表1 仿真分析所用參數(shù)

3.1 前輪轉(zhuǎn)角6°時(shí)，不同車速下動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析

在整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化為±10%，前輪轉(zhuǎn)角6°時(shí)，分別針對(duì)10,20,30 m/s不同車速工況時(shí)對(duì)整車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，仿真分析結(jié)果見圖3～8.

圖3 時(shí)域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(10 m/s)

圖4 頻域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(10 m/s)

圖5 時(shí)域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(20 m/s)

圖6 頻域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(20 m/s)

圖7 時(shí)域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(30 m/s)

圖8 頻域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(30 m/s)

從仿真結(jié)果可知，對(duì)于時(shí)域結(jié)果，低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)輸入的響應(yīng)在回到穩(wěn)態(tài)值之前出現(xiàn)了超調(diào)，反映了其系統(tǒng)的低阻尼特性,而當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大后,車輛響應(yīng)沒有超調(diào)現(xiàn)象，表現(xiàn)為高阻尼特性.

對(duì)于頻域響應(yīng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小則表現(xiàn)出之后較小，響應(yīng)較快，增大則相反.

對(duì)于車速響應(yīng)，在低速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增減對(duì)車輛動(dòng)態(tài)性能影響不大，當(dāng)車速提高時(shí)，較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響增大，反之則減小.

3.2 前輪轉(zhuǎn)角15°時(shí)，不同車速下動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析

在整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化為±10%，前輪轉(zhuǎn)角增加為15°時(shí)，分別針10，20，30 m/s不同車速工況時(shí)對(duì)整車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，仿真分析結(jié)果分別見圖9～14.

圖9 時(shí)域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(10 m/s)

圖10 頻域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(10 m/s)

圖11 時(shí)域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(20 m/s)

圖12 頻域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(20 m/s)

圖13 時(shí)域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(30 m/s)

圖14 頻域車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖(30 m/s)

從上述仿真結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)角增大到15°時(shí)，車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增減趨勢(shì)和在6°時(shí)基本一致，但車速增加后，尤其是在高速階段，車輛橫擺角速度增加比較明顯，車輛趨于失穩(wěn).

3.2 根軌跡分析

為了在最大車速范圍內(nèi)對(duì)車輛轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心位置變化對(duì)車輛性能的影響進(jìn)行全面的分析，對(duì)整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別變化為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的±10%和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3種情況下最大車速范圍內(nèi)的系統(tǒng)根軌跡圖進(jìn)行分析，仿真結(jié)果見圖15.

圖15 車輛系統(tǒng)根軌跡應(yīng)圖(5～30 m/s)

從上述仿真結(jié)果可知，在車速較小時(shí)特征值全落在實(shí)軸上，隨車速的不斷加大才逐漸接近虛軸，可見該車型在設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，但是，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化，車輛的根軌跡距離虛軸較近，造成車輛的穩(wěn)定性儲(chǔ)備變小.

4 結(jié) 束 語

結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)用冷藏物流運(yùn)輸車的特點(diǎn)，針對(duì)其載貨重物質(zhì)量和質(zhì)心位置變化對(duì)物流運(yùn)輸車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響的問題進(jìn)行了研究，建立了車輛動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)關(guān)鍵變量進(jìn)行分析，計(jì)算得到貨重物質(zhì)量和質(zhì)心位置變化對(duì)物流運(yùn)輸車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且通過仿真分析，驗(yàn)證了分析的有效性，為改善和提高農(nóng)用冷藏物流運(yùn)輸車的穩(wěn)定性提供了一個(gè)有效的分析方法，對(duì)優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)，提高其安全性和效率具有重要的參考價(jià)值.

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Study on Dynamic Response and Computer Simulation for Refrigerated Logistics Vehicles Based on the Moment of Inertia Transfer

ZHOU Zhiguo1)FANG Donghua1)FANG Jianfeng1)YU Xuecai2)

(AutomobileSchoolofZhejiangInstituteofCommunications,Hangzhou311112,China)1)(SchoolofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)2)

Based on the kinematic model of vehicle, the model and state equations of modern high-speed refrigerated logistic vehicle are established to analyze the dynamic stability characteristics of the vehicle. By the identification method of rotational inertia of vehicle, identification evaluation is conducted for the rotational inertia induced by the variation of the center of gravity of the goods in the vehicle. By using MATLAB, both time- and frequency-domain analyses of the vehicle’s dynamic stability characteristics are performed. The simulation results show that this method can calculate the effects of variation of center of gravity on the dynamic stability of the refrigerated logistics vehicles.

modern high-speed logistics; active safety; model analysis; dynamic stability; computer simulation

2016-10-17

*浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(LY13E080010)

TP391.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.007

周志國(1978—)：男，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠囍悄軝z測(cè)與診斷技術(shù)、車輛控制與仿真