基于ADAMS和Simulink铰接汽车转向系统特性分析

宋美玉，王旭荣，彭伟利

（1.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206；2.山东大学，山东 济南 250061）

1 引言

为了增加矿物的运输效率，在近些年的研究开发中，铰接式矿用汽车的运行速度得到了很大的提升，完美地解决了运输效率的问题。当前，随着很多矿区通道修建的更加合理，更加适合铰接式矿用汽车的通过[1]。同时，铰接式矿用汽车的转向系统采用双油缸“缸体前置式”布置，在转向过程中，左右两个油缸一个伸长另一个缩短，从而为汽车的转向提供动力[2]。在保证矿用卡车的行驶稳定性以及安全性能的同时，铰接式矿用汽车的最高时速也在不断地得到提高。而当铰接式矿用汽车在高速运行时遇到转弯的巷道时，需要及时减速，并以相对安全的速度通过转弯的巷道。这种情况在每个矿区都会经常遇到，因此，通过获取转向油缸的行程和汽车的转向角度关系，进而对制动转向工况的运行轨迹进行分析，以获取最佳的转弯半径。

国内外学者对此开展了一定的研究：文献[3]在行走车辆上安装划印装置，可在地面上画出行走痕迹，然后测定该痕迹从而获得行走轨迹；文献[4]在行走车辆上装有水箱，控制适当的水流量，使水滴在走过的地面上，以此来检测行走轨迹；文献[5]利用其它比较精确的测量装置（如传感器等）进行测量，直接获得车辆行驶的轨迹曲线。文献[6]利用三维建模的方式，分析交接式车辆的转向半径及运行轨迹。

针对双油缸“缸体前置式”布置的铰接式矿用汽车转向系统进行分析，获取油缸行程和整车转向角度之间的关系，并对转向半径进行分析。基于ADAMS建立多自由度整车分析模型，并与Simulink建立的转向模型相结合，模拟车辆运行环境，选取满载紧急转向工况和高速转向工况等进行运动特性和转向轨迹分析。

2 转向系统特性分析

铰接式矿用汽车的前后两个车体经销轴连接在一起，依靠前后车架之间的相互偏转达到转向的目的。该瞬时转心的位置随着转向角的变化而变化，因此，铰接式汽车前后车轮的转弯半径也是随着转向角度的变化而变化的[7]，如图1所示。

图1 转弯半径示意图Fig.1 Diagram of Turning Radius

图中：L1—前桥中心到铰接点的距离；L2—后桥中心到铰接点的距离；B—前后桥两轮之间的距离；假设在转过α角度之后，前后外侧车轮的转弯半径分别表示为R0、R1。

从图中可以得到：

式中：α—转向时前后车体间夹角，即转向角，通常为（35～45）°[8]：

因此可得：

则，前内轮和后内轮的转弯半径分别为：

从以上两式可以看出：

当L1＞L2时，前桥转弯半径大；当L1＜L2时，后桥转弯半径大；当L1=L2时，R0=R1，即前后桥转弯半径相等。

3 基于联合模型极限工况特性分析

3.1 分析模型

以某载重为60t的地下铰接式汽车为研究模型，基于Solid-Works搭建整车模型，导入ADAMS建立多自由度分析模型；基于以上转向特性的分析，基于Simulink搭建分析模型，联合整车模型和转向控制系统模型，如图2所示。

图2 整车分析模型Fig.2 Vehicle Analysis Model

在建立模拟矿区的路面时，选择±150mm为路面的幅值，建立了一个长61000mm，宽17500mm的不规则路面，并在其中随机插入了一些±200mm的特殊路面，并在此路面下进行了转向行驶轨迹的模拟仿真，如图3所示。

图3 矿区运行模拟地面Fig.3 Simulated Ground Operation of Mining Area

3.2 制动转向工况分析

车辆以较高的车速运行时，突然发生转向时，车辆需要及时制动，之后转向，这里采用控制车辆驱动力的方式，实现对车辆运行速度的控制。开始阶段，施加较大的驱动力，车辆具备较大的加速度，运行速度迅速增加，之后进入转弯工况，实现边制动边转向。

在该工况下，铰接卡车在行驶过程中，速度和加速度的变化曲线，如图4所示。制动过程，车辆的运行轨迹，如图5所示。

图4 速度和加速度曲线Fig.4 Velocity and Acceleration Curves

图5 车辆运行轨迹曲线Fig.5 Vehicle Trajectory Curve

由图中分析结果可知，加速阶段，车辆的最大速度为9500mm/s，之后进入减速阶段；整个过程中，加速度曲线变化较大，车辆经历了紧急和平缓两个阶段，最终实现较低的速度运行，而综合作用下，车辆的速度变化平缓，保证了整车的安全运行。

从制动转向轨迹的图中可以看出，车辆转向时，出现一定程度的侧滑，与设备参数、运行状态等密切相关。该车在低速转弯的时候不会出现侧滑或者侧倾的现象。此处车辆减速的函数显示，减速过程是一个缓慢的过程，这是为了使车辆不至于突然减速而出现失稳现象。因此，参数设置时，车辆在制动转向工况的速度较大，出现侧滑，除此之外，整个转向过程相对平稳，未出现其他不良工况。

整个过程中，前后车体角速度和重心变化，如图6所示。

图6 制动转向前后车架重心曲线Fig.6 Center of Gravity Curve of front and Rear Frame

图中分析结果可知，整个过程中，前后车体的Y向角度变化基本一致，且与实际情况相符，由于出现了轻微侧滑，因此后期角速度的变化幅度略大；前后车体的Y向位移保持一致，符合实际情况。

3.3 高速行驶转向工况

当车辆行驶速度较高并遇到转向通道的时候，一般会先把速度降低到适合转向动作的范围内再进行转向动作[11]。为了形成较好的对比效果，对车辆在较高速度下的转向行驶状态也进行模拟。将驱动力的方程修改为：

转向油缸上的MOTION方程不变。加速度曲线，如图7所示。

图7 速度和加速度曲线Fig.7 Velocity and Acceleration Curves

由图可知，车辆在充分加速之后，行驶的速度很快，在整个加速过程，车辆行驶都比较平稳，而在匀速行驶过程中，车辆的加速度不太稳定，速度开始出现波动，好在转向过程接近尾声时，车辆的速度才出现了明显的下降，但是其对轨迹不会造成太大的负面影响。高速行驶、匀速转向行驶轨迹曲线，如图8所示。

图8 高速行驶、匀速转向工况分析结果Fig.8 Analysis Results of High Speed Driving and Uniform Steering Condition

由图8（a）可以看出，车辆在行驶过程中极其不稳定，后车架出现了较大的偏移现象，车辆有漂移的迹象。且前轮在地面上也有严重侧滑现象发生。

从图8（b）可以更明显地看出，车辆的重心变化明显，行驶极其不稳定。因此，在高速状态下进行转向动作是十分危险的，容易造成车辆的损坏。

4 结论

（1）当L1＞L2时，前桥转弯半径大；当L1＜L2时，后桥转弯半径大；当L1=L2时，R0=R1，即前后桥转弯半径相等；

（2）为保证转向过程中，车辆不发生侧滑现象，需要提前采取制动措施，使得车辆的运行速度低于10m/s；

（3）铰接式车辆转向过程中转向轨迹与前后车桥中心到铰接点距离是有一定的关系的，铰接点位置的布置是影响铰接汽车行驶轨迹的一个重要因素，设计中需要加以注意。