| 矿用电动轮自卸车平顺性及操纵稳定性研究 |
| 作者 ：任振林1，胡林2， | | 更新时间：2008-2-13 |
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谢培甫13，黄晶2 (1. 湖南交通职业技术学院，湖南省长沙市 410004；2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南省长沙市 410082；3.中南大学机电学院,湖南省 长沙市 410083)
摘要：采用多体动力学仿真软件ADAMS对154吨SF32601重型矿用电动轮自卸车进行建模和仿真，分别从平顺性和操纵稳定性两个方面入手，进行了研究计算。用功率谱密度中峰值频率所给定的加权系数对其平顺性进行了校核并从转向盘角阶跃输入下稳瞬态响应特性、转向回正性能、横摆角速度频率响应特性、典型工况行驶性能和直线行驶能力六方面对其操纵稳定性进行了研究。仿真计算结果表明SF32601重型矿用电动轮自卸车的平顺性及操纵稳定性良好。
关键词：矿用自卸车；平顺性；操纵稳定性
前言
随着我国国民经济的高速稳步发展,各类资源需求一直保持增长态势,各类矿山,特别是大型露天矿山的建设方兴未艾,产量年年攀升，作为大型露天矿山主要运输工具——重型矿用自卸车也得到了迅速增长。
由于矿用特种工程车辆批量小，品种多，价值高，且载荷重，对道路有一定要求，国际上对其结构的动态分析计算和稳定性分析，无法像公路车辆一样通过实验室实验装置如道路振动实验台来模拟车辆运动。而国内制造厂则是主要通过模仿设计或通过转让技术进行生产，无自主创新能力和手段，主要靠矿山工业试验运行来检验设计，成本高，时间长，风险大。目前国内矿用特种工程车辆制造厂主要采用计算机进行大型结构件的有限元静力计算，车辆的结构动力分析计算和运动分析尚处于刚刚起步阶段。
本文分析研究对象——SF32601型电动轮自卸车是由本实验室与湘潭电机股份有限公司共同改形设计并由湘潭电机股份有限公司生产的154吨电动轮矿用自卸车，其主要结构参数如图1所示[1]：
图1 SF32601重型矿用电动轮自卸车外形示意图[1]
1.平顺性
平顺性是避免汽车在行驶过程中所产生的振动和冲击使人感到不舒适、疲劳甚至损害健康，或使货物损坏的性能。
路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的“输入”，此“输入”经过由轮胎、悬架、坐垫等弹性、阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，得到振动系统的“输出”是悬挂质量或进一步近座椅传至人体的加速度，根据人体在垂直方向和水平方向振动加速度（客观物理量），按照人体对振动反应的敏感程度不同（主观评价），分别对垂直方向和水平方向振动加速度的功率谱密度进行频率加权，用总加权加速度均方根值或者是变换后得到的加权振级来评价自卸车的平顺性[2]。
作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。GB7031根据路面功率谱密度把路面的不平程度分为8级，本文采用3级路面。
对于大型矿用自卸车来说，认为汽车对称于其纵轴线，且认为左右车辙的不平度函数相等，此时汽车车身只考虑垂直振动和俯仰振动。另外，当把驾驶员加以考虑的情况下，双轴汽车平面五自由度振动模型如图2所示[3]。
图2 汽车振动系统简化模型图
定义动能、势能、耗散能、和广义力，然后列出拉格朗日方程，用矩阵形式表示。
应用软件编写程序进行计算[5]，其中悬架刚度和阻尼的确定参考了文献4[4] ,可以得到人体在垂直方向和前进方向振动加速度时间历程，然后进行频谱分析，用功率谱密度中峰值频率所给定的加权系数进行校核，得到结果如下表所示。
表1 SF32601电动轮自卸车平顺性计算结果
计算指标 计算结果
前进方向的加权加速度均方根值[ ] 0.227
垂向的加权加速度均方根值[ ] 0.239
总加权加速度均方根值[ ] 0.398
总加权振级[ ] 112.0
由表1可知，总加权振级为112.0Hz，属于110Hz～116Hz之间，所以SF32601矿用电动轮自卸车的乘坐舒适性属于有一些不舒适的范围。对于这种大型矿用自卸车来说，基本满足要求。
此外，对公式进一步研究可得，当汽车悬架刚度减小时，人体振动有减小的趋势；当汽车悬架刚度增大时，人体振动有增大的趋势。
2.操纵稳定性
汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力[2]。
由于汽车在高速行驶情况下更易出现操纵稳定性问题，而矿用车的行驶一般在低速状态，造成矿用车的操纵稳定性研究甚少，但是，考虑到矿用车的行驶工况异常复杂危险，因此，对矿用自卸车的操纵稳定性进行研究和评价是相当有意义的。
考虑到SF32601重型矿用电动轮自卸车的实际行驶工况条件恶劣，行驶路况差，载重量大，针对以上特点，本文选定以下内容对SF32601重型矿用电动轮自卸车进行操纵稳定性研究：
1)转向盘角阶跃输入下稳态、瞬态响应特性；
2)转向回正性能；
3)横摆角速度频率响应特性；
4)典型工况行驶性能；
5)直线行驶能力；
6)极限行驶能力。
下面就上述六个方面进行具体研究和分析[6]：
2.1 转向盘角阶跃输入下稳态、瞬态响应
参照国标GB/T 6323.2-1994转向盘转角阶跃输入试验的有关规定，进行了车速为50km/h（试验车速大小是通过最高车速乘以70%并四舍五入为10的整数倍得到[7]）的自卸车转向盘角阶跃输入的仿真计算。仿真从驾驶员转动转向盘开始，记录时间取6s。若仿真要求达到的稳态侧向加速度为6m/s2，则仿真中转向盘转角在0.2秒内由0o转动到15o（合为0.2619rad）并固定下来。
1. 稳态响应评价指标的计算
稳定性因素：
稳态横摆角速度增益：
不足转向度：
QC/T480-1999标准中规定：不足转向度 ≤1.20 (°)/(m/s)。
计算结果表明，该电动轮自卸车稳定性因数趋近于0，只具有少量不足转向。根据标准QC/T480-1999，计算出其不足转向度的评价计分值为63分，刚达到合格的限值，远不够理想。表明SF32601重型矿用电动轮自卸车转向盘角阶跃输入的稳态响应特性欠佳，有待改进。
2. 瞬态响应评价指标的计算
图3给出了转向盘角阶跃输入的横摆角速度及质心侧偏角时域响应的仿真曲线，由仿真结果可得到其稳定值分别为0.0423rad/s，-8.71×10-3rad。瞬态响应曲线无振荡特性，而直接趋于稳定，这是因为该车的相对阻尼较大，行驶车速低和液压动力转向系内摩擦的影响。表2为满载时瞬态响应仿真计算的参数。
图3 转向盘角阶跃输入的瞬态响应曲线
表2 满载时瞬态响应仿真计算的参数
参数名称 响应时间 稳定时间 汽车因素 总方差
符号
单位 s s s.rad s
参数值 1.507 4.633 -3.684×10-4 0.8591
通过仿真计算可知，转向盘角阶跃输入的响应时间为1.507秒。标准QC/T480-1999对该项试验中最大总质量大于6吨的汽车不进行评价记分。计算所得响应时间虽比一般的轿车及轻型货车的要长，但重型矿用自卸车本身转向就稍偏迟钝，并且事先设定的要求达到的稳态侧向加速度6m/s2比轿车与轻型货车转向瞬态响应试验的侧向加速度2 m/s2要大。因此对于重型矿用自卸车而言，本文研究对象的转向还是较灵敏的。
2.2 转向回正性
参照国标GB/T 6323.4-1994低速回正试验的有关规定，进行了自卸车低速回正的仿真试验。使汽车沿半径为15m的圆周行驶，侧向加速度ay=4 0.2m/s2后，稳定住车速并开始记录。3s后驾驶员突然放松转向盘，记录包括松手后5s的汽车运动过程，记录时间内，节气门位置保持不变。
为确定驾驶员撒手前转向盘的转角，在仿真中我们是通过理论公式估算的这一角度。汽车转向半径与转向盘转角之间有如下关系：
（1）
在极低的车速下，忽略侧偏角时的转向半径为 ，代入相应数据解得转向盘转角 为332.468o。其中 为此过程的转向系的总传动比，根据动力转向特性计算取其平均值16。
车速 =7.746m/s； = 0.516 rad/s，与仿真结果正好吻合。图4为转向回正试验的横摆角速度及质心侧偏角的响应曲线，稳定时间 =4.863s，残留横摆角速度 = 0.005 rad/s。
图4 横摆角速度及质心侧偏角的响应曲线
由上图可以看出，横摆角速度和质心侧偏角都在驾驶员突然松开转向盘以后4.863秒很快衰减到零，而且残留横摆角速度 很小。根据QC/T480-1999评分标准，代入相应评价指标的计算值，最终得出转向回正性能的综合评价计分值为88分（详见表3）。综合评价计分值以量化的形式表征了本文研究对象转向性能良好的特点。
表3 转向回正性能的综合评价
评价指标 仿真计算值 合格范围 转向回正性能评分
单项评分 综合评分
残余横摆角速度 0.3(º)/s ≤6.0(º)/s 98
88
横摆角速度总方差 0.7 ≤0.9 78
2.3 横摆角速度频率响应特性分析
将二自由度汽车模型的横摆角速度运动微分方程进行傅立叶变换，然后求出其频率响应函数，最后通过编程计算其结果，如图5所示。
图5 横摆角速度频率响应的幅频特性与相频特性
（2）
式中：
（3）
（4）
根据bode图5所得的数据，具体分析SF32601矿用电动轮自卸车的横摆角速度频率响应特性：
1. =6.44 , 以前的幅频特性接近水平线，且这一段水平距离较长，此项数据反映该自卸车的横摆角速度频率响应特性良好；
2. 共振时的增幅比为0.955，幅值比小，此项数据反映该自卸车的横摆角速度频率响应特性良好；
3. f＝0.1Hz的相位滞后角为-1.09o，反映缓慢转向时响应的快慢，这个数值接近了零，说明该自卸车缓慢转向反应很快。
4. f＝0.6Hz的相位滞后角-3.14o，反映快速转向时响应的快慢，这个数值也比较小，说明该自卸车快速转向反应较快。
可以得出结论，SF32601重型矿用电动轮自卸车的横摆角速度频率响应特性良好。
2.4 典型行驶工况性能研究
按照国家标准GB/T6323.1-94《汽车操纵稳定性试验方法——蛇行试验》的要求，试验标桩的设置，进出口标桩宽度为10m，标桩6个，间距50m。
图6 蛇行轨…… 全科论文中心http://www.issncn.net
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