电源方舱车转向稳定性分析

邵 波 连 亮 牛海峰 朱高科

（山西中电科技特种装备有限公司，太原 030032）

电源方舱车（简称“电源车”）在电力通信维护、抢险救灾、野外勘测和军事作战等场合的后勤保障中应用广泛，其具有移动快捷、运行噪声低、操作简便、全天候工作等特点。电源车必须具有良好稳定的行驶与转向性能，而对二类底盘进行改装并加装方舱，势必会对车辆原有的转向性能造成影响。本文以电源车为研究对象，建立了考虑横摆运动与侧向运动的二自由度转向模型，深入分析了质心位置、轮载分配等参数对稳态转向、转向瞬态响应的作用机理和影响效果。

1 质心位置与轮荷计算

某型电源车简图如图1所示。将方舱安装在底盘上，车辆的质量与质心位置会发生改变。由于质心位置会对转向性能产生很大的影响[1]，因此，需首先计算出加装舱体后的质心位置。

在质心位置与轴荷的计算中，定义坐标轴：以过双前轴中心的垂线与地面的交点为原点，行驶方向为X轴，以行驶方向为正；宽度方向为Y轴；垂直方向为Z轴，向上为正方向。电源车部分参数如表1所示。

表1 电源车部分参数

图1 电源车示意图

该型电源车选用陕汽SX1256GK549二类底盘，其技术参数如表2所示。

表2 底盘技术参数

其中，B为车辆底盘轮距，C为方舱整装质心距后桥的距离。

经过计算，质心位置为：

底盘双前轴最大负荷为14000kg，后轴最大负荷为11000kg，由此可见，满足负荷分布要求。

2 电源方舱车的二自由度模型与转向微分方程

根据汽车理论[2]和车辆操纵动力学[3]，以及其它相关文献[4～5]，对电源方舱车的转向运动进行数学建模。为了便于分析，在确保正确性的前提下，对描述转向运动的数学模型进行了简化。

（1）汽车沿X轴的前进速度视为不变；

（2）汽车的侧向加速度限定在0.4g以下；

（3）轮胎侧偏特性处于线性范围，侧偏力与侧偏角成正比关系；

（4）转向系统是刚性的；

（5）忽略转向时两侧轮胎载荷变化，以及悬架运动学的作用。

定义车辆坐标系如下：坐标原点位于车辆质心，电源车行驶方向为X 轴正方向，垂直路面向下为Z 轴正向，Y 轴正向按右手法则确定。电源车线性二自由度模型如图1所示，电源车沿X 轴的前进速度视为定值，因此，其只有沿Y轴的侧向运动和绕Z 轴的横摆运动。

由文献[6～7]，电源车转向的二自由度微分方程为：

β为质心侧偏角；ω˙r为电源车的横摆角速度；ki为第i轴的轮胎侧偏刚度；IZ为电源车绕Z轴旋转的转动惯量；M为电源车整车质量，单位为kg；Li为质心到第i轴的距离，单位为m，在电源车质心之前为正，在电源车质心之后则为负；θij为第i轴的车轮偏转角，j=1, 2；单位为rad；R为电源车转向半径，单位为m；V为电源车速度，单位为m/s。V =，u、v分别是其在X轴、Y轴上的分量；ωr为电源车横摆角速度，单位为rad/s。

3 稳态圆周运动微分方程

4 运动特性与仿真分析

4.1 稳态转向分析

K为稳定性因数。K=0时，稳态转向为中性转向；K＞0时，稳态转向为不足转向；K值增大，横摆角速度增益曲线变低，不足转向量增大。K＜0时，稳态转向为过度转向。理想的转向特性的稳定性因数应大于零。

因为Li有正值和负值之分，故K的表达式的分母小于0，要使大型轮式起重机具有不足转向特性时，在对大型轮式起重机的整车布置时，考虑轴间距、轮胎侧偏刚度和质心分布需满足关系：

当稳态转向的稳定性K=0时，有∑kiLi=0。若令电源车前后轮胎的侧偏刚度均相等，可得∑Li=0。满足此式的质心位置如图2中黑色圆点所示，此点称为中性转向点。

图2 中性点位置示意图

如图2所示，当电源车轮胎侧偏刚度前两轮小于后轮（即k1, k2＜k3）时，中性转向点位置会较图中黑色圆点的位置向后移动。若轮胎侧偏刚度前两轮大于后轮（即k1,k2＞k3）时，中性转向点位置则会较图中黑色圆点位置向前移动。因此可知，想要获得大于零的稳定性因数，有两种方法：一是合理布置舱体内设备，使质心位置靠前，车辆的不足转向特性表现会增强。二是调整轮胎侧偏刚度的分配。减小前轮侧偏刚度，增大后轮侧偏刚度，能使中性转向点的位置向后移动，有利于增强车辆的不足转向特性。

4.2 瞬态分析

4.2.1 电源车在高速阶跃小转角情况下的仿真分析

图3 横摆角速度响应

图4 质心侧偏角响应

4.2.2 电源车急刹车转向工况下的仿真分析

图5 横摆角速度响应

对比图3与图5，可知若质心靠前，横摆角速度响应更灵敏；而在急刹车转向工况下，质心靠前的车辆其横摆角速度超调量较大，表明执行指令的误差较大。由图4和图6可知，质心靠前的车辆，质心侧偏角的响应更平稳。

图6 质心侧偏角响应

5 结 论

综上所述，轮胎侧偏刚度和整装质心位置对电源车的稳态转向特性影响较大。在保证轴荷满足规定的前提下，改变舱内布置结构，使质心适当前移，可兼顾纵向稳定性与不足转向特性；当前轮侧偏刚度小于后轮侧偏刚度时，中心转向点向后移动。改装二类底盘加装舱体势必会导致质心后移，因此，轮胎侧偏刚度前小后大有助于提升车辆的不足转向特性。质心位置会对瞬态响应产生影响。在角阶跃输入条件下，质心靠前的车辆转向响应更灵敏；而在紧急制动转向工况下，其横摆角速度的超调量较大，稳定性较差。因此，在设计电源车时，需要综合考虑轮胎侧偏刚度和质心位置对转向性能的影响，且质心位置需使轴荷分布满足要求。

1 邵波, 史青录. 多轴全地面起重机稳态转向特性分析[J].太原科技大学学报, 2015, 36(1): 49～53

2 余志生. 汽车理论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009

3 Dave Crolla, 喻凡. 车辆动力学及其控制[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004

4 Shinichiro Horiuchi, Kazuyuki Okada, Shinya Nohtomi.Improvement of vehicle handling by nonlinear integrated control of four wheel steering and four wheel torque[J].JSAE Review, 1999, (20): 459～464

5 Watanabe K, Yamakawa J, Tanaka M, et al. Turning characteristics of multi-axle vehicles[J]. Journal of Terramechanics, 2007, 44(1): 81～87

6 格里比斯. 车辆动力学基础[M]. 北京: 清华大学出版社,2006

7 宋志强, 史青录. 基于零侧偏角控制的大型全路面起重机转向性能的研究[J]. 建筑机械, 2014, (1): 84～89

8 王云超, 陈宁, 高秀华. 多轴转向车辆侧向动力学分析[J].重庆工学院学报, 2009, 23(1): 6～11