鉸接式自卸車操縱穩定性影響因素分析

王基月，李 偉

（鄭州科技學院 機械工程學院，河南 鄭州 450064）

1 引言

鉸接式自卸車前后車體的非剛性連接使得車輛行駛穩定性變差，造成磨損增加，從而影響整車安全及使用壽命。具備良好的操縱穩定性是保證車輛高效安全運輸的前提，而影響其的因素眾多，為準確描述車輛行駛過程中表現出的操縱穩定性、動態特性，需要根據鉸接式自卸車結構特點，建立準確的簡化分析模型，是性能研究的前提和保證[1]。

學者們取得一定成果：文獻[2]對懸架運動學影響整車性能的因素進行了深入的分析，并重點分析了輪胎對整車操縱穩定性的影響；文獻[3]基于虛擬樣機技術對懸架性能進行分析，并研究其對整車操縱穩定性和平順性的影響；文獻[4]采用多剛體動力學法，搭建了某款汽車的7自由度振動分析模型，將各態歷經的隨機路面譜作為輸入，研究其對整車操縱穩定性的影響；文獻[5]采用分析力學的方法，考慮實際狀態，設計主管評判條件，對整車操縱穩定性進行評價。

針對鉸接式自卸車的結構特點，基于動力學和運動學分析，搭建整車數學模型和拓撲結構，基于此，在ADAMS中建立鉸接車的多體動力學虛擬樣機，生成基于正弦波疊加法的三維隨機路面譜；在AEMSim中搭建轉向系統和油氣懸架系統的液壓模型；在Simulink中設計頻率加權函數濾波器。通過ADAMS/AMESim/Simulink三者聯合，對整車操縱穩定性進行分析。對整車進行穩態回轉試驗和轉向盤角階躍輸入試驗模擬分析，對模型進行檢驗；分析車體質心位置變化、懸掛缸參數、連通式油氣懸架結構對整車操縱穩定性的影響。

2 鉸接式自卸車模型

2.1 整車數學模型

鉸接式自卸車整車運動學模[6]，如圖1（a）所示。

圖1 整車模型Fig.1 Model of the Vehicle

圖中：坐標系O′X′Y′Z′—固定在地面上的絕對坐標系，根據右手定則Z軸正方向指向外；OXYZ—將坐標原點固結到前車體質心處的隨動坐標系，其中X軸方向與前車體縱軸線重合；O″X″Y″Z″—坐標原點固定在后車體質心位置上的動坐標系，其中X?軸方向與后車體縱向軸線重合；δ—前后車體間的夾角；B—前后車體輪距；Lf—前輪中心和鉸接點的距離；Lr—后輪中心和鉸接點的距離；hf—前車體質心和鉸接點的距離；hr—后車體質心和鉸接點的距離。u1、v1、r1—前車體質心處的縱向速度、橫向速度和繞Z軸橫擺角速度；u2、v2、r2—后車體質心處的縱向速度、橫向速度和繞Z″軸橫擺角速度。r1、r2之間有如下關系：

整車受力模型[8]，如圖 1（b）所示。圖中，a1x、a1y—前車體質心處沿X軸和Y軸的加速度；a2x、a2y—后車體質心處沿X″軸和Y″軸的加速度；Fix、Fiy—地面對第i個車輪的切向力和側向力（i=1、2、3、4）；T0—前后車體間的轉向內力矩；Fx、Fy—鉸接點沿 X 軸和 Y軸的作用力。

由圖1（a）可知，根據整車的轉向幾何運動關系，可以得到各個車輪的運動關系：

由圖1（b）可知，根據受力平衡和力矩平衡，可以得車體轉向運動動力學方程組：

2.2 整車ADAMS多體系統動力學模型

在ADAMS中油氣彈簧力學特性，可通過Spline方式輸入彈力和阻尼力與變形量和速度非線性關系來代替，但由于實際液壓系統中液壓油存在壓縮性、庫侖力等因素，采用Spline方式仍存在一定誤差，為使油氣彈簧模型更加符合實際，采用AMESim建立油氣彈簧模型。ADAMS和AMESim之間數據交互是實時的，Simulink可以進行動態系統建模、仿真和綜合分析，在Simulink環境下采用第一種方法計算加權加速度均方根值，通過AMESim與Simulink的聯合仿真，實現三者間的數據交互。聯合仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車懸架和全液壓轉向系統聯合仿真模型Fig．2 Joint Simulation Model of Vehicle Suspension and Full Hydraulic Steering System

聯合仿真模型創建過程為：

（1）在ADAMS中創建狀態變量，包括油氣彈簧油缸和活塞桿間相對位移、相對速度和油氣彈簧輸出作用力，左右液壓轉向缸筒和轉向桿間的相對位移、相對速度和油缸輸出力，前后車架間的折轉角，座椅三個軸向的加速度等；將彈簧作用力、左右轉向缸作用力定義為控制輸入，將油氣彈簧和轉向系統的相對位移、相對速度，前后車架的折轉角，座椅三個軸向的加速度定義控制輸出；

（2）AMESim中導入ADAMS-TO-AMESim模塊，ADAMS中輸出的位移、速度、加速度和折轉角等信號傳給AMESim，AMESim中油氣彈簧根據其輸入位移和速度計算其輸出力，液壓轉向系統得到折轉角輸出信號，與轉向輸入信號進行比較，控制轉向系統節流口的開度，從而輸出轉向缸的作用力；這些力信號輸入到ADAMS-TO-AMESim模塊中，傳輸給ADAMS；

（3）ADAMS輸出到 AMESim的座椅加速度的信號在AMESim平臺下傳輸給Simulink，在Simulink中計算分析，通過Simulink imported to AMESim輸出評價指標和濾波后的加速度時間歷程到AMESim中。這樣，三者通過聯合仿真實現數據的相互交互。

3 操縱穩定性影響因素分析

3.1 質心位置影響

這里討論車體質心位置對前輪內外輪靜態載荷的影響，前車體橫擺角速度、側向加速度和側傾角響應曲線（圖略）。靜態時，前、后車體質心距鉸接點距離越大，內輪載荷與外輪載荷的差值越大，此時前車體簧載質量朝向內輪的側傾角越大。當車體處于轉彎狀態時，由于離心力的作用，外輪載荷變大，內輪載荷變小，即車體有向外產生側傾的趨勢。由圖還可以看出，相同距離變化范圍內，后車體質心位置對垂直載荷的影響較前輪質心位置對垂直載荷的影響大。固定轉角靜止狀態時，前輪內輪載荷大于外輪載荷，后車體質心越往后移，內輪與外輪的載荷差越大，前車體產生偏向內輪的側傾角越大，當車速較低時，即使有離心力的作用，但由于側向加速度較小，側傾角仍然偏向內輪。由圖3（d）的右上圖可知，當車速達到20km/h時，側偏角都是偏向外輪的，后移車體質心會減小側偏角。

車具有不足轉向的特性，因此若不考慮懸架及轉向系統等因素的作用，該鉸接式自卸車的質心應該位于中性轉向點之前。若后移車體質心，則靜態儲備系數 S．M．將減小，當 S．M．＜0，汽車將過多轉向?，F改變自卸車后車體質心位置，車速與轉彎半徑的關系曲線，如圖3所示。

圖3 質心位置變化時的轉彎半徑Fig．3 Turning Radius when the Center of Mass Change

3.2 懸掛缸參數影響

按照懸掛參數設置，對操縱穩定性進行全因子試驗設計。各因素對前車體側傾角、側向加速度和橫擺角速度的影響程度，如圖4所示。

圖4 懸掛缸參數影響Fig．4 Effect of Suspension Cylinder Parameters

由圖可以看出，影響車體側傾角、側向加速度和橫擺角速度的懸掛缸參數主要是蓄能器預充氣壓力、蓄能器體積或者兩者的匹配。

3.3 連通式油氣彈簧影響

鉸接式自卸車前后車體間通過鉸接體和轉向系統連接，與剛性車相比其橫向穩定性較差，現通過油路將前橋左右兩側油氣彈簧聯系起來提高車體的側傾角剛度，觀察連通油氣彈簧的抗側傾能力。連通方式，如圖5（a）所示。將鉸接式自卸車前橋左右油氣彈簧按圖5（a）的形式連通，通過聯合仿真對整車進行轉向盤角階躍輸入試驗，連通前后車身側傾角，如圖5（b）、圖5（c）所示。由圖5可以看出，滿載和空載工況下，連通油氣懸架較獨立懸架能明顯降低車身側傾角，說明連通油氣懸架有很好的抗側傾能力。

圖5 連通前后車身側傾角變化曲線Fig.5 Chang Curve of Body Side Inclination Angle

4 結論

通過ADAMS/AMESim/Simulink三者聯合仿真，對鉸接式自卸車操縱穩定性進行分析。通過對整車進行穩態回轉試驗，該車具有不足明顯轉向特性。空載和滿載兩種工況下，進行轉向盤角階躍輸入試驗，前車體的側傾角、橫擺角速度及側向加速度均隨車速提高而變大，反應時間也變長；相同車速下，滿載與空載相比，車速較低的時候，兩種工況的前車體側傾角、橫擺角速度及側向加速度穩態值相差不大，隨著車速的增大，滿載比空載的側傾角、橫擺角速度及側向加速度穩態值均大。總體上，滿載的操縱穩定性較空載的差。通過轉向盤角階躍輸入試驗分析影響操縱穩定性的因素，可知：

（1）后車體質心位置變化在低速時對橫擺角速度和側向加速度影響不大，隨著車速提高，質心位置越靠后，橫擺角速度和側向加速度都越大；后移后車體質心位置在中低速時能降低車身側傾角，但高速時反而增大車身側傾角；且后移后車體質心會降低整車的不足轉向量。

（2）懸掛缸參數中，蓄能器預充氣壓力、蓄能器體積或兩者的匹配對橫擺角速度、側向加速度和側傾角影響最大。

（3）連通式油氣懸架能很好的降低車身側傾角，且能夠提高乘坐舒適性，因此建議在條件允許的情況下采用連通油氣懸架的懸架結構形式。