高 俊

（上海七寶中學(xué)，上海 201101）

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高機(jī)動(dòng)性車輛動(dòng)力系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

高 俊

（上海七寶中學(xué)，上海 201101）

采用動(dòng)力學(xué)的基本理論和方法，以車輛為研究對象，進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)性能仿真的研究。除了進(jìn)行客觀評價(jià)試驗(yàn)獲得描述車輛動(dòng)力學(xué)信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)，還通過精確的三維實(shí)體模型計(jì)算建立了動(dòng)力學(xué)仿真模型，由仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到動(dòng)力學(xué)模型等在實(shí)際試驗(yàn)中難以得到的數(shù)據(jù)。本文所研究的動(dòng)力學(xué)模型為多軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過大量地采集并有效地處理隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，能進(jìn)行振動(dòng)自動(dòng)調(diào)整，從而減輕振動(dòng)對乘坐舒適性的影響，提高車輛的平順性和操縱的穩(wěn)定性。

動(dòng)力學(xué)；振動(dòng)；平穩(wěn)性；多軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)

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

機(jī)動(dòng)能力在很大程度上取決于機(jī)動(dòng)車車底盤的機(jī)動(dòng)性，因此機(jī)動(dòng)車車底盤必須有較高的車速、較大的爬坡度、更大的載重量、較好的穩(wěn)定性、可靠的制動(dòng)性能、良好的道路適應(yīng)性，并具有較強(qiáng)的越野能力，以適應(yīng)各種使用環(huán)境和條件。這其中，道路適應(yīng)性對于人的乘坐舒適度有較大影響。

車輛振動(dòng)作用于人體所，會(huì)產(chǎn)生比較特殊的主觀感覺。參考文獻(xiàn)[2]中提到，人體作為極其復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，生理上的感覺并不遵循力學(xué)原理，而是一種與生理、心理因素相關(guān)的非線性關(guān)系。對于車輛振動(dòng)對人體的影響，近年來國內(nèi)外有較多研究內(nèi)容可供參考。比如文獻(xiàn)[1]中就提到了一種車輛載體的針對人體舒適度的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，再比如對于近年來較為流行和火熱的電動(dòng)車振動(dòng)分析，可參見文獻(xiàn)[3]；針對座椅等部位的專門振動(dòng)研究可以參見文獻(xiàn)[4] [5]。由此可見，汽車振動(dòng)作為日常生活中較為常見的現(xiàn)象，值得進(jìn)行多方面的研究，設(shè)計(jì)一種采用新技術(shù)新方法新拓?fù)涞哪苡行p輕振動(dòng)的模型車，也就具備了一定的實(shí)際意義。

在上述汽車振動(dòng)中，由路面不平度激起的車輛振動(dòng)是一類常見的、復(fù)雜的隨機(jī)振動(dòng)。本文闡述一種在特殊設(shè)計(jì)的多軸模型車上，通過大量地采集并有效地處理隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，對多自由度車輛模型進(jìn)行振動(dòng)調(diào)整和振動(dòng)克服的方法，減輕振動(dòng)對乘坐舒適性的影響。本文重點(diǎn)研究的是多軸整車動(dòng)力學(xué)的建模方法，研究多軸車輛的操縱穩(wěn)定性模型和多軸轉(zhuǎn)向模型及其特性和影響因素，并將之應(yīng)用于實(shí)際車型的性能分析和設(shè)計(jì)中。

文章是由如下幾部分組成的：第一部分闡述多軸模型車的空間運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與計(jì)算，第二部分闡述具體平臺(tái)的搭建與設(shè)計(jì)，最后一部分總結(jié)全文，并對課題還需進(jìn)一步說明的相關(guān)內(nèi)容作進(jìn)一步的討論。

1、汽車空間運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建模

如果把車輛的空間運(yùn)動(dòng)看作是兩個(gè)平面運(yùn)動(dòng)的合成，那么空間運(yùn)動(dòng)的車輛可簡化為空間連桿模型(見圖1)，每一個(gè)模塊有一個(gè)局部坐標(biāo)，機(jī)體軸線方向設(shè)為軸方向，機(jī)體法線方向設(shè)為軸，將模塊按軸線垂直方式依次連接，每兩個(gè)模塊構(gòu)成具有兩個(gè)相對獨(dú)立自由度的關(guān)節(jié)，分別把它們定義為一個(gè)繞軸的上下抬起運(yùn)動(dòng)和另一個(gè)繞軸的左右擺動(dòng)。繞軸的上下抬起運(yùn)動(dòng)由其中一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角控制，而繞Z軸的左右擺動(dòng)方程則由另一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角控制，可推導(dǎo)出模型的空間運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式，如式(1)(2)所示：

上式中，和為兩個(gè)波運(yùn)動(dòng)的初始彎角；為每一運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)模塊數(shù)；為不同平面內(nèi)兩個(gè)波的相位差。

圖2　水平驅(qū)動(dòng)輪示意圖

在以上運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基礎(chǔ)上，本文著重關(guān)注垂直方向上車輛在復(fù)雜地形行駛時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)學(xué)。本模型車第一層，由一個(gè)主車體、4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、2節(jié)擺動(dòng)車體和4個(gè)從動(dòng)輪構(gòu)成。用于克服由大型障礙物引起的顛簸振動(dòng)。在越障時(shí)車輛的質(zhì)心有較大的變化，而且當(dāng)觸地條件不同時(shí)，隨著關(guān)節(jié)角度的變化，車輛的質(zhì)心位置會(huì)向著不同的區(qū)域發(fā)展，這使得靜態(tài)穩(wěn)定性問題變得很突出。

上圖為水平面上“兩個(gè)”驅(qū)動(dòng)輪著地時(shí)的情形，和分別為前后驅(qū)動(dòng)輪的觸地線，兩個(gè)大的虛線圓是當(dāng)擺動(dòng)車體繞其軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)車體質(zhì)心走過的軌線，α和β分別為擺動(dòng)車體的旋轉(zhuǎn)角度(驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪軸心連線與水平面的夾角)，定義α=β=0時(shí)車輛的姿態(tài)為零點(diǎn)。主車體的質(zhì)心位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，于是根據(jù)物體質(zhì)心坐標(biāo)公式以及(1)(2)推導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，我們得到此姿態(tài)時(shí)，車輛的質(zhì)心坐標(biāo)如(3)(4)所示：

經(jīng)過變換可得：

這其實(shí)是一個(gè)如下圖中陰影部分所描述的圓盤的方程。實(shí)際情況下，擺動(dòng)車體不可能旋轉(zhuǎn)一周，因此只需考慮下圖中網(wǎng)格線陰影區(qū)，也就是α和β分別從0到變化時(shí)質(zhì)心所走過的區(qū)域。

圖3　陰影部分圓盤方程

類似的，可以得到前驅(qū)動(dòng)輪和后從動(dòng)輪著地情況下的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)范圍，和前后從動(dòng)輪著地的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)區(qū)域。對于前驅(qū)動(dòng)輪來說，可以由(6)(7)表示，示意圖參見圖3。

對于后驅(qū)動(dòng)輪來說，則其計(jì)算結(jié)果如(8)(9)所示：

相應(yīng)后驅(qū)動(dòng)輪著地的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)示意圖如下圖所示：

圖4　后驅(qū)動(dòng)輪著地的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)示意圖

確定了三種情況下的模型之后，就能從幾何關(guān)系分別推導(dǎo)出三種情況下的臨界穩(wěn)定坡度角θt。對于第一種情況來說：

對于第二種情況來說，若取后輪觸地點(diǎn)坐標(biāo)為，則分別有兩種可能性：

類似的，對于前輪來說，設(shè)觸地點(diǎn)坐標(biāo)為，可得如(13)(14)所示兩種可能性：

由上述計(jì)算可得，三節(jié)車體結(jié)構(gòu)可以在地形的坡度小于穩(wěn)定性臨界坡度θt時(shí)保持靜態(tài)絕對穩(wěn)定，解決翻越較大障礙的問題，較之一般的六輪越障車體具有更強(qiáng)的包容性和穩(wěn)定性，能翻越更大的障礙。但由于沒有加設(shè)信息反饋模塊，反應(yīng)較慢靈敏度較低，仍不能完全解決車輛顛簸問題，因此，在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加設(shè)第二層由陀螺儀控制的調(diào)整模塊，自動(dòng)調(diào)節(jié)車輛平衡。

2、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所建立的車體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和基本模型車設(shè)計(jì)思路，我們利用單片機(jī)和陀螺儀搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用上文提到過的多軸差動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。中間測試平臺(tái)為一個(gè)四自由度的動(dòng)力轉(zhuǎn)換的載重平臺(tái)。采用MMA7260QT陀螺儀大量地采集并有效地處理隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)陀螺儀的判定驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)，保持中間載重平臺(tái)范圍內(nèi)自動(dòng)保持水平（XY軸方向范圍內(nèi)）。

圖5　模型車示意圖

整車由摩托羅拉MC68系列單片機(jī)控制，允許通過PC機(jī)下載改變程序，具體系統(tǒng)結(jié)果如下圖所示：

圖6　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

特別的，設(shè)計(jì)了相關(guān)車體變動(dòng)系統(tǒng)，可以通過轉(zhuǎn)向電機(jī)（永磁直流齒輪減速電機(jī)）實(shí)現(xiàn)車體上翹和下壓。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

圖7　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，以小車無振動(dòng)駛下大于斜坡為例實(shí)驗(yàn)了本系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性?；静僮髁鞒檀笾氯缦聢D所示。小車下斜坡時(shí)，為了能夠順利下坡，首先抬起前輪和后輪，此時(shí)前后驅(qū)動(dòng)輪上受摩擦力分別為和，同時(shí)小車還受自身牽引力 F作用。那么容易知道，小車豎直方向上，水平方向上，只要滿足相應(yīng)條件，小車就可以順暢駛下斜坡。

3、總結(jié)

通過驗(yàn)證，該動(dòng)力學(xué)模型具有很強(qiáng)的越障、跨溝、爬樓梯、上陡坡能力。實(shí)驗(yàn)近似實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜地面的線性平均，均衡效果，在一定角度適應(yīng)范圍比輪式差動(dòng)結(jié)構(gòu)好，能提高車輛的平順性和操縱的穩(wěn)定性。相較于一般的輪式差動(dòng)結(jié)構(gòu)，該車輛更適合用在地質(zhì)探測、救災(zāi)、特殊地形物資運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?？紤]到本文篇幅有限，作者所做工作有限，在本論文工作的基礎(chǔ)上，可以在以下幾個(gè)方面開展更進(jìn)一步的研究工作:

（1）進(jìn)一步提高車輛模型的參數(shù)化程度，使之能成為該類型車型的一個(gè)主模型，以適用于快速高效地分析不同基本參數(shù)的同類車輛的重要?jiǎng)恿W(xué)性能。

（2）應(yīng)用專用軟件建立動(dòng)力學(xué)模型過程中，對建模所需的各項(xiàng)質(zhì)量、慣量參數(shù)，通過實(shí)體造型軟件輸出三維實(shí)體模型。建立包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、制動(dòng)系和上裝設(shè)備等子系統(tǒng)在內(nèi)的整車動(dòng)力學(xué)模型，擴(kuò)大仿真應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)對整車動(dòng)力性、行駛平順行等多方面性能的綜合評價(jià)。

（3）建立合適的駕駛員模型，從而建立人與車的環(huán)境這樣一個(gè)閉環(huán)車輛控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相對復(fù)雜的控制策略，模擬車輛操縱穩(wěn)定性的控制效果。

本論文成果“一種高機(jī)動(dòng)性車輛”在2012年獲得中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的發(fā)明專利證書（專利號為：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，工程師，就職于上海市七寶中學(xué)科技教育中心主任。在中學(xué)生創(chuàng)新教育方面有一定建樹，對機(jī)器人設(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造等方面有濃厚的研究興趣，目前主要研究方向包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制策略研究、相關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究、汽車動(dòng)力學(xué)研究。

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1671-7988 （2016）06-15-03