轮式车辆低速稳态滑移转向特性研究

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轮式车辆的滑移转向是通过改变两侧车轮的转速来实现转向，同时可原地转向和中心转向，比轮式车辆的几何转向方式具备更好的转向灵活性以及结构简单、成本低、 收间等优点。

稳态转向是指在固定的转向半径情况下，转向角速度恒定的转向过程。转向时，轮胎与地面之间出现滑转(滑移)现象。同时，车辆的转向中心线(车辆转向中心线与车体中心线的垂线)由于离心力的影响，产生纵向偏移，直接影响车辆 的稳态转向特性 。

笔者建立了轮式车辆稳态滑移转向的数学模型，并对模型进行数值求解，分析了低速时车辆的转向特性。

2 运动学分析为方便分析又过多影响模型精度，假设：①轮胎侧倾角为0；②忽略轮胎宽度的影响；③轮胎与地面的摩擦系数为常数；④地面附着系数 各向同性，为常数 。

图 1为某6x6轮式车辆滑移转向简图。图中，0为转向中心，R为转向半径，尺 为转向中心与车辆重心 C之间的距离，重心与车辆几何中心重合，接地压力均匀，E为转向中心的纵向偏移量，B为轮距， 为转向角速度。

C图 1 转向运动简图如图1所示，由内、外侧轮胎相对车体的速度为和 和随车体的旋转速度为 和 ，可以得出内、外侧轮胎接地面的绝对运动速度 和 。。

fV 1 1-V 112(R -B/2)-∞。r 2 - 2 。r- (RB/2) t J，式中： j、 。为内外侧轮胎的转速，r为轮胎的半径。

收稿日期：2013-06-17作者简介：郭晓林(1974-)，男，河北邢台人，副教授，研究方向：军用车辆总体技术。

· 14·-口 二二二二二二二二二二U · 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 研究与分析由 、Vs2 2和式 (1)，口J以得 剑 式 ：R ×导式中：k09./w。，表示内外侧轮胎的转速之比，△∞tO。

- ；，表示车辆两侧轮胎的转速差～式(1)两边同时除以B/2，得到车辆的相对转向半径P：JD：. (3) 1 L ， G× 詈×车辆行驶的滚动阻力为： 式中 为滚动阻力系数。

3 动力学分析图2为整车转向受力简图。车辆重心 Ⅳ与车体几何中心 C的距离为 ，车体重心处的速度为 。由图中的几何关系，可知轮胎的侧偏角为：f -2E L-2E 4I ；2Ez 二 ； 厶JL-iJ，J2， ；2E5 丽 ，J2(7)(8)转向主动力矩 M 和转 向阻力矩 M 为 ：fM ：2B-(FnxFix)1 ：导圭转向数学模型建寺 X、Y方向的平衡 方稗 以及对车辆 rI.何 中(4) 点 C的力矩平衡方程，得：rF。 -F -Fc frGF1yF4y-(F2yF3yF5yF6y)F (1O)FCyD M M0图2 整车动力学简图由于车辆重心与几何中心之间的距离为D，且同- 轴上的两个轮胎的法向载荷相等，都等于轴荷之半，可以得出车辆各个轮胎上的载荷分别为： GF F 1 G (5) G由 F F COS 和 F F 。sin Ot (i16)，可求得每个轮胎的侧偏力和纵向力，得出牵引力和制动力分别为 F。 和Fx F5xF6x(6)F Fh 重 tl，处的离心力 在坐标轴方向的分力为：将各个力和力矩的表达式代人方程组(10)，便得到车辆稳态转向时的力矩平衡方程。

5 仿真分析在实际中，由于工作环境的原因，滑移转向车辆的行驶速度普遍不高，因此分析其在低速工况下的转向性能具有-定的实际意义。这里分析的车辆转向性能是指运动学和动力学性能，前者包括车辆内外侧转速比与转向半径的关系以及转向极偏移量随转向半径的变化；后者包括车辆受到的纵向力(牵引力和制动力)、转向阻力矩随转向半径的变化关系。

以某种66全地形车为例，其结构参数及地面参数如表 1所示。

表 1 主要参数结构参数 地面条件参数车重 G(kN) 206总轴距 L(m) 4轮距 B(m) 2.7重心位置 d(m) 0.064轮胎半径 r(m) 0.72滑动摩擦系数 0 8滚动阻力系数f 0.02按本文模型对其稳态转向动力学特性进行分析，分析结果如下。

从图 3中可以看出，随着内外侧转速比的增加，车辆转向半径逐渐增大，当内外转速比趋近相等时，半径趋近于无穷大，车辆处于直驶状态；在相同的转速比下，转向半径的仿真结果比理论结果要大，且二· 1 5 ·研究与分析 2013年第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·者的差值随着转速比的增加而增加。如图4所示，外侧轮胎转向极横向偏移量 随转向半径的增大而增大，直驶时，0，趋近于无穷大；内侧轮胎转向极横向偏移量 n 随转向半径的增大而减小，直到 o 0时，内侧轮胎停止滑移，开始滑转 ；转向极纵向偏移量 e随转向半径的增大而减小，这是因为转向半径增大，转向阻力矩减校转向中心线偏移量随转向半径增大而减小，表明车辆操纵性变差，但其稳定性增加。

图3 相对转向半径与内外侧转速比的关系图4 转向极相对偏移量与相对转向半径的关系如图5所示，在转向半径较小时，转向外侧受到的牵引力和内侧受到的制动力都较大，而随着转向半径的增加，二者都减小，且当转向半径增加-定值时，转向内侧轮胎受到制动力为0，即轮胎处于自由滚动的状态，此时，只有转向外侧提供动力，被称之为分离转 向。

从图6中可看出，转向半径越小，车辆的转向阻力矩越大，而车辆接近于直驶时，转向阻力矩也趋近于 0。

· 16·图5 纵向力与相对转向半径的关系2O018060140喜警 10o806o曩40200图 6 转向阻力矩与相对转向半径的关系6 结 论本文建立了车辆稳态转向的数学模型并提出了求解方法，同时仿真分析了轮式车辆在低速时车辆内外侧转速比与相对转向半径的关系、转向极偏移量随转向半径的变化、车辆受到的纵向力(牵引力和制动力)以及转向阻力矩随转向半径的变化关系。本文提出的数学模型及数值分析方法可用于分析轮式车辆在滑移转向过程中的滑转(滑移)现象对车辆稳态转向的影响。