三轴车辆转向性能分析

ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｔｗｏ ｍｏｄｅｌｓ ｗｉｔｈ ｆｉｘｅｄ ｒａｔｉｏ ｓｔｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｆｒｏｎｔ ｗｈｅｅｌ ｔｏ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌ ｆｉｘｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｒａｔｉｏ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔ ｉｔｓ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｐｏｏｒ；ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ７Ｓ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
四轮转向技术基于低速同向转向、高速反向 转向的方式，改善了车辆的转向特性。经过验证， 其主要优点有：前轮和后轮同向转向时，可以减小 转向半径；前轮与后轮反向转向时。可以有效降低 横摆敏感度。很好地改善了车辆的操纵稳定性。目 前．已经成熟应用的四轮转向系统主要有：定前后 轮转角比的四轮转向系统，前后轮转角比是车速 函数的转向系统，前后轮转角是前轮转角的函数 的转向系统。基于四轮转向技术的以上特点，以及 多轴车辆轴距长、车体庞大等缺陷，多轴转向技术
（１０００７２北京市装甲兵工程学院机械系）
［摘要］建立了多轴车辆定比例转向系统理想模型和多轴车辆侧向动力学模型，通过对两模型定比例转向时的
低速转向半径进行比较，验证了多轴车辆侧向动力学模型的合理性。基于该模型，分别分析了定比例转向系统
和变比例转向系统的低速转向半径和高速操纵稳定性。结果表明：定比例转向的多轴转向系统低速机动性不够
后轮转角比例为一ｌ。 应用Ｍａｔｌａｂ软件对该车不同转向模式下的
转向半径进行计算比较。利用公式（１）一（４）可以计 算出不同转向模式下，理想模型质心最小转向半 径，如表２；基于式子９，同样可以计算出不同转向
表２两种模型不同转向模式转向半径对比
Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｕｒｎｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｌｅｓ
（５）
∑Ｃａｉｌｉ ∑Ｃｏｌｌ；
６
ｉ＝ｌ
设出车轮转角比例，为使车辆转向时尽量保持纯滚动，由阿克曼定理得，各车轮转角比例表达式为
万ｆ．ｔ一‘１ １一三“Ｆ。
（６）
当车辆处于稳态时，（５）式第一项为零，用克莱姆法则可解出上面方程，可得侧向速度和横摆角速度值
秽：型豳兰竺竺：：型坚竺丝！？？ （７） 窆ｃ机羔％ｔ２主ｃ∥ｉ 羔ｃ∥ｉ ——ｌ，ｔ｝一＋ｔ¨ｃ－（删ｃ一气Ⅶｃ －） ｃ
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｌｅｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓ ｖｅｈｉｃｌｅ
４车辆侧向动力学模型 建立多轴车辆二自由度模型［仆］。
万方数据
１２
农业装备与车辆工程
∑Ｃ挑
∑Ｃｏｌｌ。
６１
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６２
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￡ｌ＋告一￡２
前轮转向（Ｆｗｓ）：Ｒ。沪—五惫一十口。 （１）
前中轴转向（１－２ＡＳ）：尺面。＝鲁导托。 （２）
前后轴转向（１—３ＡＳ）：Ｒｍｉｎ２面ｂ１ ＋口。 （３）
全轮转向（ＡＷＳ）时，若转向中心与车的中心
重合，则：Ｒｍｉｎ２盖慨
（４）
式中，０ｃ胡——内、外轮最大转角；￡，，￡广前、
后轴距。
（ｄ）ＡＷＳ 图２三轴车辆不同模式转向中心位置圈
［Ｋห้องสมุดไป่ตู้ｙ ｗｏｒｄｓ］ｍｕｌｔｉ—ａｘｉｓ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃａｒ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ；ｆｉｘｅｄ ｒａｔｉｏ ｓｔｅｅｒｉｎｇ；ｖａｒｉａｂｌｅ ｒａｔｉｏ ｓｔｅｅｒｉｎｇ
Ｏ引言
近年来，随着工程车辆、特种车辆和轮式装甲
车辆的不断发展。对于车辆的低速机动性和高速 稳定性要求越来越高。多轴车辆存在车体庞大，转 向困难以及高速稳定性差等问题［１Ｉ，亟需得到改 善。多轴转向技术能够提高车辆的低速机动性和 高速稳定性１２］，但目前针对该技术却缺乏系统的 研究文献，因而系统研究多轴转向技术具有重要 意义。传统的多轴转向车辆采用机械定比例转向， 以减小转向半径为目标．能够提高车辆的低速机 动性，但会导致车辆的高速操纵稳定性变差。前后 轮转角比是车速函数的变比例多轴转向系统．低 速时，能提高车辆机动性；高速时，可使车身姿态 变化较小，改善车辆操纵稳定性［３１４］。
第５０卷第８期
Ｖ０１．５０ Ｎｏ．８
农业装备与车辆工程
ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
２０１２年８月
Ａｕｇｕｓｔ ２０１２
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３１４２．２０１２．０８．００３
三轴车辆转向性能分析
袁哀磊，刘曲 西侠，俅 徐目 国关 英，擞 洪升耀
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＿口
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＜ 越 制 接 黜 帮
响应时间／ｓ
图８不同转向模式车辆横摆青隧度对比图
Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｙａｗ ｒａｔｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｌｅｓ
由图５～８可看出：（１）定比例转向系统中，前 后轴转向（１－３ＡＳ）时，车辆的转向能力较强．但轨 迹保持性较差，车辆高速时，牺牲稳定性来提高转 向能力显然是不适合的。因此。可以说定比例转向 多轴转向系统不适用于车辆高速转向。（１）变比例 转向系统中，多轴转向时．车辆高速转向能力降低 了，但车辆的轨迹保持性很好，稳定性高。车辆高 速时，稳定性是首要考虑的，对于转向能力的要求 反而不是很高。因此，可以说变比例多轴转向系统 更适合于车辆高速转向工况。
ＵＩｌ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｌｅｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ａｘｌｅ ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．
、ｒｌｌｉ‘。ｌｅ＆ＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１（１）：１－５．
［２］ 张春秋，高秀华，杨旭等．三轴车辆全轮转向操纵稳定性仿 真分析［Ｊ］．农业装备与车辆工程，２００７（９）：９－１２．
ＹＵＡＮ Ｌｅｉ，ＬＩＵ Ｘｉ—ｘｉａ，ＸＵ Ｇｕｏ—ｙｉｎｇ，ＨＯＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｙａｏ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｒｍｏｒｅｄ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｃｉｔｙ １０００７２，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｍｕｌｔｉ—ａｘｉｓ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｉｘｅｄ ｒａｔｉｏ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂｙ
仁鳖堑竺坐鳖坚鼬兰坐！． （８）
∑ｃ机∑Ｃｏｉｌ；∑ｃ¨１
∑Ｃｏｉｌｉ
＋专－ｕ。（ＢＩＬ，Ｕｃ一％专－）
对于（６）式中转角比例的选取，若基于零侧偏角比例控制车辆转向，可得到车辆转向中心到一轴距 离，如式（９），代人式（６）便可得到转角比例；另外，车辆的转向半径可由式（８）得出，结果如式（９）。
∑Ｃｏｉｌ。∑Ｃｏｉｌｉ￡厂∑ｃ扰１；∑Ｃｏｌ￡厂ｍｕ；∑ｃ州ｌ Ｌ，ｉ
Ｔａｂ．１ Ｐａｒｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｅ ｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ
（１０）
５车辆侧向动力学模型验证
本文以某三轴车辆为例进行分析。表１为车 辆部分结构数据。由图２可知，基于阿克曼定理定 比例转向时，各轮转角比例为固定值。前中轴转向
时，其前中轮转角比例为０．５：前后轮转向时，其前
万方数据
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鼍．５不同转向模式车辆质心侧偏角对比围
Ｆｊｇ．５ Ｔｈｅ ｓｉｄｅ－ｓｌｉｐｅ ａｎｇｌｅ ｉｎ ｄ慨ｒｅｎｔ’
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１．１１ ６不同转向模式车辆横按角逮度对比
ｍｏｄｌ： 只９６·Ｔｈｅ ｙａｗ旧ｔｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
万方数据
１４
农业装备与车辆工程
２０１２年
２）变比例转向三轴车辆高速操纵稳定性分析 对于变转角比的多轴转向车辆，取车速为 ７０ｋｍ／ｈ。利用ｍａｔａｌｂ／ｓｉｍｕｌｉｋ对其质心侧偏角和 横摆角速度对比分析，可得图７，图８。
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图７不同转向模式车辆质心侧偏角对比图
Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｓｉｄｅ－ｓｌｉｐｅ ａｎｇｌｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｅｅｄｎｇ
本文以某三轴车辆为研究对象，基于传统的
定比例转向系统和转角比是车速函数的变比例转 向系统对三轴车辆的低速转向半径和高速操纵稳
收稿日期：２０１２—０５—２９ 基金项目：国防基础科研计划项目（Ｂ２３２０１１０００５）
定性进行明确对比分析。以推进多轴转向技术的 应用。
１四轮转向技术概述
对于两轮转向车辆，转向机构设计过程中应 尽量使车轮满足纯滚动关系，以降低轮胎磨损和 转向功耗。但两轮转向机构的设计难以精确满足 车轮绕瞬心转动，很难消除后轮侧滑，另外，车速 增加时，车辆前轮也容易侧滑同时伴有甩尾。基于 两轮转向的缺陷，四轮转向技术开始得到应用［３，４。。
好，且高速稳定性很差：变比例转向的多轴转向系统在提高车辆机动性的同时，还能改善车辆的高速稳定性。