【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和軍事的更高需求,多軸轉(zhuǎn)向車輛在各個(gè)領(lǐng)域都得到了越來越多的應(yīng)用。但是其尺寸過大和載重量過重的特點(diǎn)也導(dǎo)致這種車輛的低速靈活性和高速穩(wěn)定性得不到可靠的保證,增加了對(duì)其控制的難度。車輛車軸數(shù)量的增加使得對(duì)車輛各軸的轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制變得更加困難,不當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角關(guān)系還將會(huì)加劇各軸輪胎的磨損程度。而合理有效的轉(zhuǎn)角控制技術(shù)對(duì)改善以上問題能起到關(guān)鍵性的作用。圍繞上述問題,本文以某六軸轉(zhuǎn)向起重車輛為研究對(duì)象,對(duì)阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系下的轉(zhuǎn)向特性展開深入研究。并進(jìn)一步考慮多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向形式的多樣化,研究其非阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系時(shí)的轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)角控制更有實(shí)際意義。因而,針對(duì)不同研究側(cè)重點(diǎn),文中提出了四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型。使多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向技術(shù)在任意轉(zhuǎn)角關(guān)系下都能擁有統(tǒng)一的研究方法。最后采用面向模型跟蹤控制的等效轉(zhuǎn)向模型作為基礎(chǔ),提出了一種分層轉(zhuǎn)向控制策略對(duì)車輛的各軸進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制,并表現(xiàn)出了多目標(biāo)最優(yōu)的控制效果。本文主要開展了以下研究工作:首先,采用拉格朗日動(dòng)力學(xué)建模方法推導(dǎo)建立了三自由度非線性多軸車輛模型。模型包括油氣懸架子模型、輪胎子模型、公路行駛模式下的轉(zhuǎn)向子模型。進(jìn)行油氣懸架建模時(shí),本文采用試驗(yàn)結(jié)合曲線擬合的方式對(duì)其進(jìn)行建模。利用高頻往復(fù)振動(dòng)模擬油氣懸架的阻尼特性,低頻往復(fù)振動(dòng)模擬油氣彈簧的剛度特性。這種試驗(yàn)性建模方法實(shí)用性強(qiáng),且與真實(shí)系統(tǒng)的吻合度高。本文采用郭孔輝教授提出的Uni Tire半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)輪胎的純側(cè)偏工況進(jìn)行建模,并將其嵌入至整車模型中。文中針對(duì)公路轉(zhuǎn)向模式建立了相應(yīng)的轉(zhuǎn)向模型。最后采用實(shí)車試驗(yàn)的方式對(duì)所建模型進(jìn)行了驗(yàn)證。其次,本文對(duì)車輛的不同轉(zhuǎn)向模式和各種轉(zhuǎn)向模式所具有的特點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。針對(duì)多軸車輛低速靈活性的問題,文中采用最小轉(zhuǎn)向空間為優(yōu)化目標(biāo)的方法對(duì)車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行了求解,優(yōu)化量為各軸轉(zhuǎn)角,限制條件為阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系下的各軸轉(zhuǎn)角偏差不超過2°。按此方法,最終所得的最小轉(zhuǎn)彎半徑不超過6m,極大的提高了多軸車輛的低速轉(zhuǎn)向靈活性。再次,結(jié)合所建立的二自由度線性車輛模型以及相應(yīng)的推導(dǎo)結(jié)果,對(duì)車輛的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行了深入研究。文中提出了等效轉(zhuǎn)向中心距和等效質(zhì)心側(cè)偏角系數(shù)的概念,并與所推導(dǎo)的等效軸距和等效穩(wěn)定性系數(shù)一起作為車輛穩(wěn)態(tài)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的研究基礎(chǔ)。通過選取不同的轉(zhuǎn)向中心距對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性的影響進(jìn)行了定性的分析。同時(shí)為了更好的選擇輪胎側(cè)偏剛度,還以不同的輪胎側(cè)偏剛度對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性的影響做了定性分析。最后文中從頻域、復(fù)域和時(shí)域的角度對(duì)車輛的瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行分析研究。同樣,也選取不同的轉(zhuǎn)向中心距對(duì)多軸轉(zhuǎn)向車輛的各瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。然后,考慮到多軸轉(zhuǎn)向車輛的大部分轉(zhuǎn)向模式都是非阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系,為了進(jìn)一步研究非阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系下的多軸轉(zhuǎn)向特性的統(tǒng)一表征方法。文中提出了四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型,分別是針對(duì)橫擺率控制的“橫擺等效模型”(第一種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)、質(zhì)心側(cè)偏角控制的“側(cè)偏等效模型”(第二種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)、理想模型跟蹤控制的“橫擺—側(cè)偏等效模型”(第三種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)、適用于轉(zhuǎn)向特性分析的“橫擺—側(cè)偏二元等效模型”(第四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型)。前三種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型屬于一元等效,計(jì)算方便,精度稍低,但在控制的上層決策中使用可以達(dá)到精度和計(jì)算效率兼顧的效果。第四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型屬于二元等效,計(jì)算偏復(fù)雜,精度很高,用于對(duì)非阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系下的轉(zhuǎn)向特性分析將會(huì)得到較精確的分析結(jié)果。最后,為了說明所提出的四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型的有效性,分別從時(shí)域、復(fù)域、頻域的角度對(duì)其做了詳細(xì)的論述。結(jié)果表明,所提出的四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型具有較高的可靠性,可作為非阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系下的多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的理論研究基礎(chǔ)。最后,由于車輛的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角都需進(jìn)行控制,又兼顧計(jì)算效率和精度,本文選取第三種“橫擺—側(cè)偏等效模型”作為控制策略的理論基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一種包含三層控制的轉(zhuǎn)角控制器。根據(jù)理想車輛模型和目標(biāo)車輛模型對(duì)上層控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)輪胎均勻化磨損對(duì)各軸側(cè)偏角的要求,再結(jié)合上層控制的框架,即可分配下層的各軸轉(zhuǎn)角量。最后通過微調(diào)控制層對(duì)各軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行微調(diào),即以犧牲最小的各軸輪胎側(cè)偏角的均勻性來換取目標(biāo)車輛最好的跟蹤理想車輛狀態(tài)參數(shù)的目的,從而達(dá)到車輛的操穩(wěn)性能和輪胎磨損性能的最優(yōu)控制效果。結(jié)果表明,本文所提出的MOC控制策略不僅提升了多軸轉(zhuǎn)向車輛的低速靈活性和高速穩(wěn)定性,并對(duì)減輕各軸輪胎磨損起到了很好的控制效果。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:(1)建立了多軸轉(zhuǎn)向車輛的非線性三自由度動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)整車模型。其中的懸架模型采用試驗(yàn)曲線擬合的方式建立,并分別以高頻和低頻模擬油氣彈簧阻尼和剛度特性。以此整車模型為基礎(chǔ),進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)向車輛的多目標(biāo)轉(zhuǎn)角控制研究;(2)提出了等效轉(zhuǎn)向中心距和等效質(zhì)心側(cè)偏角系數(shù)的概念,結(jié)合等效軸距和等效穩(wěn)定性系數(shù),統(tǒng)一表達(dá)多軸轉(zhuǎn)向車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。并且這一概念的提出也讓瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心距有了更標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)形式和更明確的物理意義;(3)提出了四種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型。可根據(jù)具體的控制需要選擇前三種一元等效模型中的一種來使用,而精度較高的第四種二元等效模型更適合用于對(duì)多軸轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向特性分析中;(4)基于第三種阿克曼等效轉(zhuǎn)向模型理論,提出了適合于以多軸轉(zhuǎn)向車輛操穩(wěn)和輪胎磨損為多控制目標(biāo)的分層轉(zhuǎn)角控制策略。并使該多軸轉(zhuǎn)向車輛達(dá)到多目標(biāo)轉(zhuǎn)角最優(yōu)控制效果。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U463.4
【圖文】：

對(duì)于軍用而言，使用最多的是多軸轉(zhuǎn)向?qū)椳嚒⒀b甲車以及貨車。當(dāng)代高科技戰(zhàn)爭的特點(diǎn)決定了軍用車輛的重型化、多軸化和復(fù)雜化。首先是武器裝備的重型化和復(fù)雜化必定要求與其配套的車輛也有承擔(dān)相應(yīng)重型化和復(fù)雜化的能力。其次，要在極短時(shí)間內(nèi)集齊大量的消耗物資補(bǔ)給也必要要求作為勤務(wù)運(yùn)輸工具的補(bǔ)給車輛重型化。作為現(xiàn)代軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力四大要素之首的機(jī)動(dòng)性要求軍用車輛具有良好的轉(zhuǎn)運(yùn)和投送能力，并且保證在一定載重的基礎(chǔ)上能夠快速穩(wěn)定的通過各種路段[1]。（a）多軸轉(zhuǎn)向貨車 （b）多軸轉(zhuǎn)向工程車

（c）臺(tái)架試驗(yàn)中的蓄能器和閥塊等原件圖 2.2 油氣彈簧及臺(tái)架試驗(yàn)彈簧的剛度特性和阻尼特性數(shù)據(jù)，本文對(duì)油氣彈分別模擬油氣彈簧的剛度和阻尼特性。如表 2.1 所體參數(shù)細(xì)節(jié)。表 2.1 油氣彈簧試驗(yàn)工況 幅值 (m) 頻率 (Hz) 0.05 0.05 0.05 0.54 彈簧的下端固定在試驗(yàn)臺(tái)上，上端與試驗(yàn)臺(tái)的頂可以做一定頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，油氣彈簧即跟隨臺(tái)移傳感器和力傳感器將位移值和力值通過數(shù)采系

第 2 章 多軸轉(zhuǎn)向車輛的整車動(dòng)力學(xué)模型為車輛靜止時(shí)的位置，所以在平衡點(diǎn)時(shí)油氣彈簧表現(xiàn)出一定的，受拉升為正）。圖中的藍(lán)色點(diǎn)構(gòu)成的曲線為試驗(yàn)曲線，而黑色中可以看出，因?yàn)槭窃诘皖l工況下，所以此試驗(yàn)曲線已經(jīng)相當(dāng)模擬油氣彈簧的剛度特性。由圖中曲線可以得到位移-力擬合曲3 2 5 350.1307 0.4912 4.3 10 3.2484 10 (KN)sF x x x = + × + × ···剛度擬合曲線為：3 -5 20.4912 8.6 10 9.7452 10 (KN/mm)sk x x = × + × ··········

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2798783