电动叉车横向稳定性系统设计_卓丽云

卓丽云，等：电动叉车横向稳定性系统设计
设施与设备
电动叉车横向稳定性系统设计
卓丽云，黄敬党 （福建农林大学 机电工程学院， 福建 福州 350002）
[摘 要]对电动叉车的横向稳定性进行理论分析，根据分析得到的结论对电动叉车的横向稳定性进行控制，从而使电动叉车
工作时满足横向稳定性要求。
[ 关 键 词 ]电动叉车；横向稳定性；系统设计
翻。据统计，电动叉车转弯所发生的侧滑或翻车事故总数中，
有 60%是受转弯离心力的影响而发生的[1]，因此本文主要根据
离心力原理控制电动叉车的横向稳定性。
本文介绍了电动叉车横向稳定性系统的设计，通过对电 动叉车的行驶速度和转向角的检测，采用软件控制电动叉车
图 1 叉车质心示意图
高速行驶转弯时的横向稳定性，以保证电动叉车在行驶时具 备横向稳定性要求。
究方向：机电一体化产品。
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设施与设备
物流技术 2008 年第 27 卷第 12 期（总第 195 期）
3 电动叉车横向稳定性系统设计
图 2 最大速度示意图 电动叉车处于倾翻临界状态时[2]：
其中:
,
代入(1)式得：
(1) ，G=mg
(2) (3)
根据电动叉车横向稳定性的理论分析可知：电动叉车的 行驶稳定性主要受转向角和行走速度的影响，因此要保证其 稳定性就要控制好转向角和行走速度。本系统的设计方案：根 据式（9）确定最大行驶速度和最大转向角之间关系。电动叉车 自动根据实际的速度值来确定最大转向角，根据实际的转向 角来确定最大速度，再利用软件智能地控制最大速度和最大 转向角。本系统的控制方法主要利用软件功能来实现。
此时电动叉车质心受到两个力的作用，一个是离心力 F， 分解成两个力 F·sinθ 和 F·cosθ；一个是自重 G，分解成两个
2 电动叉车横向稳定性的理论分析
力 G·sinθ 和 G·cosθ；对电动叉车的倾翻轴线求力矩，假设
[收稿日期]2008- 10- 20 [ 作 者 简 介 ]卓丽云（1983-），女，福建厦门人，硕士，研究方向：机电一体化设计及自动控制；黄敬党（1963-），男，福建古田人，博士，教授，研
[参考文献] [1]付亮彩.汽车的横向稳定性与安全[J].汽车与安全，2000（, 12）：38- 39. [2]徐金久.几种汽车临界转弯速度的确定[J].专用汽车，1993，(3):24- 29.
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电动叉车行驶的速度理论上是由加速踏板决定的，但是 当电动叉车有一定转向角的时候，由离心力式子 F=V2/R 可以 发现：电动叉车离心力面 F 随着速度 v 增大而增大，当离心力 F 超过其抵抗倾翻能力时就极易发生侧翻。因此，当电动叉车 有一定转向角时，必须对其行驶速度作适当的控制。
电动叉车只有在倾覆角 φ≥φ 临界时才有可能发生侧翻， 那时电动叉车绕着倾翻中心 O 侧翻。因此，为了计算电动叉车 所允许的最大行驶速度，把电动叉车的倾覆角等同于电动叉 车在倾斜面上行驶，该倾斜面的倾斜角度就是倾覆角,当电动 力叉车倾覆角 φ 为临界倾覆角 φ 临界时，即为该倾斜面的最 大倾斜角，其示意图如 1 图、图 2 所示。
(School of Mechanical & Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry Universtiy, Fuzhou 350002, China)
Abstract: The paper analyzes the motor- driven forklift lateral stability theoretically and tries to control its lateral stabiliy according to the results of the analysis in order to meet the requirements of lateral stability.
（1）限制转向角速度。当前的转向角 θ 实际接近或者超过 根据当前的速度对应的最大转向角 θmax 时，则启动转向电磁 阀控制转向速度，使得转向轮慢慢转过一定的角度；当转角 θ 实际小于允许的最大转角值 θmax 一定量时，转向电磁阀则关 闭不工作，此时转向轮的转角速度完全由方向盘控制。
（2）限制行驶速度。当前的速度 v 实际和根据当前的转向角 对应的最大速度值 vmax 相比较：当 v 实际≥vmax,电动叉车的行驶 速度则脱离加速踏板而工作，它的行驶速度目标值为 vmax 即行 走电机此时的速度为 vmax；当 v 实际＜vmax 时，电动叉车行驶速度 目标值根据加速踏板反馈回来的速度值，中央控制系统再把 行驶速度目标值传送给电机模块。
即：
(6)
由于 θ 很小，不考虑也影响不大 ,故在这里令 θ=0， 则
代入式子：
(7)
因此，最大的行驶速度为
（m/s）
(8)
由电动叉车的几何图形可知 R=L/tanθ 求得
(9)
因此，电动叉车满足行驶时横向稳定性前提：电动叉车
转弯行驶时的速度不超过最大行驶速度
。
简而言之，控制电动叉车的横向稳定性工作状况：当电动 叉车即将失去稳定性要求时，转向电磁阀开始工作，使转向轮 以缓慢的速度转过一定的角度，同时等待行走速度降下来；当 速度下降到满足稳定性要求时，转向电磁阀则停止工作。电动 叉车在本系统的控制下，满足稳定性要求的前提是在控制最 大行驶速度基础上，再对转向轮的转角做适度的控制。因此， 对行走速度能够实现快速的控制，但是转向角的控制相对比 较缓慢。转向轮的转角控制是利用电磁阀的占空比来控制速 度的，这就使得转角不会马上停止下来，而是以相对较慢的速 度运动。这样做是为了防止高速行驶时，突然碰到紧急情况 下，急打方向盘转弯，可是此时由于转角的控制而不能转弯就 会发生碰撞事故，因此转向轮要能够转向。但是在这种情况 下，由于速度值较大，转角又突然增大时，极易发生侧翻事故， 因此对转角也要有对应的控制措施。综合考虑以上两种事故： 侧翻和碰撞。侧翻事故要比碰撞事故严重，因此以防止侧翻事 故为首要考虑问题，以碰撞事故为次要，所以转向轮以较慢的 速度实现转向功能。
[ 中 图 分 [文章编号]1005- 152X（2008）12- 0129- 02
Development of the Lateral Stability System for the Motor-driven Forklift
ÁZHUOLi-yun, HUANGJing-dang
本系统为了满足电动叉车的稳定性要求，把上面必须实 现的两种功能综合起来，利用交叉反馈控制方式来实现其控 制功能，其控制原理如图 3 所示。
根据相似原理，当 θ 比较小时，θ≈tanθ 即：
(4) 根据几何图形和几何质心如图 1，给出在倾翻轴线上倾翻 中心的位置：
图 3 横向稳定性系统控制原理图
（其中，L 为轮距，ey 为质心到前轮的距离取零）(5)
Keywords: motor- driven forklift; lateral stability; system design
1 引言
随着市场经济的发展, 物流技术在经济发展中的地位和 作用越来越明显,叉车普及率也越来越高,已从过去单一的港 口码头进入到国民经济的各行各业中。同时由于电动叉车常 在复杂的工况下作业，叉车的重心位置随着工况的不同而发 生变化，特别是在操作人员急躁或反应不灵敏时和遇到各种 意想不到的特殊工况（比如在急行中遇到紧急情况时急刹车、 突然躲避人或物或者突然加速时），叉车的重心会出现很大的 变化，甚至移到轴侧倾覆线外，发生叉车事故（特别是在坡道 或者弯道上较易发生翻车事故）。叉车的横向稳定性是指抵抗 横向翻车和横向侧滑的能力。这种横向稳定能力具有一定的 局限性，当叉车转弯或行驶中需要转向时，就会出现离心力而 直接与横向稳定力相抵抗，如果发生离心力大于或等于横向 稳定性的情况时，内侧悬空，叉车推动稳定性开始侧翻。在多 数路面上，由于离心力的作用往往先发生侧滑，接着发生侧