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轮式装甲车操纵稳定性单轨建模与仿真

来源:赴品旅游
第27卷第6期 黄石理工学院学报 Vo1.27 No.6 Dec. 2Oll 2011年l2月 JOURNAL OF HUANGSHI INSTITUTE 0F TECHN0LOGY doi:10.3969/j.issn.1008—8245.201 1.06.002 轮式装甲车操纵稳定性单轨建模与仿真 陈正宏 邢俊文 宗磊强 王 亮 ( 装甲兵工程学院机械工程系,北京100072;2 63963部队,北京100072) 摘 要:建立了双前桥转向和全轮转向的三轴与多轴车辆操稳性的通用单轨数学模型,并依据该模 型和实车数据,得出该类车辆稳态响应特性,以及质心位置、侧偏刚度和车速等参数变化对操稳性的 影响规律。 关键词:多轴车辆;操纵稳定性;单轨数学模型 中图分类号:U461.6 文献标识码:A 文章编号:1008—8245(2011)06—0005—06 Modeling&Simulation of the Single Track on Handling Stability for Wheeled Armored——vehicle CHEN Zhenghong XING Junwen ZONG Leiqiang2 WANG Liang ( Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072; Unit 63963 of PLA,Beijing 100072) Abstract:The paper establishes the single track mathematic model on handling stability for the three—axle and muhi—axle vehicle with double front axles or all axles steering.Using this model and some true vehicle datum,the characteristics of steady state and instant response,and the influence of the centre of mass,COITle— ring stiffness or speed on handling stability are obtained. Key words:multi—axle vehicle;handling stability;single track mathematic model 样的问题,我们也能够具备该类车辆的研发基 0 引言 目前,世界多国轮式装甲装备已实现系列 础与能力。因此,进行多轴轮式装甲车的操稳 性研究,已成为当前装甲车研究最为紧迫的课 题之一。本文依据轮式装甲车结构特点,对多 轴式轮式装甲车作深入理论研究。 化与多样化,我军也正在加大轮式装甲装备的 研制力度,但与世界先进水平仍有差距。轮式 装甲装备为提高其通过性多采用多轴式,而多 轴轮式装甲车通常重量大、重心高、轮胎多,并 1 单轨模型的基本假设 为了便于掌握多轴车辆操纵稳定性的基 采用全轮驱动方式,与普通汽车相比,在公路 快速机动行驶中,其操稳性问题比较突出,制 约着该类车辆灵活机动能力的提高,成为军方 和研制人员最为关心的问题之一。如果能够 本特性,参照图1,对一简化为线性二自由度 的车辆模型进行研究,即单轨模型…。分析中 作如下假设:①忽略转向系统的影响,直接以 前轮转角作为输人;②忽略悬架影响,认为车 辆车厢只作平行于地面的平面运动,即车辆沿 从理论上找到操稳性变化规律与影响因素,并 在研制中加以应用与完善,就能够有效解决这 收稿日期:201l一10—17 作者简介:陈正宏(J969一),男,陕西泾阳人,讲师,本科。 第6期 陈正宏邢俊文宗磊强王亮:轮式装甲车操纵稳定性单轨建模与仿真 7 车辆前、中、后轴中点的速度为 、 2、 3, 车辆前、中桥的侧偏角分别为 、 ,后桥的 侧偏角为 3,质心的侧偏角为卢,考虑到 1、62 角度不大,卢=v/Ix。 、 分别是前桥和中桥 中点速度 。、 。与 轴的夹角,其值为: .=卢十蚴,/u; = +‰,/u 后桥的侧偏角为: Ot1= +Otto,/u一6l (5) 根据坐标系的规定,前、中桥的侧偏角和 = + r/u一6 O1.,= 一CO9 /u (6) 且:F¨:C l o[1;F佗:C 0[2;Fy3=C 3 此处,正侧偏力产生了负侧偏角,故c 、 C 、C 取负值。 将3个侧偏角代入式(4),由于中桥车轮 侧偏角的大小取决于双摇臂机构,在小角度范 围内6。与6 是近似线性关系,令:6 =k ( 为常数),所以整理得: {f (c l+c。2+C )卢+(aC +bC 一cC ) 一(“ c l+C02 ’ l=m(v+z ,) l(aC l+bC 一cC ) +(a2C l+b2C +C2C ) 一(口c l+6c 后’ l= 西 令b=0,C =0,则为双轴汽车运动微分方程。 (7) 2.2 双前桥转向多轴车 对于4轴车,前2桥转向的实际8轮车辆 便简化成一个4轮单轨模型,见图3。它是一 个由4个有侧向弹性的轮胎支承于地面、具有 侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。参照 3轴车分析方法,同样可得到4轴车作平面运 动对车辆坐标系的运动微分方程式为: 『F l cos6l+Fy2cost¥!+F筘+F一=,n( +]/AO,) ,。、 。 ,、 分别是第1前桥和第2前桥中点速 度和 轴的夹角,其值为: ‘ =13七OZ,O t2=13七bto 根据坐标系的规定,各侧偏角为: 0[1:/3+CtO),/p一6l OL2=/3+6∞r/ 一52 OL3=/3一CO) / ; 【aF l cos8l+bFy2cos(¥2一cF 一dF = , O1.4=卢一 ,/ (1O) 将4个侧偏角的求值公式代人式(9),由 于第2前桥的车轮侧偏角大小取决于双摇臂 机构,在小角度范围内6。与6 是近似线性关 系,令6 =k,6 (k,为常数)。整理可得双前轴 转向多轴车辆在小角度前轮转向时的运动微 分方程为: c 十 砉厶C 03 .L一(c Co ̄k3,5。=m( +ttoA,) fl 喜 C + 0, 一( 。 +LzC以 ’6。=i/o (11) 图3 双前桥转向4轴车辆单轨转向模型 式(1 1)中: 为质心距第 轴中心的位 考虑到8角度不大,将式(8)近似为: 移,向前为正。即该轴在质心前方,取正值,在 + +Fy3+F一=m( + r) 【 l十6F 一c,伯一dF = , … 质心后方,取负值,17,为总轴数。 2.3 全轮转向多轴车 对于4轴车辆,与双前轮转向相比,全轮 转向时中轴和后轴车轮也参与转向,此时,令 中轴车轮转角为 ,后轴车轮转角为 ,由于 如图3所示,车辆的前2轴中点的速度为 、 ,后2轴中点的速度为 ,、 ,各轴侧偏 角为 l、Ol2、 3、Ol4,质心的侧偏角为卢, = / 8 黄石理工学院学报 后二桥的车轮侧偏角大小取决于转向传动机 构,在小角度范围内 、 、 与 。是近似线 性关系,但6 与6 方向相同,63、6 与6 方向 可相同,也可相反。令A =1,6:=A:6。(A 为 常数),6 :A 3 (A,为常数,同向为正,异向 为负), =114 (A 为常数,同向为正,异向 为负)。 参照图3,根据坐标系的规定,各轴侧偏 角为: l= +ao9r/ 一6l O/1=8+b∞r/ 一82 oL3=B—c(1)r, 一83 4= 一 ,/ 一64 (12) 将4个侧偏角的求值公式代人式(9),整 理可得其单轨模型在小角度转向时的运动微 分方程为: f 砉c +。 £ c O) zr一( P c A )占,=m( "t"UWr) ?【 砉 c + 砉L2C tOr一( P厶C A )6i。= , (1 3) 式(13)中:厶为质心距第i轴中心的位移, 向前为正,即该轴在质心前方,取正值,在质心 后方,取负值;n为轴数;p为转向轴轴数;A = /8 ,是第 转向轴与前轴转向角之比(6 与6 同向时,A 为正;异向时,A 为负)。 3 传递函数 3.1 3轴车 对于3轴车,由卢=v/Ix, = ,OL = + 11,0),和式(7)可得如下方程组: f} m“ 。 +( mu。 _1) l 。= l盟 + I 令状态变量X=[p ,] ,控制输入 = .刚特杰肯程为. 文 锄u 其中: C l+C以+C —— a12:( —————— ——一一l一1)  C l+C,ak , Dl一一 一。 口C I+6C 一cC 一——1_ 口 G l+6 C +c C 口22 ——— 一 0C j+6C k , 一一’一I■一 由此求得横摆角速度、质心侧偏角和侧向 加速度的传递函数为: Gs,~,(s)= 2S  一 , o G ㈩= + 0 2 ,- 、, S (16) Gs+ ,~ (s)= , ubls +“((7,1口 2b2一a20 2b1+b2)s+/d,(02lbl一口l1b2) 2 s 一(al,_ 一 1+022)s+((Zll 22一a12a21) 口 2 (17) 0 3.2 多轴车 ( 、 l 5 由卢=v/p,,、  = ,Ot = +1109,和式(1 3) 可得如下方程组: l C +( .∑. C ) ~ 苫c Ai r一=卢 { . (1 8) 【 L C + C ∑. .厶C A r一 了 ・ r 令状态变量X=[卢 叫 ,控制输人 = 6 ,则状态方程为: 锄 (】9) 其中: 2"C ELiC ,口 2=(≮.,一1) 第6期 陈正宏邢俊文宗磊强王亮:轮式装甲车操纵稳定性单轨建模与仿真 9 ("2C A .∑L C ,为等效轴距。 m(aC l十bC02一c ) n Dt 一— mU C l 1 口 - T』 C C (r上一6) + lC (o+c) +C C (6+c) ( f l 1 c A ) 为稳定因素。 要保证车辆具有不足转向特性,必须使转 向稳定因素K>0,即: o:z — 广 D 一——广 由此求得横摆角速度、质心侧偏角和侧向 加速度的传递函数为: G6。~ (s)= c lC以(0—6) +c lc∞(n番 +c) +C c (6+c) >。 b2s+(02I bl一 ll b2) s 一(0 JI+ 22)s+(oll。22一O,12021) (20) G6. (s): 6I s+(口l2b2一n:261) s 一(n1l+022) +(口l1022~口l2021) (21)G6 (s)= 6ls + (0l262一a22bI+b2)s+“(02lb1—0Il62) s 一(0ll+n22) +(0l J022—6/'12021) (22) 其形式与3轴车完全相同,但系数定义不 同。 4 稳态响应 车辆稳态转向特性分为不足转向、中性转 向和过多转向3种类型,转向特性良好的车辆 应具有适度的不足转向特性。稳态响应通常 由稳态横摆角速度增益来评价 j。 4.1 3轴车辆 对于3轴车,稳态时横摆角速度 ,为定 值,此时 =0、o5 =0,代入式(7)得: 『(c +c )詈+(。c bC _cc )鲁一 l(C l+C以后’6l=ml ̄o.i {f (口 。+6 ~c) v-+(口 。十6 +c2L ( ̄Or—  ̄3L(aC l+bC ,)6l=0 (23) 将式(23)联立消去 ,可求得稳态横摆角 速度增益为: = (24) 式(24)中: ,, (。一6) /C +(0+c) /C +(6+c) /C (1一 ,(n—b)/c +(口+c)/c + <6+c)/c 由于: C l C以(0一b) +C l C (口+c) +C C (6+C) >0,所以需保证: 5 4.2 稳态时横摆角速度∞,为定值,此时 =0、 =,0,代人式(1 3),消除"整理可得多轮转 向多轴车辆稳态横摆角速度增益为: =等 (26) 其中: (∑ C )(∑厶2C )_-∑l I f ., C ) r, I £ J (∑,c )(∑L c A )_。 c L )(∑.C A ) l J £ ,l 1 1 1 J m∑C L K=— ————— —三二 ———— ——一= (∑ C )( L C )_- ,j c ) t;l £ J I m∑C L ∑.(L 一 ) c C f 多轴车辆单轨模型的稳定性因素K中不 含转角变量,不受转向方式影响,与车辆结构 及侧偏特性相关。要保证车辆有不足转向的 特性,稳定性因素 必须大于0。 由于分母始终大于0,所以稳态响应稳定 性条件为: ∑C L >0 (27) 且:特征车速为 : ;临界车速为 =、 。 ,5 稳态响应特性分析实例 以某3轴轮式装甲车为对象,进行稳态响 应分析,该车基本参数取表1数值。 10 黄石理工学院学报 2011正 表1 某型三轴车辆结构参数 ^一 fj\ 35.1 稳态横摆角速度增益 将表l数据代人式(25)可得: 口C l+6C02一cC =65 400(Nm/rad)>0 则:K>0车辆具有不足转向特性。 且: K= m(aC.1+6 一c ) C lC,a(0—6) +C lC0d(口+c) +C以C03(6+c) 一 0.000 3(S m.2) 又因为: ,, (0—6) /C +(0+c) / +(6+c) /C 一(1一 ,(0一b)/c∞+(0+c)/C +(b+c)/C 1— 2.65(m) 由式(24)可得: i{‘D \一 墨:一 些 :鱼 傩 ∞ 6l』 一1+Ku 一1+0.000 3“ 则其稳态横摆角速度增益随车速变化曲 线如图4所示,且特征车速: M ^= ̄/I/K=58(m/s) 即为209 km/h,由于该车最大车速88 km/h, 所以在其行驶车速内始终处于不足转向状态。 由于轿车稳定因素K约为0.002~ 0.003 5(S2m ) ,而该车K较小,相比较不足 转向量要小。 图4 稳态横摆角速度增益随车速变化 5.2转向半径比R /R0 因为: tOr= 且: R =u/w ;Ro≈L761;Cl, =U2/R 由此可推导得: Ri/R。=l+ = 1(28) 取R。=30 m,代人R0、K值可得转向半径 比与侧向加速度的关系曲线,如图5所示。 I I 叭● 图5 转向半径比随侧向加速变化 5.3质心前后位置影响 轮式装甲车由于载员和货物的变化,可能 在空载和满载之间变化,必然会影响到质心前 后位置的变化,因此,质心位置可能的范围也 是研究车辆操稳性必须考虑的问题。 还以上述车辆为对象,仅改变质心位置, 令其质心从中轴前650 mm到后200 mm进行 变化。设质心距中轴为 米,向前为正,则: b=一 ; =1.9一 ;c=1.9+ ;代人 表达 式可得:K=0.005 47x。如图6所示,在侧偏 刚度相同时,质心位置必须位于中轴前方,车 辆才会具有不足转向特性。 —-400—-200 0 200 400 600 800 质心距中轴往前位置(mm) 图6 质心位置与侧偏刚度变化对K的影响 (下转第27页) 《一《 ∞ 第6期 李豪李建桥邹猛王洋:模拟月壤在不同堆积状态下的紧实度研究 27 深度(cm) 图8 0~45 em深度JLU圆锥指数变化范围 4 结论 I)容重随着旋耕、振压1遍、振压2遍的 顺序增加,旋耕时的容重变化范围为 1.29~1.54 g/m ,振压l遍为1.38~1.56 m , 振压2遍为1.42~1.54 g/m 。 2)无论在0~1 5 cm还是0~45 cm,模拟 月壤紧实度按照旋耕、振压1遍、振压2遍这 样的顺序增加。 3)在圆锥贯入深度为0~l5 cm时,仅旋 耕后的模拟月壤圆锥指数平均值处在月壤理 论圆锥指数变化范围之内,而振压l遍和振压 2遍均超出范围。 (上接第10页) 5.4 侧偏刚度的影响 还以该车为对象,改变侧偏刚度,令C 。: 300 kN/rad;C =一500kN/rad,并令其质心 从中轴前650 mm到后200 mm进行变化。设质 心距中轴为 米,向前为正,则:b=一 ;0= 1.9一 ;C=1.9+ ;代人 表达式可得:K= 0.000 31(1.9+6x)。当 ≥~3 1 7 mm时,K≥ 0;质心可后移317 mm而不改变车辆不足转 向特性,如图6所示。可见,通过改变侧偏刚 度,也可以改变车辆的转向特性。 6 结论 本文依据轮式装甲车结构特点,通过分 析,建立了多轮转向多轴车辆操稳性单轨运动 4)在圆锥贯入深度为0—45(31"11时,旋耕 和振压1遍后的模拟月壤圆锥指数变化范围 在月壤实际圆锥指数变化范围之内,而振压2 遍的圆锥指数超过实际月面值。 5)模拟月壤JLU经过旋耕后,可以使模拟 月壤的紧实度达到真实月壤的理论和实际变 化范围之内,这样使得模拟月壤的力学性质类 似于真实月面值。 参考文献 [1] 欧阳自远.月球科学概论[M].北京:中国宇航 出版社,2005:151—17o [2] 褚桂柏,张煸.月球探测器技术[M].北京:中国 科学技术出版社,2007:59—61 [3]李建桥,邹猛,李因武,等.驱动轮结构参数对月 球车牵引性能影响研究[J].空间科学学报, 2008,28(4):335—339 [4] 李建桥,邹猛,贾阳,等.用于月面车辆力学试验 的模拟月壤研究[J].岩土力学,2008,29(6): 1557—156l [5] 贺小兵,周少奇。模拟月壤研制及其性质初探 [J].应用化工,2010,39(8):1218~1221 (责任编辑吴鸿霞) 通用数学模型,得出了该类车辆的稳态响应特 性表达式。编制了matlab计算程序,对特定结 构的3轴车进行了操稳性的计算与分析,得到 质心位置、侧偏刚度等参数对车辆操稳性的具 体影响,为深入分析和研究该类车辆操纵稳定 性提供了理论基础。 参考文献 [1]郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春:吉林科学 技术出版社,1991:96—100 [2] 杨旭.三轴重型车辆转向稳定性研究[D].[硕 士学位论文].吉林:吉林大学,2007:36—40 [3]余志生.汽车理论[M].4版.北京:机械工业出 版社,2006:116—119 (责任编辑吴鸿霞) 

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