電源方艙車轉向穩定性分析

邵 波 連 亮 牛海峰 朱高科

（山西中電科技特種裝備有限公司，太原 030032）

電源方艙車（簡稱“電源車”）在電力通信維護、搶險救災、野外勘測和軍事作戰等場合的后勤保障中應用廣泛，其具有移動快捷、運行噪聲低、操作簡便、全天候工作等特點。電源車必須具有良好穩定的行駛與轉向性能，而對二類底盤進行改裝并加裝方艙，勢必會對車輛原有的轉向性能造成影響。本文以電源車為研究對象，建立了考慮橫擺運動與側向運動的二自由度轉向模型，深入分析了質心位置、輪載分配等參數對穩態轉向、轉向瞬態響應的作用機理和影響效果。

1 質心位置與輪荷計算

某型電源車簡圖如圖1所示。將方艙安裝在底盤上，車輛的質量與質心位置會發生改變。由于質心位置會對轉向性能產生很大的影響[1]，因此，需首先計算出加裝艙體后的質心位置。

在質心位置與軸荷的計算中，定義坐標軸：以過雙前軸中心的垂線與地面的交點為原點，行駛方向為X軸，以行駛方向為正；寬度方向為Y軸；垂直方向為Z軸，向上為正方向。電源車部分參數如表1所示。

表1 電源車部分參數

圖1 電源車示意圖

該型電源車選用陜汽SX1256GK549二類底盤，其技術參數如表2所示。

表2 底盤技術參數

其中，B為車輛底盤輪距，C為方艙整裝質心距后橋的距離。

經過計算，質心位置為：

底盤雙前軸最大負荷為14000kg，后軸最大負荷為11000kg，由此可見，滿足負荷分布要求。

2 電源方艙車的二自由度模型與轉向微分方程

根據汽車理論[2]和車輛操縱動力學[3]，以及其它相關文獻[4～5]，對電源方艙車的轉向運動進行數學建模。為了便于分析，在確保正確性的前提下，對描述轉向運動的數學模型進行了簡化。

（1）汽車沿X軸的前進速度視為不變；

（2）汽車的側向加速度限定在0.4g以下；

（3）輪胎側偏特性處于線性范圍，側偏力與側偏角成正比關系；

（4）轉向系統是剛性的；

（5）忽略轉向時兩側輪胎載荷變化，以及懸架運動學的作用。

定義車輛坐標系如下：坐標原點位于車輛質心，電源車行駛方向為X 軸正方向，垂直路面向下為Z 軸正向，Y 軸正向按右手法則確定。電源車線性二自由度模型如圖1所示，電源車沿X 軸的前進速度視為定值，因此，其只有沿Y軸的側向運動和繞Z 軸的橫擺運動。

由文獻[6～7]，電源車轉向的二自由度微分方程為：

β為質心側偏角；ω˙r為電源車的橫擺角速度；ki為第i軸的輪胎側偏剛度；IZ為電源車繞Z軸旋轉的轉動慣量；M為電源車整車質量，單位為kg；Li為質心到第i軸的距離，單位為m，在電源車質心之前為正，在電源車質心之后則為負；θij為第i軸的車輪偏轉角，j=1, 2；單位為rad；R為電源車轉向半徑，單位為m；V為電源車速度，單位為m/s。V =，u、v分別是其在X軸、Y軸上的分量；ωr為電源車橫擺角速度，單位為rad/s。

3 穩態圓周運動微分方程

4 運動特性與仿真分析

4.1 穩態轉向分析

K為穩定性因數。K=0時，穩態轉向為中性轉向；K＞0時，穩態轉向為不足轉向；K值增大，橫擺角速度增益曲線變低，不足轉向量增大。K＜0時，穩態轉向為過度轉向。理想的轉向特性的穩定性因數應大于零。

因為Li有正值和負值之分，故K的表達式的分母小于0，要使大型輪式起重機具有不足轉向特性時，在對大型輪式起重機的整車布置時，考慮軸間距、輪胎側偏剛度和質心分布需滿足關系：

當穩態轉向的穩定性K=0時，有∑kiLi=0。若令電源車前后輪胎的側偏剛度均相等，可得∑Li=0。滿足此式的質心位置如圖2中黑色圓點所示，此點稱為中性轉向點。

圖2 中性點位置示意圖

如圖2所示，當電源車輪胎側偏剛度前兩輪小于后輪（即k1, k2＜k3）時，中性轉向點位置會較圖中黑色圓點的位置向后移動。若輪胎側偏剛度前兩輪大于后輪（即k1,k2＞k3）時，中性轉向點位置則會較圖中黑色圓點位置向前移動。因此可知，想要獲得大于零的穩定性因數，有兩種方法：一是合理布置艙體內設備，使質心位置靠前，車輛的不足轉向特性表現會增強。二是調整輪胎側偏剛度的分配。減小前輪側偏剛度，增大后輪側偏剛度，能使中性轉向點的位置向后移動，有利于增強車輛的不足轉向特性。

4.2 瞬態分析

4.2.1 電源車在高速階躍小轉角情況下的仿真分析

圖3 橫擺角速度響應

圖4 質心側偏角響應

4.2.2 電源車急剎車轉向工況下的仿真分析

圖5 橫擺角速度響應

對比圖3與圖5，可知若質心靠前，橫擺角速度響應更靈敏；而在急剎車轉向工況下，質心靠前的車輛其橫擺角速度超調量較大，表明執行指令的誤差較大。由圖4和圖6可知，質心靠前的車輛，質心側偏角的響應更平穩。

圖6 質心側偏角響應

5 結 論

綜上所述，輪胎側偏剛度和整裝質心位置對電源車的穩態轉向特性影響較大。在保證軸荷滿足規定的前提下，改變艙內布置結構，使質心適當前移，可兼顧縱向穩定性與不足轉向特性；當前輪側偏剛度小于后輪側偏剛度時，中心轉向點向后移動。改裝二類底盤加裝艙體勢必會導致質心后移，因此，輪胎側偏剛度前小后大有助于提升車輛的不足轉向特性。質心位置會對瞬態響應產生影響。在角階躍輸入條件下，質心靠前的車輛轉向響應更靈敏；而在緊急制動轉向工況下，其橫擺角速度的超調量較大，穩定性較差。因此，在設計電源車時，需要綜合考慮輪胎側偏剛度和質心位置對轉向性能的影響，且質心位置需使軸荷分布滿足要求。

1 邵波, 史青錄. 多軸全地面起重機穩態轉向特性分析[J].太原科技大學學報, 2015, 36(1): 49～53

2 余志生. 汽車理論[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009

3 Dave Crolla, 喻凡. 車輛動力學及其控制[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004

4 Shinichiro Horiuchi, Kazuyuki Okada, Shinya Nohtomi.Improvement of vehicle handling by nonlinear integrated control of four wheel steering and four wheel torque[J].JSAE Review, 1999, (20): 459～464

5 Watanabe K, Yamakawa J, Tanaka M, et al. Turning characteristics of multi-axle vehicles[J]. Journal of Terramechanics, 2007, 44(1): 81～87

6 格里比斯. 車輛動力學基礎[M]. 北京: 清華大學出版社,2006

7 宋志強, 史青錄. 基于零側偏角控制的大型全路面起重機轉向性能的研究[J]. 建筑機械, 2014, (1): 84～89

8 王云超, 陳寧, 高秀華. 多軸轉向車輛側向動力學分析[J].重慶工學院學報, 2009, 23(1): 6～11