冰雪路面靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛轉(zhuǎn)向控制研究

冰雪路面靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛轉(zhuǎn)向控制研究

由于與其他路面相比，轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)和固定系數(shù)較小，因此靜液導(dǎo)向車輛在冰雪道路上行駛時(shí)容易滑倒和防滑，容易造成危險(xiǎn)。為提高靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛轉(zhuǎn)向安全性能,需通過(guò)冰雪路面轉(zhuǎn)向安全控制策略對(duì)駕駛員的目標(biāo)轉(zhuǎn)向信號(hào)進(jìn)行修正,綜合轉(zhuǎn)向控制單元在每一時(shí)刻解釋駕駛員轉(zhuǎn)向意圖,為兩側(cè)泵、馬達(dá)排量控制器提供馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令。使車輛能在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)滿足地面附著力以及車輛無(wú)側(cè)滑的要求,且保證系統(tǒng)壓力不超過(guò)安全閥設(shè)定壓力,實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)向行駛。本文的研究為靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛在冰雪路面實(shí)現(xiàn)正常、安全轉(zhuǎn)向行駛提供有力依據(jù)。1轉(zhuǎn)向各參數(shù)的物理意義目前所采用的典型靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)采用雙泵雙馬達(dá)分置車輛兩側(cè)方案,即發(fā)動(dòng)機(jī)把動(dòng)力傳遞給增速箱,由動(dòng)力傳動(dòng)箱分別傳遞動(dòng)力給兩側(cè)的泵馬達(dá)系統(tǒng),后又經(jīng)側(cè)傳動(dòng)與主動(dòng)輪相連,驅(qū)動(dòng)整車行駛。圖2為車輛轉(zhuǎn)向示意圖,轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是在沿行駛方向V的直線運(yùn)動(dòng)上疊加一繞轉(zhuǎn)向中心O1(運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)中心)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2中各參數(shù)的物理意義如下:B為履帶中心距(m);R為轉(zhuǎn)向半徑(m);O1為車輛瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心;O為車輛中心;Vo為車輛轉(zhuǎn)向中心速度;ω為轉(zhuǎn)向角速度(r/min);V1、V2為內(nèi)、外側(cè)履帶速度(km/h);F1、F2為內(nèi)、外側(cè)履帶所需力(N);FR1、FR2為內(nèi)、外側(cè)履帶的滾動(dòng)阻力(N);Mμ為轉(zhuǎn)向阻力矩(N·m);L為履帶接地長(zhǎng)(m)。根據(jù)相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ(ρ=R/B),可將車輛轉(zhuǎn)向分為3個(gè)半徑區(qū):①0<ρ≤0.5,原位轉(zhuǎn)向,此時(shí)內(nèi)外側(cè)履帶均輸出功率;②0.5<ρ≤ρ1(ρ1為F1=0時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑),小半徑轉(zhuǎn)向,此時(shí)外側(cè)履帶輸出功率,內(nèi)側(cè)履帶吸收功率,出現(xiàn)循環(huán)功率;③ρ1<ρ<∞,大半徑修正轉(zhuǎn)向,此時(shí)車輛工況與直駛工況相近,為過(guò)渡狀態(tài)轉(zhuǎn)向,內(nèi)、外側(cè)履帶均輸出功率,ρ=∞定義為直駛工況。車輛采用獨(dú)立式轉(zhuǎn)向,即轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)qK=1/2,轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)履帶速度等于轉(zhuǎn)向前車輛的直駛速度。2靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)助力轉(zhuǎn)向冰雪路面相比其他路面,轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)和地面附著系數(shù)比較小。靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛在冰雪路面實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向行駛需確保轉(zhuǎn)向行駛的3個(gè)條件:①地面附著力足夠。若出現(xiàn)附著力不足的情況,履帶會(huì)完全打滑,車輛不能前進(jìn);②車輛無(wú)側(cè)滑。車輛在高速轉(zhuǎn)向情況下離心力很大,當(dāng)離心力超過(guò)附著力時(shí)車輛即發(fā)生側(cè)滑,易產(chǎn)生危險(xiǎn);③系統(tǒng)可承受的最高壓力。外界負(fù)載呈大范圍變化,而靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可承受最高壓力為48MPa,若超過(guò)系統(tǒng)最高壓力限制,安全溢流閥打開(kāi),轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。通過(guò)冰雪路面轉(zhuǎn)向控制策略,對(duì)靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,可保證車輛在冰雪路面上安全轉(zhuǎn)向。(1)地面附著系數(shù)外側(cè)履帶力F2在各種轉(zhuǎn)向工況下都為最大值,車輛轉(zhuǎn)向的極限附著條件要求F2應(yīng)小于地面附著力FΦ:FΦ=fΦ?G2≥G2[fR(1+2V2gR?hB)+αg(1+ε)+μL2B]+JBdωdt(1)FΦ=fΦ?G2≥G2[fR(1+2V2gR?hB)+αg(1+ε)+μL2B]+JBdωdt(1)在等速轉(zhuǎn)向情況下:FΦ=fΦG2≥G2[fR(1+2V2gR?hB)+μL2B](2)FΦ=fΦG2≥G2[fR(1+2V2gR?hB)+μL2B](2)當(dāng)?shù)孛娓街Σ蛔銜r(shí),履帶會(huì)完全打滑,車輛不能前進(jìn),而冰雪路面地面附著系數(shù)?比較小(?=0.25),車輛易發(fā)生打滑現(xiàn)象。因此在冰雪路面轉(zhuǎn)向行駛,控制策略需重點(diǎn)考慮預(yù)防車輛打滑的影響,通過(guò)對(duì)兩側(cè)泵、馬達(dá)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的轉(zhuǎn)向半徑-車速曲線。受附著力影響,在等速轉(zhuǎn)向情況下,以相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑與允許的最高車速之間的關(guān)系曲線作為冰雪路面轉(zhuǎn)向控制策略的目標(biāo)曲線,如圖3所示。(2)靜液驅(qū)動(dòng)的車輛轉(zhuǎn)向一般而言,相同車速下轉(zhuǎn)向半徑越小越好,這樣便于在狹窄地面轉(zhuǎn)向,但是如果轉(zhuǎn)向半徑過(guò)小,低附著路面易引發(fā)車輛側(cè)滑。履帶車輛轉(zhuǎn)向不產(chǎn)生側(cè)滑的條件為離心力不超過(guò)側(cè)滑阻力,即:GV2gR=GV2gρB≤?G(4)GV2gR=GV2gρB≤?G(4)對(duì)靜液驅(qū)動(dòng)的履帶車輛而言,理論上可以通過(guò)對(duì)兩側(cè)泵、馬達(dá)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的轉(zhuǎn)向半徑-車速曲線。車輛小半徑轉(zhuǎn)向一般發(fā)生在低速區(qū),高速行駛時(shí)一般僅存在大半徑方向修正。而冰雪路面的地面附著系數(shù)?比較小(?=0.25),車輛易發(fā)生側(cè)滑。選取?=0.25的相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑-車速曲線作為控制策略的第二條目標(biāo)曲線,即側(cè)滑曲線,如圖4所示。(3)轉(zhuǎn)向控制策略模型在對(duì)靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛轉(zhuǎn)向行駛基本理論分析的基礎(chǔ)上,運(yùn)用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)建立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向仿真模型。仿真條件為:車輛在冰雪路面(fR=0.08,μmax=0.2)上行駛,取發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2500r/min,傳遞到靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大凈功率為122kW,采用獨(dú)立式方案實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。通過(guò)對(duì)靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向性能仿真分析,可得受系統(tǒng)最高壓力48MPa限制,不同相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑下的最高車速點(diǎn),并進(jìn)行擬合得到最小相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑-車速的關(guān)系曲線作為轉(zhuǎn)向控制策略的目標(biāo)曲線,如圖5所示。從圖5可知:冰雪路面,在相同轉(zhuǎn)向半徑情況下,受側(cè)滑影響車輛允許的最高車速總是大于受附著力影響車輛不打滑允許的最高車速。方向盤轉(zhuǎn)角位移信號(hào)對(duì)應(yīng)駕駛員期望相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ,方向盤旋轉(zhuǎn)角度范圍為[-45°,45°],其中[0,2°,15°,20°,25°,30°,40°,45°]分別與相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑ρ[10000,250,50,20,10,5,0.5,0.005]相對(duì)應(yīng),且呈線性關(guān)系,代表向右轉(zhuǎn)向。[-45°,0]與[0,45°]相對(duì)應(yīng),代表向左轉(zhuǎn)向。加速踏板信號(hào)對(duì)應(yīng)駕駛員直駛期望車速v,車輛采用獨(dú)立式轉(zhuǎn)向方案v2=v,即轉(zhuǎn)向過(guò)程中加速踏板信號(hào)對(duì)應(yīng)外側(cè)履帶速度v2。根據(jù)上述分析條件,可得靜液驅(qū)動(dòng)履帶車輛在冰雪路面行駛轉(zhuǎn)向控制策略模型。駕駛員通過(guò)加速踏板和方向盤給出期望車速以及期望相對(duì)轉(zhuǎn)向半徑到綜合轉(zhuǎn)向控制單元,經(jīng)過(guò)冰雪路面轉(zhuǎn)向控制策略,綜合轉(zhuǎn)向控制單元給出滿足系統(tǒng)最高壓力限制以及保證車輛不側(cè)滑、不打滑的兩側(cè)馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速到泵、馬達(dá)排量控制器。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)模型以及靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型,可得包含轉(zhuǎn)向控制策略環(huán)節(jié)的冰雪路面整車轉(zhuǎn)向行駛系統(tǒng)仿真模型,如圖6所示。3模擬結(jié)果與分析3.1原位轉(zhuǎn)向控制策略性能車輛以初始速度v=5km/h采用獨(dú)立轉(zhuǎn)向方式,在t=50～53s模擬駕駛員操縱方向盤由0～40°(預(yù)期ρ=0.5)變化,方向盤在53s后固定,車輛在冰雪路面(fR=0.08,μmax=0.2,?=0.25)上向右勻速轉(zhuǎn)向。從圖7可知:在冰雪路面,當(dāng)車速為5km/h、方向盤打到40°進(jìn)行原位轉(zhuǎn)向時(shí),為保證轉(zhuǎn)向的安全準(zhǔn)確完成,駕駛員控制信號(hào)經(jīng)過(guò)控制策略后外側(cè)履帶速度由5km/h降到3.45km/h。內(nèi)側(cè)履帶速度應(yīng)為0,在0～0.29km/h振蕩。實(shí)現(xiàn)ρ=0.51原位轉(zhuǎn)向。從圖8可知:在冰雪路面,當(dāng)車速為5km/h進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向控制策略主要考慮預(yù)防車輛側(cè)滑和受附著力不足車輛打滑的情況。因此轉(zhuǎn)向過(guò)程靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)外側(cè)壓力均不高,不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力48MPa。從圖9可知:冰雪路面由于附著系數(shù)?=0.25,外側(cè)主動(dòng)輪附著轉(zhuǎn)矩為1869N·m。附著力不足,車輛極易發(fā)生打滑。當(dāng)駕駛員信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向控制策略調(diào)節(jié),車輛自動(dòng)降速后,外側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩為1819N·m?？杀ＷC外側(cè)履帶力F2為小于附著力FΦ。從圖10可知:在冰雪路面上,當(dāng)車速為5km/h時(shí),外側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向刮土阻力為5750N,轉(zhuǎn)向刮土阻力為轉(zhuǎn)向阻力的主要組成部分。轉(zhuǎn)向加速阻力隨著速度的波動(dòng)有一定的振蕩。3.2小半徑轉(zhuǎn)向控制策略車輛以初始速度v=25km/h采用獨(dú)立轉(zhuǎn)向方式,在t=50～53s模擬駕駛員操縱方向盤由0～23°(預(yù)期ρ=14)變化,方向盤在53s后固定,車輛在冰雪路面(fR=0.08,μmax=0.2,?=0.25)上向右勻速轉(zhuǎn)向。從圖11可知:在冰雪路面上,當(dāng)車速為25km/h,方向盤打到25°進(jìn)行小半徑轉(zhuǎn)向時(shí),為保證轉(zhuǎn)向的安全準(zhǔn)確完成,駕駛員控制信號(hào)經(jīng)過(guò)控制策略后,外側(cè)履帶速度由25km/h降到21.77km/h。內(nèi)側(cè)履帶速度為20.27km/h。實(shí)現(xiàn)預(yù)期ρ=14的小半徑轉(zhuǎn)向。從圖12可知:在冰雪路面上,當(dāng)車速為25km/h進(jìn)行小半徑轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向控制策略主要考慮預(yù)防車輛側(cè)滑和受附著力不足車輛打滑的情況,其中附著力對(duì)車輛轉(zhuǎn)向速度的影響更為顯著。因此轉(zhuǎn)向過(guò)程靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)外側(cè)壓力均不高,不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力48MPa。從圖13可知:在冰雪路面上,當(dāng)車速為25km/h進(jìn)行小半徑轉(zhuǎn)向時(shí),駕駛員信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向控制策略調(diào)節(jié),受附著力影響為避免車輛打滑,車輛自動(dòng)降速后,外側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩為1689N·m?？杀ＷC外側(cè)履帶力F2小于附著力FΦ。從圖14可知:由于冰雪路面轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)很小μmax=0.2,與其他路面不同,當(dāng)車速為25km/h時(shí),轉(zhuǎn)向離心阻力已成為轉(zhuǎn)向阻力的主要組成部分。轉(zhuǎn)向時(shí)間為3s,慢速轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向加速阻力影響不顯著。3.3側(cè)滑和滑動(dòng)控制轉(zhuǎn)向車輛以初始速度v=55km/h采用獨(dú)立轉(zhuǎn)向方式,在t=50～53s模擬駕駛員操縱方向盤由0～12°變化,方向盤在53s后固定,車輛在冰雪路面(fR=0.08,μmax=0.2,?=0.25)上向右勻速轉(zhuǎn)向。從圖15可知:在冰雪路面上,當(dāng)車速為55km/h,方向盤打到12°進(jìn)行修正轉(zhuǎn)向時(shí),為保證轉(zhuǎn)向的安全準(zhǔn)確完成,駕駛員控制信號(hào)經(jīng)過(guò)控制策略后,外側(cè)履帶速度由55km/h降到54.74km/h,內(nèi)側(cè)履帶速度為54.17km/h。實(shí)現(xiàn)了預(yù)期ρ=96.15的修正轉(zhuǎn)向。從圖16和圖17可知:在冰雪路面上,當(dāng)車速為55km/h進(jìn)行修正轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向控制策略主要考慮系統(tǒng)壓力的影響。這是由于隨著車速的升高,馬達(dá)排量減小,系統(tǒng)壓力迅速增大;且轉(zhuǎn)向半徑增大,使得車輛主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩減小。車輛發(fā)生側(cè)滑和打滑的風(fēng)險(xiǎn)降低。此時(shí)靜液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外側(cè)壓力為47.8MPa,接近安全閥設(shè)定壓力48MPa。4靜液驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方案設(shè)計(jì)(1)在冰