主動防傾翻技術(shù)及其在工程車輛上的應用展望

1、主動防傾翻技術(shù)及其在工程車輛上的應用展望主動防傾翻技術(shù)及其在工程車輛上的應用展望術(shù)張玉新,王國強,陳超,曲俊娜(吉林大學機械科學與工程學院)關鍵詞:主動防傾翻;工程車輛;應用展望工程車輛行駛路面復雜,工作環(huán)境惡劣,翻車事故高發(fā)ll1.為了保障駕駛員的生命平安,國際標準ISO3471?土方機械翻車保護結(jié)構(gòu)實驗室試驗性能要求?要求工程車輛必須加裝翻車保護結(jié)構(gòu)(ROPS),以實現(xiàn)對駕駛員的翻車被動保護,該標準規(guī)定的實驗室檢測試驗是基于靜態(tài)載荷的,然而,工程車輛的翻車過程是一個動態(tài)沖擊過程,在這個過程中,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,碰撞中回彈劇烈導致人與車內(nèi)物體反復碰撞等

2、21.實踐證明,即使翻車保護結(jié)構(gòu)符合上述國際標準要求,翻車時也常有駕駛員重的發(fā)生率,防止人員傷亡,僅采取被動平安措施是不夠的.因此,工程車輛主動防傾翻技術(shù)的研究顯得尤為重要.近年來,國內(nèi)外學者對汽車主動防傾翻技術(shù)進行了大量理論分析,計算機仿真和試驗研究,在車輛傾翻報警,預防和車輛傾翻控制等方面取得了一些成果.深入研究汽車相關主動防傾翻技術(shù),進而將其拓展應用在工程車輛上,具有巨大的現(xiàn)實意義和實用價值.目前,對汽車主動防傾翻技術(shù)的研究集中在傾翻預警技術(shù)和主動防傾翻控制方式兩個方面.1汽車傾翻預警技術(shù)歐盟,美國,El本和澳大利亞等國家和地區(qū)對汽車翻車平安問題非常重視,相關研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)進行了大量

3、的研究,并在車輛傾翻模擬和預警領域取得了一定的成果.早期的傾翻預警算法采用比擬車輛側(cè)傾角和側(cè)向加速度與傾翻閾值的大小來對傾翻進行預警.加拿大Concordia大學的SubhashRekheja于1990年研發(fā)出一套傾翻穩(wěn)定性預警系統(tǒng)3I,并在重度是否大于設定的閾值來判斷車輛狀態(tài),可以監(jiān)測車輛的失穩(wěn)狀態(tài)并及時向駕駛員進行警示:低速轉(zhuǎn)彎時,通過在線監(jiān)測側(cè)向加速度警示傾翻危險;高速轉(zhuǎn)向時,通過在線監(jiān)測車軸的側(cè)傾角警示傾翻危險.此方法基于靜態(tài)閾值進行傾翻預警,預警性能有限且無法預測車輛未來一段時間內(nèi)的傾翻危險.PrestonThomas和Woodrooffe在重型車輛上開載荷轉(zhuǎn)移率(LateralLo

4、adTransferRatio,LTR)作為車輛傾翻穩(wěn)定性判定指標,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值,即:(2007AA04Z126)作者簡介:張玉新(1986一),男,吉林長春人,在讀碩士,研究方向:車輛主動平安技術(shù).一56豫=(一)L=一()式中:和分別為第根車軸左,右輪胎上的垂直載荷;n為車軸總數(shù).兩側(cè)輪胎沒有橫向載荷轉(zhuǎn)移時LTR為0,此時車輛平穩(wěn)行駛;某一側(cè)輪胎全部離地時LTR為1,此時側(cè)向加速度到達傾翻閾值.很多傾翻預警算法都選用LTR作為傾翻穩(wěn)定重型半掛車傾翻預警模型51,并通過LTR值判定傾翻危險程度,該研究考慮了懸架和輪胎的非線性特點,通過參

5、數(shù)辨識技術(shù)辨識出影響LTR值的參數(shù),使預測模型更接近實車,能夠較好地反映車輛傾翻危險程度.Freedman等人在1992年設計了一種在高速公彎道曲率和斜度得到的臨界速度時,警報信號將被側(cè)翻狀態(tài)的影響,因此傾翻預警的準確度不高,容統(tǒng)用對Freedman的預警裝置進行了改良,該系統(tǒng)可以依據(jù)每輛車的類型,速度,質(zhì)量和高度等參數(shù),通過查表的形式確定其側(cè)向加速度閾值,具有很好的針對性,使預警準確度得到提升.美國密蘇里大學的Nalecz等人于1993年提出一種利用傾翻保護能量儲藏(RolloverPreventionEnergyReserved,RPER)對傾翻進行預警的方法81.RPER被定義為將車輛從

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;在車傾翻試驗說明,此方法可以準確有效地對非傾翻工況進行傾翻預警.上述傾翻預警系統(tǒng)都是以靜態(tài)閾值(如側(cè)向加速度,質(zhì)心側(cè)傾角等)作為車輛傾翻預警的閾值,而基于靜態(tài)閾值的傾翻預警算法對車輛未來一段時題,密西根大學的BoChiuanChen提出一套基于傾翻時間(TimeToRollover,珊)的動態(tài)傾翻預警算法ol,該算法中的珊可以動態(tài)地記錄下從當前態(tài)和方向盤輸入下,利用TTR預警算法可以預測指經(jīng)到達,設定珊值為0(即正在發(fā)生傾翻),并觸發(fā)傾翻預警裝置(如蜂鳴器,報警指示燈等);假設在設定時間內(nèi)車輛沒有到達設定的側(cè)傾角閾值(即在設定

7、時間內(nèi)不會發(fā)生傾翻),為了防止算法大小,就可以方便地反映出車輛的傾翻危險程度.但是,由于一些車輛(如重型半掛車,工程車輛等)的載荷和重心變化較大,而動態(tài)預警的閾值恰恰選用了車輛重心處的側(cè)傾角,因此,選定適合于各種車輛的側(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TTR算法的傾翻預警系統(tǒng)【llJ,該系統(tǒng)采用經(jīng)典卡爾曼濾波技術(shù)結(jié)合簡化預警模型,準確估計重型車輛的運動狀態(tài),并實時讀取車輛當前狀態(tài)(車速,方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度等參數(shù)),進而確定傾翻預警的閾值動態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR,然后利用改良TTR算法預測未來一段時間的傾翻危險程度.翻預警閾值選用了車輛動態(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態(tài)監(jiān)測傾翻危險程度,又保證了較好的普適.同時,采用卡爾曼濾波技術(shù)可以實時估計車輛運動狀態(tài),從而防止了由于車輛載荷,重心位置以及轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)的變化所引起的預警不準確或失效.可見,該方法不僅適用于一般公路車輛,對工程車輛,越野車等重心位置和載荷時刻變化的車型也具有一定的應用價值.表1中列出了幾種典型的傾翻預警算法及其優(yōu)缺點比照.車速叫濾波電路噓=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傾翻預警算法示意圖57表1各種傾翻預警算法比照算法名稱優(yōu)點缺點屬基于靜態(tài)閾值的以車輛側(cè)向加傾翻預警算法,預警作為傾翻閾值

9、觀,易于實現(xiàn)來一段時間內(nèi)將要的預警算法發(fā)生的傾翻危險無法預測只對非傾翻工況具傾翻保護能量適于非絆倒和絆倒有主動預警功能;在儲藏(RPER)預傾翻事故,可以有效傾翻工況下,如不及警算法地警示非傾翻工況時采取能量轉(zhuǎn)移措施,將無法防止翻車傾翻時間(m)基于動態(tài)閾值進行對于載荷和重心變傾翻預警,簡單易化較大的車輛,選定預警算法適合的預警閾值具行,實時生好有一定難度選用動態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)改良TTR傾翻移率作為閾值,防止算法較為復雜,對某重心,載荷等參數(shù)變預警算法些車型難于實現(xiàn)化對預警的影響,提高了準確性和普適性2汽車主動防傾翻控制方式目前對車輛主動防傾翻系統(tǒng)的研究主要針對翻的主動控制方式主要有主動防傾翻桿,

10、主動及半主動懸架控制,主動轉(zhuǎn)向控制和差動制動等.種在重型半掛車上使用主動防傾翻桿的分布式主動防傾翻控制系統(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)測車輛的動力學參數(shù)和平安性指標;局部控制器控制各液動執(zhí)行元控制系統(tǒng)可以對車輛狀態(tài)進行實時監(jiān)測,并通過各液動執(zhí)行元件控制主動防傾翻桿的動作,進而防止車輛發(fā)生傾翻.建立簡化的車輛傾翻模型如圖3所示(圖中為一58一圖2采用主動防傾翻桿的防傾翻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖3簡化的車輛傾翻模型整車質(zhì)量,為側(cè)向加速度,為重心側(cè)傾角),并用PID控制策略預測車輛模型在不同行駛模式下的響應,通過主動懸架對車輛側(cè)向加速度進行控制,進進行實車試驗,驗證了該主動懸架

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轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)汽力的好壞與汽車曲線行駛時的側(cè)向加速度大小有直接關系.在八自由度汽車動力學模型的根底上,運用主動轉(zhuǎn)向控制方式進行了汽車的性能仿真分析,并與未采用主動轉(zhuǎn)向防傾翻控制系統(tǒng)的分析結(jié)果進行了比照.試驗結(jié)果說明,采用主動轉(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側(cè)向轉(zhuǎn)向控制時汽車車道保持能力的控制方法,進而減小了車輛在進行主動轉(zhuǎn)向時與駕駛員真實意圖的器設計方法防止車輛傾翻【堋,在現(xiàn)有轉(zhuǎn)向角輸入時,保持橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR低于某特定水平.2021年,于志新等人應用差動制動控制方式對了重型牽引車的失穩(wěn)機理,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二自由度預警參考模型,進而利用z17算法預測出車輛傾翻發(fā)生時間,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,以差動制動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種典型汽車主動防傾翻控制方式優(yōu)缺點的分析比照.此外,還有多種控制方式聯(lián)合應用于車輛傾翻穩(wěn)定性控制的研究.1:HI方向盤轉(zhuǎn)角,車速l附加橫r.制動廣主1廣一麓H霽丌傾翻頂警算法圖4差動制動主動防傾翻控制系統(tǒng)流程圖表24種汽車主動防傾翻控制方式優(yōu)缺點比照控制方式優(yōu)點缺點基于防抱死剎車系統(tǒng)差動制動防傾翻效果有限ABS,易于實現(xiàn),本錢低主動防傾翻桿防傾翻效果較好系統(tǒng)復雜,本錢高防傾翻效果好,適合

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

14、裝載機重心位置的預測帶來困難,另外,裝載機的傾翻軸線也會隨前后車架鉸接角度的變化而變化.目前,對工程車輛主動防傾翻技術(shù)的研究剛剛了一套工程車輛主動防傾翻控制策略【l7】,控制流程圖如圖5所示.通過對整車側(cè)傾角,側(cè)向速度和側(cè)向加速度進行多信息融合,計算得到傾翻預警時間TTR,并通過主動油氣懸架,主動轉(zhuǎn)向以及工作裝置調(diào)整等措施提高整車的側(cè)向穩(wěn)定性,在必要時對整參數(shù)較多,需要在現(xiàn)有工程車輛上安裝多個傳感器和主動控制執(zhí)行元件,預警算法和控制方式極為復雜,較難實現(xiàn),而且本錢較高,不利于推廣應用.綜上所述,如何對工程車輛的多個動力學參數(shù)進行多信息融合,選擇有效的動態(tài)預警閾值,對傾翻臨界狀態(tài)作出準確判斷,并

15、進行有效的防傾翻控制,將成為對工程車輛主動防傾翻進行深入研究的動防傾翻控制方式領域的研究成果,在針對工程車輛主動防傾翻系統(tǒng)的進一步研究中,需要對以下兩點進行深入的考慮:(1)建立適合工程車輛(非公路,可變形態(tài)車輛)的傾翻預警算法.其中,重心位置確實定,動態(tài)預警閾值的選擇與計算是主要難點.(2)確定有效的,適用于工程車輛的主動防傾翻控制方式.傾翻臨界狀態(tài)下,為使工程車輛恢復穩(wěn)定狀態(tài),可供選擇的控制參數(shù)包括主動懸架高度,前后車架鉸接角度,工作裝置姿態(tài)和制動力分配等,這些參數(shù)的防傾翻效果,響應時間的控制以一59一/L足圖5工程車輛主動防傾翻控制系統(tǒng)流程圖及如何使這些主動控制方法合理組合,到達最優(yōu)控制

16、效果等均需要進行深入研究.參考文獻件設計與性能仿真J】.農(nóng)業(yè)機械,2021(8):2024.D】.長春:吉林大學,2021.CriteriaforanEarlyWarningSafetyDeviceJ.SAEPaper,1990,No.902265.ofaRolloverWarningDeviceforHeavyTrucksC】.Trans-portCanada,1990,TP10610E.一6O一TractorSemitrmlersJ】.VehicleSystemDynamics,2003(6):401414.AdvisorySignsforTrucksonHighwayExitRamps【

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