三轴应急救援车辆全轮转向系统设计与控制策略研究

【摘要】：应急救援车辆需要具有良好的可操纵性、灵活机动性以及稳定性。采用多轴转向技术可以使车辆在低速行驶时减小转弯半径,高速行驶时减少侧滑和扭摆程度,提高车辆在低速行驶时的灵活机动性和高速行驶时的操纵稳定性,因此研究应急救援车辆多轴转向系统技术具有重要的理论意义与实际应用价值。本文结合国家重点研发计划项目“高机动多功能应急救援车辆关键技术研究与应用示范”(项目编号:2016YFC0802900),设计三轴应急救援车辆全轮转向系统的机械转向结构与液压转向系统,研究三轴应急救援车辆全轮转向的控制策略,提高车辆的灵活机动性与操纵稳定性。建立三轴转向车辆线性二自由度数学模型,根据车辆横摆角速度、质心侧偏角与前轮转角的传递函数对三轴车辆不同转向模式下的瞬态响应与稳态响应仿真分析,确定三轴车辆全轮转向的优势。重点考虑轮胎的非线性对车辆转向性能的影响,建立三轴全轮转向车辆的非线性三自由度操纵动力学模型,仿真计算三轴全轮转向车辆动态特性曲线。根据应急救援车辆最小转弯半径的设计要求,计算出车轮最大转向角与车辆转向过程转向阻力矩。对转向梯形机构的基本参数进行优化,设计三轴转向车辆梯形转向机构,并利用ADAMS对所设计的转向机构进行车轮转角分析与受力分析,利用Workbench软件对梯形转向机构关键零件进行有限元分析。针对应急救援车辆电控液压转向系统,首先确定前轴采用机械转向与液压助力转向系统,中轴、后轴采用电液比例转向+对中缸的系统方案。然后对三轴车辆电控液压系统进行静态设计与动态设计,对转向液压缸与电液伺服比例阀进行设计与建模,最后对电控液压转向系统进行频率响应分析与AMESim仿真分析。在三轴全轮转向车辆非线性三自由度操纵动力学模型中引入比例前馈与模糊反馈控制器。采用零质心侧偏角比例控制设计前馈控制器,分别基于质心侧偏角、横摆角速度以及质心侧偏角与横摆角速度联合控制设计模糊反馈控制器,仿真结果看出采用联合模糊反馈控制方法使横摆角速度稳态值下降43%,质心侧偏角稳态值下降83%,极大提升了三轴全轮转向车辆的操纵稳定性。