主動(dòng)防傾翻技術(shù)及其在工程車(chē)輛上的應(yīng)用展望

1、主動(dòng)防傾翻技術(shù)及其在工程車(chē)輛上的應(yīng)用展望主動(dòng)防傾翻技術(shù)及其在工程車(chē)輛上的應(yīng)用展望術(shù)張玉新,王國(guó)強(qiáng),陳超,曲俊娜(吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)關(guān)鍵詞:主動(dòng)防傾翻;工程車(chē)輛;應(yīng)用展望工程車(chē)輛行駛路面復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,翻車(chē)事故高發(fā)ll1.為了保障駕駛員的生命平安,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3471?土方機(jī)械翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)性能要求?要求工程車(chē)輛必須加裝翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)(ROPS),以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員的翻車(chē)被動(dòng)保護(hù),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)試驗(yàn)是基于靜態(tài)載荷的,然而,工程車(chē)輛的翻車(chē)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,造成駕駛員傷亡的原因很多,如駕駛室變形太大使駕駛員被擠壓,碰撞中回彈劇烈導(dǎo)致人與車(chē)內(nèi)物體反復(fù)碰撞等

2、21.實(shí)踐證明,即使翻車(chē)保護(hù)結(jié)構(gòu)符合上述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求,翻車(chē)時(shí)也常有駕駛員重的發(fā)生率,防止人員傷亡,僅采取被動(dòng)平安措施是不夠的.因此,工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻技術(shù)的研究顯得尤為重要.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車(chē)主動(dòng)防傾翻技術(shù)進(jìn)行了大量理論分析,計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)研究,在車(chē)輛傾翻報(bào)警,預(yù)防和車(chē)輛傾翻控制等方面取得了一些成果.深入研究汽車(chē)相關(guān)主動(dòng)防傾翻技術(shù),進(jìn)而將其拓展應(yīng)用在工程車(chē)輛上,具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值.目前,對(duì)汽車(chē)主動(dòng)防傾翻技術(shù)的研究集中在傾翻預(yù)警技術(shù)和主動(dòng)防傾翻控制方式兩個(gè)方面.1汽車(chē)傾翻預(yù)警技術(shù)歐盟,美國(guó),El本和澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)對(duì)汽車(chē)翻車(chē)平安問(wèn)題非常重視,相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了大量

3、的研究,并在車(chē)輛傾翻模擬和預(yù)警領(lǐng)域取得了一定的成果.早期的傾翻預(yù)警算法采用比擬車(chē)輛側(cè)傾角和側(cè)向加速度與傾翻閾值的大小來(lái)對(duì)傾翻進(jìn)行預(yù)警.加拿大Concordia大學(xué)的SubhashRekheja于1990年研發(fā)出一套傾翻穩(wěn)定性預(yù)警系統(tǒng)3I,并在重度是否大于設(shè)定的閾值來(lái)判斷車(chē)輛狀態(tài),可以監(jiān)測(cè)車(chē)輛的失穩(wěn)狀態(tài)并及時(shí)向駕駛員進(jìn)行警示:低速轉(zhuǎn)彎時(shí),通過(guò)在線監(jiān)測(cè)側(cè)向加速度警示傾翻危險(xiǎn);高速轉(zhuǎn)向時(shí),通過(guò)在線監(jiān)測(cè)車(chē)軸的側(cè)傾角警示傾翻危險(xiǎn).此方法基于靜態(tài)閾值進(jìn)行傾翻預(yù)警,預(yù)警性能有限且無(wú)法預(yù)測(cè)車(chē)輛未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的傾翻危險(xiǎn).PrestonThomas和Woodrooffe在重型車(chē)輛上開(kāi)載荷轉(zhuǎn)移率(LateralLo

4、adTransferRatio,LTR)作為車(chē)輛傾翻穩(wěn)定性判定指標(biāo),LTR的定義為左右兩側(cè)輪胎上的垂直載荷差與輪胎垂直總載荷之比的絕對(duì)值,即:(2007AA04Z126)作者簡(jiǎn)介:張玉新(1986一),男,吉林長(zhǎng)春人,在讀碩士,研究方向:車(chē)輛主動(dòng)平安技術(shù).一56豫=(一)L=一()式中:和分別為第根車(chē)軸左,右輪胎上的垂直載荷;n為車(chē)軸總數(shù).兩側(cè)輪胎沒(méi)有橫向載荷轉(zhuǎn)移時(shí)LTR為0,此時(shí)車(chē)輛平穩(wěn)行駛;某一側(cè)輪胎全部離地時(shí)LTR為1,此時(shí)側(cè)向加速度到達(dá)傾翻閾值.很多傾翻預(yù)警算法都選用LTR作為傾翻穩(wěn)定重型半掛車(chē)傾翻預(yù)警模型51,并通過(guò)LTR值判定傾翻危險(xiǎn)程度,該研究考慮了懸架和輪胎的非線性特點(diǎn),通過(guò)參

5、數(shù)辨識(shí)技術(shù)辨識(shí)出影響LTR值的參數(shù),使預(yù)測(cè)模型更接近實(shí)車(chē),能夠較好地反映車(chē)輛傾翻危險(xiǎn)程度.Freedman等人在1992年設(shè)計(jì)了一種在高速公彎道曲率和斜度得到的臨界速度時(shí),警報(bào)信號(hào)將被側(cè)翻狀態(tài)的影響,因此傾翻預(yù)警的準(zhǔn)確度不高,容統(tǒng)用對(duì)Freedman的預(yù)警裝置進(jìn)行了改良,該系統(tǒng)可以依據(jù)每輛車(chē)的類(lèi)型,速度,質(zhì)量和高度等參數(shù),通過(guò)查表的形式確定其側(cè)向加速度閾值,具有很好的針對(duì)性,使預(yù)警準(zhǔn)確度得到提升.美國(guó)密蘇里大學(xué)的Nalecz等人于1993年提出一種利用傾翻保護(hù)能量?jī)?chǔ)藏(RolloverPreventionEnergyReserved,RPER)對(duì)傾翻進(jìn)行預(yù)警的方法81.RPER被定義為將車(chē)輛從

6、現(xiàn)在位置翻轉(zhuǎn)到傾翻臨界能相互轉(zhuǎn)化.在傾翻工況下,RPER的值小于O;在車(chē)傾翻試驗(yàn)說(shuō)明,此方法可以準(zhǔn)確有效地對(duì)非傾翻工況進(jìn)行傾翻預(yù)警.上述傾翻預(yù)警系統(tǒng)都是以靜態(tài)閾值(如側(cè)向加速度,質(zhì)心側(cè)傾角等)作為車(chē)輛傾翻預(yù)警的閾值,而基于靜態(tài)閾值的傾翻預(yù)警算法對(duì)車(chē)輛未來(lái)一段時(shí)題,密西根大學(xué)的BoChiuanChen提出一套基于傾翻時(shí)間(TimeToRollover,珊)的動(dòng)態(tài)傾翻預(yù)警算法ol,該算法中的珊可以動(dòng)態(tài)地記錄下從當(dāng)前態(tài)和方向盤(pán)輸入下,利用TTR預(yù)警算法可以預(yù)測(cè)指經(jīng)到達(dá),設(shè)定珊值為0(即正在發(fā)生傾翻),并觸發(fā)傾翻預(yù)警裝置(如蜂鳴器,報(bào)警指示燈等);假設(shè)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)車(chē)輛沒(méi)有到達(dá)設(shè)定的側(cè)傾角閾值(即在設(shè)定

7、時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生傾翻),為了防止算法大小,就可以方便地反映出車(chē)輛的傾翻危險(xiǎn)程度.但是,由于一些車(chē)輛(如重型半掛車(chē),工程車(chē)輛等)的載荷和重心變化較大,而動(dòng)態(tài)預(yù)警的閾值恰恰選用了車(chē)輛重心處的側(cè)傾角,因此,選定適合于各種車(chē)輛的側(cè)傾角閾值具有一定難度.朱天軍在傳統(tǒng)m算法根底上,提出了基于改進(jìn)TTR算法的傾翻預(yù)警系統(tǒng)【llJ,該系統(tǒng)采用經(jīng)典卡爾曼濾波技術(shù)結(jié)合簡(jiǎn)化預(yù)警模型,準(zhǔn)確估計(jì)重型車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并實(shí)時(shí)讀取車(chē)輛當(dāng)前狀態(tài)(車(chē)速,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度等參數(shù)),進(jìn)而確定傾翻預(yù)警的閾值動(dòng)態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR,然后利用改良TTR算法預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間的傾翻危險(xiǎn)程度.翻預(yù)警閾值選用了車(chē)輛動(dòng)態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率,而不是

8、固定的重心側(cè)傾角,所以該算法既可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)傾翻危險(xiǎn)程度,又保證了較好的普適.同時(shí),采用卡爾曼濾波技術(shù)可以實(shí)時(shí)估計(jì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而防止了由于車(chē)輛載荷,重心位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)的變化所引起的預(yù)警不準(zhǔn)確或失效.可見(jiàn),該方法不僅適用于一般公路車(chē)輛,對(duì)工程車(chē)輛,越野車(chē)等重心位置和載荷時(shí)刻變化的車(chē)型也具有一定的應(yīng)用價(jià)值.表1中列出了幾種典型的傾翻預(yù)警算法及其優(yōu)缺點(diǎn)比照.車(chē)速叫濾波電路噓=二轉(zhuǎn)角6I濾波側(cè)神口速甄腋_一1電路_一l間77l.l7TR>3r-一圖1改良TTR傾翻預(yù)警算法示意圖57表1各種傾翻預(yù)警算法比照算法名稱(chēng)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)屬基于靜態(tài)閾值的以車(chē)輛側(cè)向加傾翻預(yù)警算法,預(yù)警作為傾翻閾值

9、觀,易于實(shí)現(xiàn)來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將要的預(yù)警算法發(fā)生的傾翻危險(xiǎn)無(wú)法預(yù)測(cè)只對(duì)非傾翻工況具傾翻保護(hù)能量適于非絆倒和絆倒有主動(dòng)預(yù)警功能;在儲(chǔ)藏(RPER)預(yù)傾翻事故,可以有效傾翻工況下,如不及警算法地警示非傾翻工況時(shí)采取能量轉(zhuǎn)移措施,將無(wú)法防止翻車(chē)傾翻時(shí)間(m)基于動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行對(duì)于載荷和重心變傾翻預(yù)警,簡(jiǎn)單易化較大的車(chē)輛,選定預(yù)警算法適合的預(yù)警閾值具行,實(shí)時(shí)生好有一定難度選用動(dòng)態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)改良TTR傾翻移率作為閾值,防止算法較為復(fù)雜,對(duì)某重心,載荷等參數(shù)變預(yù)警算法些車(chē)型難于實(shí)現(xiàn)化對(duì)預(yù)警的影響,提高了準(zhǔn)確性和普適性2汽車(chē)主動(dòng)防傾翻控制方式目前對(duì)車(chē)輛主動(dòng)防傾翻系統(tǒng)的研究主要針對(duì)翻的主動(dòng)控制方式主要有主動(dòng)防傾翻桿,

10、主動(dòng)及半主動(dòng)懸架控制,主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制和差動(dòng)制動(dòng)等.種在重型半掛車(chē)上使用主動(dòng)防傾翻桿的分布式主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)121,該系統(tǒng)主要由全局控制器和局部控制器組成:全局控制器監(jiān)測(cè)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和平安性指標(biāo);局部控制器控制各液動(dòng)執(zhí)行元控制系統(tǒng)可以對(duì)車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并通過(guò)各液動(dòng)執(zhí)行元件控制主動(dòng)防傾翻桿的動(dòng)作,進(jìn)而防止車(chē)輛發(fā)生傾翻.建立簡(jiǎn)化的車(chē)輛傾翻模型如圖3所示(圖中為一58一圖2采用主動(dòng)防傾翻桿的防傾翻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖3簡(jiǎn)化的車(chē)輛傾翻模型整車(chē)質(zhì)量,為側(cè)向加速度,為重心側(cè)傾角),并用PID控制策略預(yù)測(cè)車(chē)輛模型在不同行駛模式下的響應(yīng),通過(guò)主動(dòng)懸架對(duì)車(chē)輛側(cè)向加速度進(jìn)行控制,進(jìn)進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn),驗(yàn)證了該主動(dòng)懸架

11、防傾翻控制系統(tǒng)的可靠性.2005年,徐延海提出一種利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)汽力的好壞與汽車(chē)曲線行駛時(shí)的側(cè)向加速度大小有直接關(guān)系.在八自由度汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的根底上,運(yùn)用主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方式進(jìn)行了汽車(chē)的性能仿真分析,并與未采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向防傾翻控制系統(tǒng)的分析結(jié)果進(jìn)行了比照.試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)改變轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度,可以有效地減小汽車(chē)側(cè)向轉(zhuǎn)向控制時(shí)汽車(chē)車(chē)道保持能力的控制方法,進(jìn)而減小了車(chē)輛在進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)與駕駛員真實(shí)意圖的器設(shè)計(jì)方法防止車(chē)輛傾翻【堋,在現(xiàn)有轉(zhuǎn)向角輸入時(shí),保持橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR低于某特定水平.2021年,于志新等人應(yīng)用差動(dòng)制動(dòng)控制方式對(duì)了重型牽引車(chē)的失穩(wěn)機(jī)理,以橫擺角速度和側(cè)向加速度為控制

12、變量建立了重型牽引車(chē)二自由度預(yù)警參考模型,進(jìn)而利用z17算法預(yù)測(cè)出車(chē)輛傾翻發(fā)生時(shí)間,最后采用線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)控制算法得到最優(yōu)附加橫擺力矩,以差動(dòng)制動(dòng)方式精確控制防傾翻控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示.表2為4種典型汽車(chē)主動(dòng)防傾翻控制方式優(yōu)缺點(diǎn)的分析比照.此外,還有多種控制方式聯(lián)合應(yīng)用于車(chē)輛傾翻穩(wěn)定性控制的研究.1:HI方向盤(pán)轉(zhuǎn)角,車(chē)速l附加橫r.制動(dòng)廣主1廣一麓H霽丌傾翻頂警算法圖4差動(dòng)制動(dòng)主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)流程圖表24種汽車(chē)主動(dòng)防傾翻控制方式優(yōu)缺點(diǎn)比照控制方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)基于防抱死剎車(chē)系統(tǒng)差動(dòng)制動(dòng)防傾翻效果有限ABS,易于實(shí)現(xiàn),本錢(qián)低主動(dòng)防傾翻桿防傾翻效果較好系統(tǒng)復(fù)雜,本錢(qián)高防傾翻效果好,適合

13、于需要額外增加硬主動(dòng)懸架各種車(chē)輛件,本錢(qián)高在提高車(chē)輛傾翻穩(wěn)定性降低了車(chē)輛轉(zhuǎn)彎主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的同時(shí),減小了側(cè)向加能力和車(chē)道保持速度能力3工程車(chē)輛應(yīng)用主動(dòng)防傾翻技術(shù)的展望汽車(chē)的傾翻預(yù)警技術(shù)和主動(dòng)防傾翻控制方式的相關(guān)研究成果,如具有普適性的改良TTR預(yù)警算法和差動(dòng)制動(dòng)防傾翻控制,對(duì)工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究具有很好的參考價(jià)值.但是,工程車(chē)輛工作環(huán)境惡劣,干擾因素眾多,并且其本身也極具特殊性,如整車(chē)重心時(shí)刻變化,行駛速度低以及變載荷作業(yè)等,導(dǎo)致工程車(chē)輛傾翻狀態(tài)的預(yù)測(cè)及穩(wěn)定性控制遠(yuǎn)比公路車(chē)輛復(fù)雜.以ZL50型裝載機(jī)為例,其滿載和空載工況質(zhì)量相差5t,物料舉升位置和前后車(chē)架鉸接角度變化給

14、裝載機(jī)重心位置的預(yù)測(cè)帶來(lái)困難,另外,裝載機(jī)的傾翻軸線也會(huì)隨前后車(chē)架鉸接角度的變化而變化.目前,對(duì)工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻技術(shù)的研究剛剛了一套工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻控制策略【l7】,控制流程圖如圖5所示.通過(guò)對(duì)整車(chē)側(cè)傾角,側(cè)向速度和側(cè)向加速度進(jìn)行多信息融合,計(jì)算得到傾翻預(yù)警時(shí)間TTR,并通過(guò)主動(dòng)油氣懸架,主動(dòng)轉(zhuǎn)向以及工作裝置調(diào)整等措施提高整車(chē)的側(cè)向穩(wěn)定性,在必要時(shí)對(duì)整參數(shù)較多,需要在現(xiàn)有工程車(chē)輛上安裝多個(gè)傳感器和主動(dòng)控制執(zhí)行元件,預(yù)警算法和控制方式極為復(fù)雜,較難實(shí)現(xiàn),而且本錢(qián)較高,不利于推廣應(yīng)用.綜上所述,如何對(duì)工程車(chē)輛的多個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行多信息融合,選擇有效的動(dòng)態(tài)預(yù)警閾值,對(duì)傾翻臨界狀態(tài)作出準(zhǔn)確判斷,并

15、進(jìn)行有效的防傾翻控制,將成為對(duì)工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻進(jìn)行深入研究的動(dòng)防傾翻控制方式領(lǐng)域的研究成果,在針對(duì)工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻系統(tǒng)的進(jìn)一步研究中,需要對(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)行深入的考慮:(1)建立適合工程車(chē)輛(非公路,可變形態(tài)車(chē)輛)的傾翻預(yù)警算法.其中,重心位置確實(shí)定,動(dòng)態(tài)預(yù)警閾值的選擇與計(jì)算是主要難點(diǎn).(2)確定有效的,適用于工程車(chē)輛的主動(dòng)防傾翻控制方式.傾翻臨界狀態(tài)下,為使工程車(chē)輛恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài),可供選擇的控制參數(shù)包括主動(dòng)懸架高度,前后車(chē)架鉸接角度,工作裝置姿態(tài)和制動(dòng)力分配等,這些參數(shù)的防傾翻效果,響應(yīng)時(shí)間的控制以一59一/L足圖5工程車(chē)輛主動(dòng)防傾翻控制系統(tǒng)流程圖及如何使這些主動(dòng)控制方法合理組合,到達(dá)最優(yōu)控制

16、效果等均需要進(jìn)行深入研究.參考文獻(xiàn)件設(shè)計(jì)與性能仿真J】.農(nóng)業(yè)機(jī)械,2021(8):2024.D】.長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2021.CriteriaforanEarlyWarningSafetyDeviceJ.SAEPaper,1990,No.902265.ofaRolloverWarningDeviceforHeavyTrucksC】.Trans-portCanada,1990,TP10610E.一6O一TractorSemitrmlersJ】.VehicleSystemDynamics,2003(6):401414.AdvisorySignsforTrucksonHighwayExitRamps【

17、C.InsuranceInstituteforHighwaySafetyandUniversityofMichiganTransportationResearchInstitute,1992.partmentofTransportation,FederalHighwayAdministration,ResearchandDevelopment,TurnerFairbankHighwayResearchCenter,1998,FHWARD一93039.ofVehicleRolloverPropensityJ.SAEPaper,1993,No.930831.culatedVehiclesBased

18、onATimeToRolloverMetricC.ToAppearintheProceedingsofthe1999InternationalMechanicalEnneeringCongressandExposition,1999.SpotsUtilityVehiclesC.AutomaticControlConference,1999.穩(wěn)定性控制算法研究【D.長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2021.lopmentofanActiveRollControlSystemforHeavyVehiclesfC1.SaskatoonCanada:Procof6thInternationalSymposiumonHeavyVehicleWeightsandDimensions,2O00.mentalArticulatedVehicleJI.AutomobileEngineering,2003: