高机动性车辆动力系统的研究与设计

高 俊

（上海七宝中学，上海 201101）



高机动性车辆动力系统的研究与设计

高 俊

（上海七宝中学，上海 201101）

采用动力学的基本理论和方法，以车辆为研究对象，进行车辆动力学性能仿真的研究。除了进行客观评价试验获得描述车辆动力学信息的相应数据，还通过精确的三维实体模型计算建立了动力学仿真模型，由仿真试验数据得到动力学模型等在实际试验中难以得到的数据。本文所研究的动力学模型为多轴差动机构，通过大量地采集并有效地处理随机振动数据，能进行振动自动调整，从而减轻振动对乘坐舒适性的影响，提高车辆的平顺性和操纵的稳定性。

动力学；振动；平稳性；多轴差动机构

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.006

CLC NO.: U462.3+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-15-03

引言

机动能力在很大程度上取决于机动车车底盘的机动性，因此机动车车底盘必须有较高的车速、较大的爬坡度、更大的载重量、较好的稳定性、可靠的制动性能、良好的道路适应性，并具有较强的越野能力，以适应各种使用环境和条件。这其中，道路适应性对于人的乘坐舒适度有较大影响。

车辆振动作用于人体所，会产生比较特殊的主观感觉。参考文献[2]中提到，人体作为极其复杂的振动系统，生理上的感觉并不遵循力学原理，而是一种与生理、心理因素相关的非线性关系。对于车辆振动对人体的影响，近年来国内外有较多研究内容可供参考。比如文献[1]中就提到了一种车辆载体的针对人体舒适度的振动监测系统，再比如对于近年来较为流行和火热的电动车振动分析，可参见文献[3]；针对座椅等部位的专门振动研究可以参见文献[4] [5]。由此可见，汽车振动作为日常生活中较为常见的现象，值得进行多方面的研究，设计一种采用新技术新方法新拓扑的能有效减轻振动的模型车，也就具备了一定的实际意义。

在上述汽车振动中，由路面不平度激起的车辆振动是一类常见的、复杂的随机振动。本文阐述一种在特殊设计的多轴模型车上，通过大量地采集并有效地处理随机振动数据，对多自由度车辆模型进行振动调整和振动克服的方法，减轻振动对乘坐舒适性的影响。本文重点研究的是多轴整车动力学的建模方法，研究多轴车辆的操纵稳定性模型和多轴转向模型及其特性和影响因素，并将之应用于实际车型的性能分析和设计中。

文章是由如下几部分组成的：第一部分阐述多轴模型车的空间运动学建模与计算，第二部分阐述具体平台的搭建与设计，最后一部分总结全文，并对课题还需进一步说明的相关内容作进一步的讨论。

1、汽车空间运动学方程建模

如果把车辆的空间运动看作是两个平面运动的合成，那么空间运动的车辆可简化为空间连杆模型(见图1)，每一个模块有一个局部坐标，机体轴线方向设为轴方向，机体法线方向设为轴，将模块按轴线垂直方式依次连接，每两个模块构成具有两个相对独立自由度的关节，分别把它们定义为一个绕轴的上下抬起运动和另一个绕轴的左右摆动。绕轴的上下抬起运动由其中一个电机转动角控制，而绕Z轴的左右摆动方程则由另一个电机转动角控制，可推导出模型的空间运动学表达式，如式(1)(2)所示：

上式中，和为两个波运动的初始弯角；为每一运动平面内模块数；为不同平面内两个波的相位差。

图2　水平驱动轮示意图

在以上运动学模型基础上，本文着重关注垂直方向上车辆在复杂地形行驶时的静态稳定性和运动学。本模型车第一层，由一个主车体、4个驱动轮、2节摆动车体和4个从动轮构成。用于克服由大型障碍物引起的颠簸振动。在越障时车辆的质心有较大的变化，而且当触地条件不同时，随着关节角度的变化，车辆的质心位置会向着不同的区域发展，这使得静态稳定性问题变得很突出。

上图为水平面上“两个”驱动轮着地时的情形，和分别为前后驱动轮的触地线，两个大的虚线圆是当摆动车体绕其轴心旋转时车体质心走过的轨线，α和β分别为摆动车体的旋转角度(驱动轮和从动轮轴心连线与水平面的夹角)，定义α=β=0时车辆的姿态为零点。主车体的质心位于坐标系原点，于是根据物体质心坐标公式以及(1)(2)推导出的运动学模型，我们得到此姿态时，车辆的质心坐标如(3)(4)所示：

经过变换可得：

这其实是一个如下图中阴影部分所描述的圆盘的方程。实际情况下，摆动车体不可能旋转一周，因此只需考虑下图中网格线阴影区，也就是α和β分别从0到变化时质心所走过的区域。

图3　阴影部分圆盘方程

类似的，可以得到前驱动轮和后从动轮着地情况下的质心运动范围，和前后从动轮着地的质心运动区域。对于前驱动轮来说，可以由(6)(7)表示，示意图参见图3。

对于后驱动轮来说，则其计算结果如(8)(9)所示：

相应后驱动轮着地的质心运动示意图如下图所示：

图4　后驱动轮着地的质心运动示意图

确定了三种情况下的模型之后，就能从几何关系分别推导出三种情况下的临界稳定坡度角θt。对于第一种情况来说：

对于第二种情况来说，若取后轮触地点坐标为，则分别有两种可能性：

类似的，对于前轮来说，设触地点坐标为，可得如(13)(14)所示两种可能性：

由上述计算可得，三节车体结构可以在地形的坡度小于稳定性临界坡度θt时保持静态绝对稳定，解决翻越较大障碍的问题，较之一般的六轮越障车体具有更强的包容性和稳定性，能翻越更大的障碍。但由于没有加设信息反馈模块，反应较慢灵敏度较低，仍不能完全解决车辆颠簸问题，因此，在此基础上，实验平台加设第二层由陀螺仪控制的调整模块，自动调节车辆平衡。

2、系统实验

2.1实验系统设计

根据上文所建立的车体运动学模型和基本模型车设计思路，我们利用单片机和陀螺仪搭建了相关实验平台，采用上文提到过的多轴差动平衡机构的设计方案。中间测试平台为一个四自由度的动力转换的载重平台。采用MMA7260QT陀螺仪大量地采集并有效地处理随机振动数据，根据陀螺仪的判定驱动四个电机，保持中间载重平台范围内自动保持水平（XY轴方向范围内）。

图5　模型车示意图

整车由摩托罗拉MC68系列单片机控制，允许通过PC机下载改变程序，具体系统结果如下图所示：

图6　实验平台示意图

特别的，设计了相关车体变动系统，可以通过转向电机（永磁直流齿轮减速电机）实现车体上翘和下压。

2.2实验过程

图7　验证实验小车运动状态示意图

实际实验中，以小车无振动驶下大于斜坡为例实验了本系统的操纵稳定性。基本操作流程大致如下图所示。小车下斜坡时，为了能够顺利下坡，首先抬起前轮和后轮，此时前后驱动轮上受摩擦力分别为和，同时小车还受自身牵引力 F作用。那么容易知道，小车竖直方向上，水平方向上，只要满足相应条件，小车就可以顺畅驶下斜坡。

3、总结

通过验证，该动力学模型具有很强的越障、跨沟、爬楼梯、上陡坡能力。实验近似实现对复杂地面的线性平均，均衡效果，在一定角度适应范围比轮式差动结构好，能提高车辆的平顺性和操纵的稳定性。相较于一般的轮式差动结构，该车辆更适合用在地质探测、救灾、特殊地形物资运输等领域。考虑到本文篇幅有限，作者所做工作有限，在本论文工作的基础上，可以在以下几个方面开展更进一步的研究工作:

（1）进一步提高车辆模型的参数化程度，使之能成为该类型车型的一个主模型，以适用于快速高效地分析不同基本参数的同类车辆的重要动力学性能。

（2）应用专用软件建立动力学模型过程中，对建模所需的各项质量、惯量参数，通过实体造型软件输出三维实体模型。建立包括发动机、传动系、制动系和上装设备等子系统在内的整车动力学模型，扩大仿真应用范围，实现对整车动力性、行驶平顺行等多方面性能的综合评价。

（3）建立合适的驾驶员模型，从而建立人与车的环境这样一个闭环车辆控制系统，设计相对复杂的控制策略，模拟车辆操纵稳定性的控制效果。

本论文成果“一种高机动性车辆”在2012年获得中国国家知识产权局颁发的发明专利证书（专利号为：ZJ20081020 4946.4）。

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Designand Studyfor High Maneuverability Automobile

Gao Jun
（Qibao High School, Shanghai 201101）

Here we apply the basic lows and principles from kinetics on a real-world automobile to study its kinetic property. Except for the field tests done on the vehicle itself which are used to get objective results on kinetics model of the vehicle, we established precise simulation model based on real-world vehicle and retrieve data difficult to retrieve from field tests. We studied multi-axis differential motion mechanism, and the vibration can be self-adjusted by sampling and adjusting random vibration data derived from the sensors. This adjustment help reduce impact on comfort level of passengers, and increase the stability and smoothness of the car as well.

Kinetics; Vibration; Stability; Multi-axis Differential Motion Mechanism

高俊，工程师，就职于上海市七宝中学科技教育中心主任。在中学生创新教育方面有一定建树，对机器人设计、汽车构造等方面有浓厚的研究兴趣，目前主要研究方向包括机器人机构设计、机器人控制策略研究、相关机构动力学研究、汽车动力学研究。

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1671-7988 （2016）06-15-03