第27卷 第10期2005年10月武 汉 理 工 大 学 学 报J OURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l .27 N o .10 Oct .2005汽车列车转向轮迹重合控制原理研究唐 岚,黄海波,邱小平(西华大学交通与汽车工程学院,成都610039)摘 要: 提出了全挂车跟踪牵引车而达到汽车列车轮迹重合的转向特性控制方案———轨迹再现,即先通过已知的牵引车转角数据和位移数据进行轨迹再现,然后用获得的轨迹数据来控制挂车的转向行驶,利用计算机进行仿真和模型试验,得到了预期的转向轮迹重合特性。
关键词: 汽车列车; 轮迹重合; 仿真; 模型试验中图分类号: U 461.1文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2005)10-0063-04The Control Principle of Overlap Traced the Trackof the Road TrainTANG Lan ,HU ANG Hai -bo ,QIU Xiao -ping(School of T raffic and Automobile Engineering ,Xihua U niversity ,Chengdu 610039,China )Abstract : In this paper the control principle of overlap traced the track of steer tire of the train was described .T he steering characteristics o f the full trailer were obtained by traced the track of the motor tractor .T he principle w as the road reappearance .Firstly ,the road reappearance w as obtained by the data already known of turning angle and displacement of the motor tracto r .Secondly the turning drive of the trailer w as g otten by the abo ve data .T he overlap peculiarity of the track of the steer tire of the train was obtained by model simulation and simulation on computer .Key words : train ; overlap of the track ; simulation ; model simulation 收稿日期:2005-07-25.基金项目:四川省科技厅应用基础研究经费资助(9713568).作者简介:唐 岚(1963-),女,副教授.E -mail :cs5765@1 问题的提出随着公路质量的不断提高,尤其在高等级公路大量建成之后,汽车列车运输以最佳的运输效益以及对长大笨重件、集装件、超长大笨重件的良好适应性,吸引着世界各地汽车制造业和汽车运输业竞相发展汽车列车运输。
我国高速公路网的相继建成,为集装箱汽车列车运输提供了快速、直达的陆路运输条件。
大力发展汽车列车运输,正作为挖掘汽车技术潜力、降低运输成本、提高运输效率和改善经济效益的重要途径。
因此,从提高汽车列车主动安全性的角度出发,开发一种具有轮迹重合特性的高机动性要求的汽车列车转向机构,提高汽车列车在狭窄弯曲路段上改变方向或绕过障碍物的能力,在车站、货场、码头集装箱或大宗货物场内中转运输的机动性和通过性,具有十分现实的意义。
评价汽车列车机动性的2个重要指标是最小转弯直径D min 和最大通道宽度A max [1]。
D min 是指汽车列车转向时,当内轮转到极限位置时,外侧车轮所滚过的轮迹圆的直径;最大通道宽度A m ax 是汽车列车的离转向中心最远点和最近点的距离。
如图1所示,前轴转向的一拖两挂全挂车左转弯时的情形。
可以看出它要求较大的通道宽度,越过障碍物的能力不好,挂车轮迹随着转弯半径的减小,要求的通道宽度也越宽;牵引的挂车数量越多,则最后一辆挂车内轮的转弯半径就越小。
造成这种现象的根本原因在于挂车与牵引车之间、挂车与挂车之间的轨迹重合度太差。
为提高汽车列车的机动性,改进其转向机构,使列车轮迹尽量重合,减小通道宽度,是提升汽车列车通过障碍物的关键[2]。
2 轮迹重合转向控制方案1)汽车列车转向模型 研究的一拖一挂全挂汽车列车转向运动模型结构如图2所示。
牵引车与挂车、挂车与挂车之间均用二力杆连接。
牵引车和挂车的前、后桥轮距中心(M q 、N q 、M g 和N g )以及牵引车与挂车之间的连接点(E q 和E g )是转向控制运算中的关键点。
设牵引车拖动挂车在平整路面上匀速行驶,且没有侧滑;在前轮转向牵引车(后轮不转向)拖动行驶的过程中,分别使用2个控制器控制挂车前、后轮的转角和转向时刻,控制器根据牵引车的行驶数据(前轮转角、位移量)和挂车当前的位置来计算确定对应时刻挂车转向轮的转角。
2)控制方案选择 在汽车列车的行驶过程中,挂车控制器能够直接从牵引车获得的数据是:牵引车各个时刻的转角数据和位移数据,而要控制的是挂车前、后轮转角。
对此有2种控制方案:(1)从角度到角度,即从前车的转向轮转角直接影射为挂车的转向轮转角,如牵引杆挂车,文献[3]指出这种方法的局限性较大;(2)从角度到轨迹,再到角度,即通过分析处理传感器测出的牵引车转向轮转角和位移,换算出牵引车的行驶轨迹,根据这个轨迹换计算确定挂车前后轮在相应位置的转角。
选用第(2)种转向控制方案。
3 轮迹重合的计算机仿真分析在确定了转向控制方案后,进行了汽车列车的运行轮迹计算机仿真,以验证从角度到轨迹,再到角度的转向控制原理的运算方法。
1)仿真分析的轨迹选择 在车辆轮迹仿真的过程中首先要给定车辆行驶的道路。
在仿真的过程中选用了3种道路:(1)90°转弯道路;(2)180°转弯道路;(3)双纽线道路。
90°转弯道路与180°转弯道路是比较典型的道路,这在不少的轮迹仿真计算中采用。
但在直线与曲线交界处曲率变化很大,对仿真结果有一定影响[4]。
为此还选用了曲率变化连续的双纽线作为仿真计算道路。
2)仿真计算结果 在确定了计算中的几个基本参数后,进行了汽车列车的运行轨迹计算机仿真。
在仿真的过程中,为表征后轮转角大小,定义了一个无量纲量后桥中心转角比μ,即后桥中心转角与前、后桥中心转角和之比(不考虑方向)。
仅前轮转向时,μ=0。
其余结构参数是参考现有汽车列车的有关数据确定的:牵引车后延伸长度E =0.05×牵引车轴距,挂车的前延伸长度E 1=0.05×挂车轴距,连接拉杆的长度W =0.17×挂车轴距,双纽线的最小曲率半径R =4.0×挂车轴距。
在实际汽车列车大转弯时,车速很低,因此计算中没有考虑转向中轮胎侧偏等参数,考虑到车辆的稳定性,挂车的后桥中心转角比μ取小于0.5的值,分别仿真计算了μ=0、0.2、0.4,3种工况,其对应的μ=0,μ=0.4的汽车列车双纽线道路仿真结果如图3所示。
仿真程序中选取牵引车与挂车的轴距相同,图中的短横线表征牵引车的轴距。
在所示的仿真结果中,牵引车前桥中心M q 与挂车前桥中心M g 轨迹几乎重合,叠在一起形成外侧的细实线;牵引车后桥中心N q 轮迹在内侧用一系列圆点表示,挂车后桥中心N g 轮迹由内侧的细实线表示。
可以看出:μ=0时,挂车后桥中心N g 轨迹与牵引车前桥中心M q 轨迹偏移较大;μ=0.4时,挂车后桥中心N g 形成的轨迹(细实线)向外侧的前桥中心M q 靠近,内外2根细实线重合,只有表示牵引车后桥中心N q 轨迹的一系列圆点迹仍在内侧。
64 武 汉 理 工 大 学 学 报 2005年10月4 模型实验在仿真计算分析基础上,制作了单车模型和汽车列车模型(见图4),相应的传感器、步进电机以及驱动电源等。
模型单车长960mm ,轮距330mm ,轴距620mm 。
图5是汽车列车转向特性模型实验控制程序流程图。
实验在平整的室内场地进行,实验时牵引车模型由人力拖动移动。
图6是单车模型在设置不同的后轮转角比条件下,模型实验记录下的前、后桥的中心点运动轨迹曲线图。
在实验中,使用近似90°弯道道路。
从图6的各图可以看出(每小格为0.5m ):在μ=0的实验中,前、后桥中心点的移动轨迹间隔随着前轮转角的增大而增大;但随着后续实验中,后桥中心转角比μ的增加,前、后桥中心轨迹的间隔逐渐减小;但当后轮转角大于前轮转角(如μ>0.6)时,前、后桥中心点的移动轨迹间隔又开始增大,而且后桥中心点轨迹出现过大的波动,特别是刚开始转弯的时候。
以上结果与仿真结果基本一致。
如图7(a )所示,汽车列车在挂车后轮不转向的情况下,在使用轨迹再现方法后,挂车前桥中心的轨迹与牵引车前桥中心的轨迹相距较近,但挂车后轮轨迹在牵引车的通道宽度之外。
图7(b )是汽车列车在挂车65第27卷 第10期 唐 岚,等:汽车列车转向轮迹重合控制原理研究 前、后轮均转向的情况下,使用轨迹再现方法同时控制挂车前、后轮转向,挂车前、后桥中心点的轨迹基本上都控制在牵引车的通道宽度之内了。
5 结 语研究中提出了汽车列车轮迹重合控制宜采用“从角度到轨迹,再到角度”这种转向特性控制方案,在计算机上通过仿真计算验证了原理的可行性。
通过对模型实验测试结果表明,在全挂汽车列车轮迹重合转向机构中,采用“传感器※控制器※执行机构”的方式来增加全挂车的“自主”转向能力。
当控制器判断到全挂车行驶到对应道路位置时,控制器根据该位置的轨迹数据和全挂车结构参数计算出全挂车此时的前、后轮转角,然后传送给执行机构控制全挂车前、后轮的转动角度,可使全挂车前、后轮轨迹基本上控制在牵引车的通道宽度之中。
模型实验结果与计算机仿真结果基本一致。
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