摘要： 為了解決車輛在彎道中姿態(tài)側(cè)傾，穩(wěn)定性下降的問題。設(shè)計了一種用于車輛的自適應(yīng)移動配重裝置，安裝于車體上，通過自主改變車輛重心位置，保證車輛的行駛姿態(tài)，提高車輛的彎道性能。對實驗用車進(jìn)行了建模，設(shè)計了配重系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)，利用有限元校核了車輛在各工況下的強(qiáng)度，并進(jìn)行實車驗證，證明該裝置對車輛彎道性能有提升。該裝置提供了一種結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)性好的車輛重心改變方案，為車輛彎道性能的提升提供了一種思路。

　　關(guān)鍵詞： 車輛彎道;配重;自適應(yīng)移動;賽車

　　引言

　　轉(zhuǎn)向時由于慣性力，車輛穩(wěn)定性下降，為增強(qiáng)車輛彎道穩(wěn)定性，現(xiàn)有方法主有增加懸架剛度、非對稱車輛調(diào)整，以及車輛重心位置的改變等。本文介紹了一種通過車輛重心位置的改變來增強(qiáng)彎道穩(wěn)定性的裝置。

　　為解決橫向穩(wěn)定桿不能提供抗俯仰的問題，提高賽車性能以及操作穩(wěn)定性，李雨軒等人結(jié)合輪胎數(shù)據(jù)與整車參數(shù)設(shè)計確定懸架硬點，通過Adams對該懸架進(jìn)行仿真分析驗證，設(shè)計了能有效抑制賽車在制動時的點頭行為的第三彈簧裝置。高寧等人利用ANSYS分析設(shè)計了一種FSAE賽車的橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)，在滿足防側(cè)傾需求的前提下對穩(wěn)定桿實現(xiàn)輕量化。瞿育文等人針對含時滯反饋控制的主動懸架的減振問題，對車輛主動懸架振動控制進(jìn)行了研究，使車輛行駛舒適、穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。鄧召文等人基于CFD方法對比分析了3種不同參數(shù)的尾翼組合方案的氣動特性，確定了最優(yōu)的尾翼組合方案，根據(jù)最優(yōu)方案的尾翼參數(shù)對前翼的參數(shù)進(jìn)行了匹配，設(shè)計了FSAE賽車空氣動力學(xué)套件，有效提高了車輛過彎速度，推遲了剎車點，提高了圈速，有效提高了賽車的操縱穩(wěn)定性和動力性。許夢潔等人對兒童賽車加裝移動配重提高其防側(cè)傾性能，對配重在車輛中的應(yīng)用提供參考。

　　綜上所述，目前相關(guān)穩(wěn)定性技術(shù)亦能夠基本滿足生產(chǎn)需求，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，維護(hù)不變等問題，研究提出一種用于車輛的自適應(yīng)移動配重裝置，對實驗用車進(jìn)行建模，設(shè)計配重系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)，利用有限元的方法校核了車輛在各工況下的強(qiáng)度，并進(jìn)行了實車驗證，證明該裝置的有效性。

　　1 總體方案和工作原理

　　1.1 總體方案

　　裝置由配重系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)及全地形卡丁車組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示，配重系統(tǒng)利用螺栓安裝在焊接于車架的安裝臺上，自適應(yīng)控制系統(tǒng)(包括控制器、角度傳感器、位置傳感器)利用螺栓安裝在車身上。

　　1.1.1 配重系統(tǒng)方案

　　配重系統(tǒng)由滾珠絲桿、滑臺體、配重箱和執(zhí)行電機(jī)組成。執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿，控制配重箱進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，配重箱采用中空結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)實際需要增加配重質(zhì)量。

　　1.1.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)方案

　　自適應(yīng)控制系統(tǒng)由控制器、位置傳感器、角度傳感器和執(zhí)行電機(jī)組成，完成配重箱的精準(zhǔn)定位，實現(xiàn)車輛重心的自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。

　　1.2 工作原理

　　當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向并且車身發(fā)生傾斜時，配重塊向車輛轉(zhuǎn)向的反方向移動。該自適應(yīng)移動配重工作時，利用傳感器對車輛自身和行駛環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，將信號傳遞給控制器，通過電機(jī)實時驅(qū)動配重箱移動，使車輛重心偏移，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)彎道或復(fù)雜地形條件，提高車輛行駛穩(wěn)定性。

　　2 關(guān)鍵部件設(shè)計

　　2.1 配重系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1.1 配重系統(tǒng)

　　該配重系統(tǒng)是采用動力驅(qū)動配重物體移動的裝置。根據(jù)傳動方案的不同，分為①滾珠絲桿滑臺、②直線電機(jī)、

　　③齒輪齒條。鑒于滾珠絲桿滑臺結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，使用滾珠絲桿滑臺作為配重系統(tǒng)的方案。

　　2.1.2 配重安裝位置的確定

　　配重安裝位置與車輛重心位置及車身尺寸有關(guān)。

　　首先，確定車輛的重心位置。單獨稱量地面對每個車輪的作用力，根據(jù)車身尺寸計算其車體質(zhì)心位置。

　　根據(jù)力矩平衡原理，如果一個物體所受到的力的合力矩的代數(shù)和是0，那么就說這個物體處于力矩平衡狀態(tài)。

　　根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可見車輛重量在左右方向上分布較均勻(小于1.5%)，而在前后方向上差異顯著(接近20%)，故僅以前后方向的重量差別計算車輛質(zhì)心位置。

　　Fy1*a=Fy2*(L-a)

　　a=Fy2*L/(Fy1+Fy2)

　　上式中a為重心位置與前輪軸的距離，L為車輛的軸距，F(xiàn)y1為地面對前輪的作用力，F(xiàn)y2為地面對后輪的作用力。

　　根據(jù)上式，計算出重心位置與前輪軸的距離a=795mm。

　　重心在車輛中部偏后，由于車輛為后輪驅(qū)動，且駕駛員位置在車輛前部，為確保后輪抓地力，擬將配重裝置安裝于車體后部，距后輪軸250mm處。

　　2.1.3 配重系統(tǒng)運(yùn)行速度

　　與配重系統(tǒng)運(yùn)行速度有關(guān)的因素有：①轉(zhuǎn)彎半徑;②車輛行駛速度;③配重可移動行程。其關(guān)系如圖6所示。

　　由上述關(guān)系整理

　　上式中 U為配重運(yùn)行速度，V為車輛行駛速度，s為滾珠絲桿滑臺配重可移動行程，r為轉(zhuǎn)彎半徑。

　　據(jù)查，我國城市道路轉(zhuǎn)彎半徑規(guī)定：①主干道道路轉(zhuǎn)彎半徑為20m～30m;②次干道道路轉(zhuǎn)彎半徑為15m～20m;③非主次道路轉(zhuǎn)彎半徑為10米～20米。故取，r=10m～30m。城市主要道路限速為20km/h～60km/h，故v=60km/h。滾珠絲桿滑臺配重可移動行程s=1m。可得u=0.18～0.53m/s，市面所受滾珠絲桿滑臺大多可滿足使用需求。

　　2.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

　　自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過角度傳感器實時監(jiān)測車身的位姿狀態(tài)，將車輛位姿狀態(tài)實時傳遞到控制器，位置傳感器與配重箱同步，將配重的位置信息實時反饋回控制器，控制器根據(jù)車輛的位姿狀態(tài)控制執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動配重箱到達(dá)目標(biāo)位置，并根據(jù)位置傳感器的信息，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，完成配重箱的精準(zhǔn)定位，實現(xiàn)車輛重心的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

　　2.3 車身強(qiáng)度校核

　　項目通過在全地形卡丁車車架上安裝可自適應(yīng)移動的配重來改變車輛重心位置，提高彎道性能，但是由于賽車工況惡劣，又加裝了接近車輛自重30%的配重物，故車身強(qiáng)度可能存在不足。

　　本項目購置的全地形卡丁車屬于桁架式車架，即由鋼管焊接而成的空間管陣。其特征是基架(位于與車橋直接相連的鋼管所在平面)承受主要載荷，故分析可簡化為基架進(jìn)行。

　　賽車車架的有限元分析主要基于以下幾個工況：靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況以及轉(zhuǎn)彎工況。下面將逐一進(jìn)行有限元分析，以確定車架強(qiáng)度是否滿足要求。

　　2.3.1 基架受力分析

　　設(shè)駕駛員體重為60kg，駕駛位中心與前輪軸距離為560mm，故可簡化為前輪軸分擔(dān)34.93kg，后輪軸分擔(dān)25.07kg。故靜態(tài)最大載荷為前輪軸96.48kg，后輪軸114.97kg，載荷42kg。車身總重m=235.45kg。前、后輪軸位置非常靠近前、后長橫梁，配重位置非常靠近后部短橫梁處，故將載荷施加于前、后長橫梁及后部短橫梁處。

　　F=m*a

　　參考大學(xué)生方程式賽車的經(jīng)驗，在賽車全力制動時，最多可產(chǎn)生a1=1.4g的制動減速度。可得，最大制動力FZ=3230.37N。且賽車全力制動時，前輪制動起絕對作用，故可將載荷至于前長橫梁的前側(cè)。

　　賽車在全力加速時可產(chǎn)生最大a2=1g的加速度。可得，最大加速力FJ=2307.41N。由于全地形車后輪驅(qū)動，載荷添加于后長橫梁的后表面。

　　賽車在極限轉(zhuǎn)向時可產(chǎn)生最大a3=1g的側(cè)向加速度，最大轉(zhuǎn)向力FW=2307.41N。可認(rèn)為載荷作用于側(cè)面最長梁的外側(cè)面。

　　2.3.2 仿真前處理

　　選擇“固體力學(xué)”，在“穩(wěn)態(tài)”情況進(jìn)行研究。車架使用 4130合金鋼，即30CrMo，屈服強(qiáng)度1172MPa。車架在兩側(cè)長梁的底面位置進(jìn)行固定，網(wǎng)格大小為 “常規(guī)”。

　　2.3.3 結(jié)果與分析

　　圖11分別為車輛靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況及轉(zhuǎn)彎工況時載荷添加情況及分析結(jié)果。

　　分別分析了車輛靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況及轉(zhuǎn)彎工況，其最大應(yīng)力分別為197MPa、624MPa、554MPa、204MPa，取安全系數(shù)為1.5，計算最大可能應(yīng)力為936MPa，小于材料屈服強(qiáng)度1172MPa;最大變形分別為0.1mm、0.2mm、0.18mm、0.1mm，變形程度在允許范圍內(nèi)。

　　參考簡志雄所做的有軌卡丁車車架及懸架設(shè)計分析，其仿真最大應(yīng)力值為890.6MPa;參考《大學(xué)生方程式賽車設(shè)計》一書，書中仿真各工況車架最大變形量為0.20mm-0.34mm之間。與筆者所作工作結(jié)果差異不大。

　　3 性能試驗

　　本實驗使用全地形卡丁車、滾珠絲桿滑臺、逆變器、伺服電機(jī)控制器、位置傳感器、角度傳感器進(jìn)行。試驗場地為平坦的鋪裝路面。由駕駛員駕駛車輛，分別對比是否開啟該裝置對車輛過彎的影響，以及開啟該裝置后，車輛在不同速度下過彎的情況。

　　4 結(jié)論

　　本文根據(jù)現(xiàn)有提升車輛彎道性能的裝置，采用移動式配重的方法，并利用傳感器及控制器實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的實時監(jiān)控、自適應(yīng)的驅(qū)動配重平衡彎道中的重量轉(zhuǎn)移。最大限度保證了車輛的過彎姿態(tài)，提高車輛過彎極限。

　　相比固定式配重，自適應(yīng)移動配重能實現(xiàn)在多種彎道情況下的合理重心調(diào)整，對進(jìn)一步提高過彎性能有著一定的作用。相較于增加懸架剛度、非對稱車輛調(diào)整的方法，該方案結(jié)構(gòu)簡單，可適用于提高賽車、特種車輛、農(nóng)用車輛等復(fù)雜路況下車輛的穩(wěn)定性。

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