【摘要】：作為工程機(jī)械的重要組成部分,鉸接式轉(zhuǎn)向車輛(簡(jiǎn)稱為鉸接車)以良好的機(jī)動(dòng)性、廣泛的適應(yīng)性、較高的生產(chǎn)率、較低的運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建筑、林業(yè)和采礦等行業(yè)。然而由于缺乏自動(dòng)回正力矩、駕駛員視野隨轉(zhuǎn)向而動(dòng)、以及全液壓轉(zhuǎn)向自身缺陷等一系列問題,導(dǎo)致鉸接車的可操縱性變差、行駛穩(wěn)定性降低,造成了一定的駕駛員操作負(fù)擔(dān)、影響了車輛的行駛安全。為解決上述問題,本文立足于搭建準(zhǔn)確的鉸接車數(shù)學(xué)模型并實(shí)現(xiàn)可視化仿真,深度研究鉸接車橫擺穩(wěn)定性的影響因素,并從駕駛操縱和車身穩(wěn)定性兩個(gè)層面對(duì)鉸接車的姿態(tài)進(jìn)行控制。針對(duì)目前鉸接車模型在準(zhǔn)確性、仿真實(shí)時(shí)性、可視化顯示等方面不能兼顧的問題,推導(dǎo)、搭建了耦合全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在內(nèi)的鉸接車非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并分別以實(shí)車場(chǎng)地試驗(yàn)和多體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)數(shù)學(xué)模型在低速和高速時(shí)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的鉸接車可視化仿真模型,使鉸接車模型同時(shí)具備了較高的仿真精度、較快的仿真速度、以及更好的視覺效果。通過外接方向盤和踏板組件的方式,實(shí)現(xiàn)了鉸接車的駕駛員在環(huán)仿真�；阢q接車2-DOF和3-DOF模型,分析了輪胎側(cè)偏剛度、整車質(zhì)心位置、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效扭轉(zhuǎn)剛度等對(duì)鉸接車穩(wěn)定性的影響。討論了兩種線性模型的優(yōu)缺點(diǎn),給出了適合鉸接車穩(wěn)定性控制的參考模型�；趯�(shí)車試驗(yàn)結(jié)果分析了鉸接車方向盤轉(zhuǎn)角與折腰角之間的非線性對(duì)應(yīng)問題,并通過對(duì)非線性車輛模型的仿真分析找出了造成鉸接車方向盤與折腰角不能同時(shí)回正的原因。分析了鉸接車橫擺穩(wěn)定性的影響因素,給出了鉸接車穩(wěn)定性參考Map圖。為解決鉸接車可操縱性差以及行駛環(huán)境影響駕駛員安全的問題,提出了一種基于動(dòng)態(tài)虛擬地形場(chǎng)的鉸接車路徑跟蹤控制策略。設(shè)計(jì)了基于主動(dòng)安全的車速控制器;建立了虛擬地形場(chǎng)的截面函數(shù),給出了直接側(cè)偏角控制和虛擬道路側(cè)傾控制兩種方法糾正側(cè)偏的影響;根據(jù)相關(guān)參數(shù)的可變性,將虛擬地形場(chǎng)函數(shù)劃分為基本地形和動(dòng)態(tài)地形;結(jié)合鉸接車動(dòng)力學(xué)模型與虛擬地形場(chǎng)下車輛側(cè)傾產(chǎn)生的輪胎側(cè)向力,得出主要折腰角,與補(bǔ)償角疊加共同組成目標(biāo)折腰角;針對(duì)方向盤與折腰角不能同時(shí)回正的問題,提出了固定傳動(dòng)比與PID反饋控制相結(jié)合的鉸接車轉(zhuǎn)角控制方法。在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立了鉸接車無人駕駛路徑跟蹤控制器,分別在環(huán)形道路、雙移線道路、蛇形道路等工況下進(jìn)行了路徑跟蹤控制仿真,并將結(jié)果與駕駛員在環(huán)仿真控制結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,無人駕駛路徑跟蹤控制以較小的誤差和較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向操作,顯示出對(duì)駕駛員控制的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),驗(yàn)證了鉸接車無人駕駛路徑跟蹤控制算法的有效性。針對(duì)鉸接車相對(duì)橫擺穩(wěn)定性差、容易受到多種因素影響的問題,設(shè)計(jì)了兩種鉸接車的橫擺穩(wěn)定性改進(jìn)辦法。首先通過改進(jìn)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、對(duì)液壓轉(zhuǎn)向缸進(jìn)行補(bǔ)油壓力控制改善鉸接車的橫擺穩(wěn)定性,并通過仿真分析確定了適合35t鉸接車的補(bǔ)油壓力參考值。之后設(shè)計(jì)了基于LQR的鉸接車橫擺穩(wěn)定性控制器,以及基于最優(yōu)輪胎利用率的車輪驅(qū)動(dòng)力分配控制器,并設(shè)計(jì)了車輪防滑控制器。最后通過仿真驗(yàn)證了鉸接車橫擺穩(wěn)定性控制器的有效性和魯棒性。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U461.6
【圖文】：

由于采用了特殊的轉(zhuǎn)向和連接方式，鉸接車直線行駛時(shí)會(huì)逐漸偏離直線逡逑道路、并需要駕駛員持續(xù)不斷地對(duì)方向進(jìn)行糾正，最終形成振蕩形狀的行駛逡逑路徑，如圖１－１，通常稱為“蛇形”現(xiàn)象。這一問題的存在使鉸接車只能以逡逑較低車速行駛，遠(yuǎn)程遙控操作的鉸接車速度不超過５－６ｋｍ／ｈ，駕駛員控制的逡逑鉸接車速度超過３０ｋｍ／ｈ后必須配備操作輔助系統(tǒng)，以提高鉸接車的航向穩(wěn)定逡逑性印。逡逑１０１邐ｉ邐．邐１邐１邐逡逑／ｖ．邐｜邐ｊ邐ｊ邐ｊ邐＾逡逑°0邋Ｖ邐Ｔ￣７＂—Ｔ—邐＂邋ｆ逡逑ｒＡｙ邋＼邋ｌｙｖ邋ｈ逡逑ｈ．邋－逡逑＾５0邐—；邐ｉ．．．ｒ＼ｌＴｔ４逡逑—ｊ—１———ｉ￡；逡逑＂９0０邐２０邐４０邐６０邐８０邐１００逡逑Ｄｉｓｔａｎｃｅ邋ｘ，邋ｍ逡逑圖１－１鉸接車“蛇形”現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)軌跡一車速２８邋ｋｍ／ｈＷ逡逑司機(jī)駕駛鉸接車在礦山道路行駛時(shí)需要頻繁調(diào)節(jié)方向盤，并抱怨駕駛負(fù)逡逑擔(dān)過重。且車輛在行駛過程中無法沿直線行駛，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在對(duì)６０ｔ逡逑鉸接車試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使在平整路面上低速直線行駛，鉸接車的兩個(gè)轉(zhuǎn)向液逡逑壓缸始終存在位移波動(dòng)，且油缸位移測(cè)試同時(shí)使用了兩個(gè)獨(dú)立的線位移傳感逡逑器

汽車在行駛過程中，駕駛員通過控制車輛轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)路徑的跟蹤。逡逑根據(jù)轉(zhuǎn)向方式的不同，可分為前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向、車軸轉(zhuǎn)向、逡逑鉸接式轉(zhuǎn)向、差速轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向原理如圖１－２所示。在轉(zhuǎn)向過程中，鉸接式逡逑轉(zhuǎn)向車輛的前后兩個(gè)車體都發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，而其他轉(zhuǎn)向方式的車輛僅是車輪或逡逑車軸相對(duì)車體發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，這是鉸接車與其他轉(zhuǎn)向方式車輛的最大逡逑區(qū)別。鉸接車的具體應(yīng)用車型有鉸接式自卸車、鏟運(yùn)機(jī)、裝載機(jī)、拖拉機(jī)、逡逑平地機(jī)、林業(yè)伐木機(jī)等，示例如圖１－３所示。逡逑／邐Ｖ邋Ａ逡逑／’前輪轉(zhuǎn)向｜邐｜后輪轉(zhuǎn)向＼邋］邋｜善輪轉(zhuǎn)￥逡逑＾邐＾邐＾邐４邐＞逡逑ＭＡ邐Ａ邐Ａ逡逑，－Ｓ＾邋．．邐聲Ａ邐ｒＷ－．逡逑車軸轉(zhuǎn)向邐｜雇速轉(zhuǎn)向、逡逑＾邐備接轉(zhuǎn)向一一邐＾邐＾逡逑圖１－２汽車典型轉(zhuǎn)向方式逡逑－２－逡逑

由于鉸接式轉(zhuǎn)向解決了整體式底盤車輛在大牽引力和機(jī)動(dòng)性的之間的矛逡逑盾，再加上經(jīng)濟(jì)方面的原因，鉸接式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸受到歡迎，被越來越多的逡逑汽車制造廠商用于大噸位工程運(yùn)輸車輛。鉸接式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種全液壓轉(zhuǎn)向逡逑系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖１－４所示，通常是由兩個(gè)液壓缸推動(dòng)前后車體使其產(chǎn)逡逑生相對(duì)橫擺角來實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向，而液壓缸的油路則由全液壓轉(zhuǎn)向控制器控逡逑制。對(duì)于大型工程機(jī)械來說，由于全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有操縱力小、結(jié)構(gòu)緊湊、逡逑布置靈活、可實(shí)現(xiàn)人力應(yīng)急轉(zhuǎn)向等諸多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于在農(nóng)業(yè)、建筑、林業(yè)和采逡逑礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用的非公路車輛，鉸接式轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)顯著地改善了車輛的可逡逑操縱性和轉(zhuǎn)向能力，取得了更好的經(jīng)濟(jì)性。隨著工程機(jī)械大型化的發(fā)展，轉(zhuǎn)逡逑向阻力矩也之提高，靠單級(jí)全液壓轉(zhuǎn)向器控制的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已不能滿逡逑足轉(zhuǎn)向要求。流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、逡逑油路連接少、操縱省力、轉(zhuǎn)向靈敏、安裝布置方便、工作可靠和系統(tǒng)效率高逡逑等優(yōu)點(diǎn)。目前，大型礦用汽車均采用流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Ｈ。逡逑為得到更好的附著特性，在前后車體之間會(huì)安裝有一個(gè)擺動(dòng)環(huán)以允許兩逡逑個(gè)車體之間的相對(duì)側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸接點(diǎn)則允許前車體相對(duì)折腰轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度逡逑達(dá)±４５°。與整體式底盤的輪式轉(zhuǎn)向車輛相比，鉸接式轉(zhuǎn)向車輛需要克服的逡逑

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本文編號(hào)：2799431