周志国 方栋华 方剑烽 喻学才

(浙江交通职业技术学院汽车学院1) 杭州 311112) (浙江师范大学工学院2) 金华 321004)

基于转动惯量转移的农用冷藏物流车动态稳定特性研究及控制仿真*

周志国1)方栋华1)方剑烽1)喻学才2)

(浙江交通职业技术学院汽车学院1)杭州 311112) (浙江师范大学工学院2)金华 321004)

基于整体运动学模型，建立了农用冷藏物流车模型及其状态方程，并对其动态特性进行数学分析，运用整车转动惯量辨识分析算法，对车载货物重心位置变化引起的整车转动惯量进行辨识评估；基于MATLAB平台对车辆动态稳定性能进行时域和频域仿真分析.仿真结果表明，该方法可以得到车载货物重心位置变化对车辆动态稳定特性的影响结果.

现代物流；主动安全；模型分析法；动态稳定特性；计算机仿真

0 引 言

现代高速农用物流冷藏物车因为车载货物重心位置变化容易引起整车转动惯量转移，进而给车辆动态稳定特性造成严重影响.文献[1-3]提出需要针对冷藏物流运输车的特殊需求进行新的结构设计和优化.由于箱式物流运输车车速的提高对车辆的稳定控制系统也提出了更高的要求，需要在车辆转向系统上有新的技术要求[4-5].同时，随着车载电控系统技术的发展，对物流运输车稳定性电控系统进行设计和开发也是研究的一个方向[6-7].

但是，车辆运行速度作为影响农用冷藏物流运输车效率的主导因素之一，而冷藏物流车车载货物的重量和重量分布情况具有很大的不确定性，这种不确定性会引起车辆的重心和转动惯量发生变化，从而对车辆的动态稳定性产生较大的影响，目前成为又一个新的研究重点和难点.因此，为了降低车载货物对车辆稳定性的影响，文中提出基于转动惯量转移对冷藏物流车动态稳定特性进行研究.

1 车辆模型

选取应用较多的4×2箱式冷藏物流运输车作为研究对象，为了研究车载货物重心转移对车辆转动惯量的影响，分析转动惯量大小和位置的变化对整车动态稳定性的影响，建立车辆整车运动学模型.

(1)

式中：mveh为整车质量；MZi为整车转动惯量矩；ωr为车声横摆角速度；FXi为车辆纵向作用分力；FYi为车辆侧向作用分力；Iz为横摆转动惯量.

为了便于分析车辆重心位置转移与整车转动惯量变化之间的关系，以及引起的车辆动态稳定特性的变化，忽略车辆地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，忽略空气动力对车辆的作用，忽略车辆由于载荷变化引起的轮胎动力学特性的影响以及车辆回正力矩的影响等，对方程(1)中的车辆模型进行简化得到2自由度单轨车辆模型，见图1.

图1 单轨车辆模型

由图1可知2自由度单轨车辆模型为

(2)

式中：v为车辆侧向速度；u为车辆前进速度；a为前轴到质心距离；b为后轴到质心距离；δf为前轮转角；kaf为前轮侧偏刚度；kar为后轮侧偏刚度.

动态系统状态方程是对系统进行时域和频域分析的经典分析和描述方式，令

(3)

则方程(2)可转换为状态方程，即

Y=CX+DuIn

(4)

式中：

；

2 整车转动惯量计算方法

车辆的转动惯量对整车的操纵稳定性、制动性和行驶平顺性有很大的影响，对于一般刚体，根据理论力学的原理，其对某一轴线XG的转动惯量就是刚体中各个质点质量mGi与其到该轴的距离rGi的平方之乘积的累积值，其计算式为

(5)

在计算汽车的转动惯量时，理论上可以定义车辆是一个连续的刚体，但是，汽车本身又是一个不均匀的、空间分布比较复杂的结构体，因此，很难采用上述理论方法积分得到车辆的转动惯量.但是，对应设计好的车辆，其转动惯量也随之确定了，因此，工业上通常采用实验测试法和经验公式法来确定车辆的转动惯量.

这里重点讨论经验公式法[8-9]，这是一种建立在大量实验数据基础之上计算整车转动惯量的方法，方法如下.

(6)

IXG=KmL2

(7)

(8)

式中：K和K1为经验系数.

式(6)只有在很特殊的情况下才可以使用，针对冷藏物流运输车的载荷分布情况，见图2，这里选取式(7)作为计算基础经验公式.

图2 农用冷藏物流车载荷分布示意图

由图2可知，由于对于自重引起的车辆转动惯量和质心位置在运行过程中变化比较小，可以采用已测试数值，而对于车载货物的转动惯量和质心位置则会随着实际情况的变化而发生较大变化，这也是引起整车转动惯量和质心位置变化的重要因素，因此，将这2部分载重量进行分离计算，则有

(9)

(10)

则可得整车转动惯量变化值为

(11)

整车质心位置距离前轴变化值为

Δa=a-a′

(12)

3 车辆动态稳定性仿真分析

本节对车载货物引起的整车转动惯量和质心位置变化对其稳定性的影响进行仿真分析，参数见表1.

表1 仿真分析所用参数

3.1 前轮转角6°时，不同车速下动态响应仿真分析

在整车转动惯量变化为±10%，前轮转角6°时，分别针对10,20,30 m/s不同车速工况时对整车动态稳定性进行仿真分析，仿真分析结果见图3～8.

图3 时域车辆动态响应图(10 m/s)

图4 频域车辆动态响应图(10 m/s)

图5 时域车辆动态响应图(20 m/s)

图6 频域车辆动态响应图(20 m/s)

图7 时域车辆动态响应图(30 m/s)

图8 频域车辆动态响应图(30 m/s)

从仿真结果可知，对于时域结果，低转动惯量对输入的响应在回到稳态值之前出现了超调，反映了其系统的低阻尼特性,而当转动惯量增大后,车辆响应没有超调现象，表现为高阻尼特性.

对于频域响应，转动惯量减小则表现出之后较小，响应较快，增大则相反.

对于车速响应，在低速时转动惯量增减对车辆动态性能影响不大，当车速提高时，较大的转动惯量对车辆动态响应的影响增大，反之则减小.

3.2 前轮转角15°时，不同车速下动态响应仿真分析

在整车转动惯量变化为±10%，前轮转角增加为15°时，分别针10，20，30 m/s不同车速工况时对整车动态稳定性进行仿真分析，仿真分析结果分别见图9～14.

图9 时域车辆动态响应图(10 m/s)

图10 频域车辆动态响应图(10 m/s)

图11 时域车辆动态响应图(20 m/s)

图12 频域车辆动态响应图(20 m/s)

图13 时域车辆动态响应图(30 m/s)

图14 频域车辆动态响应图(30 m/s)

从上述仿真结果可知，当转角增大到15°时，车辆转动惯量的增减趋势和在6°时基本一致，但车速增加后，尤其是在高速阶段，车辆横摆角速度增加比较明显，车辆趋于失稳.

3.2 根轨迹分析

为了在最大车速范围内对车辆转动惯量和质心位置变化对车辆性能的影响进行全面的分析，对整车转动惯量分别变化为标准转动惯量的±10%和标准转动惯量3种情况下最大车速范围内的系统根轨迹图进行分析，仿真结果见图15.

图15 车辆系统根轨迹应图(5～30 m/s)

从上述仿真结果可知，在车速较小时特征值全落在实轴上，随车速的不断加大才逐渐接近虚轴，可见该车型在设计速度范围内是稳定的，但是，随着转动惯量的变化，车辆的根轨迹距离虚轴较近，造成车辆的稳定性储备变小.

4 结 束 语

结合现代农用冷藏物流运输车的特点，针对其载货重物质量和质心位置变化对物流运输车的动态稳定性的影响的问题进行了研究，建立了车辆动力学模型，并对关键变量进行分析，计算得到货重物质量和质心位置变化对物流运输车的动态稳定性的数学对应关系，并且通过仿真分析，验证了分析的有效性，为改善和提高农用冷藏物流运输车的稳定性提供了一个有效的分析方法，对优化车辆设计，提高其安全性和效率具有重要的参考价值.

[1]王秀景,鲁力群,冷藏物流车运输车匹配设计及分析[J].物流技术与应用，2016(5):55-58.

[2]陈琦峰.汽车物流跨界运输车研究与设计[J].物流技术与应用，2010(5):156-160.

[3]付智慧，赵长春.厢式运输车新技术的应用[J].专用汽车，2003(3):67-72.

[4]黎法豪.汽车物流智能运输车控制系统的开发与实现[J].高新技术，2015(6):98-105.

[5]李达，张锐,杨伟明，等.农产品物流运输车远程定位监测系统[J].保鲜与加工，2012,12(3):20-23.

[6]LI L. A novel vehicle dynamics stability control algorithm based on the hierarchical strategy with constrain of nonlinear tyre forces[J]. Vehicle System Dynamics,2015,53(8):1093-1116.

[7]OLEKSOWICZ S A, BURNHAM K, SOUTHGATE A, et al. Regenerative braking strategies, vehicle safety and stability control systems: critical use-case proposals[J]. Vehicle System Dynamics,2013(1):1-16.

[8]高云凯,冯海星,方剑光，等.基于质量线法的驾驶室惯性参数识别试验研究[J].振动与冲击,2013,32(6):189-193.

[9]MAHMOUDIAN N, GEISBERT J, WOOLSEY C. Approximate analytical turning conditions for underwater gliders: implications for motion control and path planning[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2010，35(1):131-143.

Study on Dynamic Response and Computer Simulation for Refrigerated Logistics Vehicles Based on the Moment of Inertia Transfer

ZHOU Zhiguo1)FANG Donghua1)FANG Jianfeng1)YU Xuecai2)

(AutomobileSchoolofZhejiangInstituteofCommunications,Hangzhou311112,China)1)(SchoolofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)2)

Based on the kinematic model of vehicle, the model and state equations of modern high-speed refrigerated logistic vehicle are established to analyze the dynamic stability characteristics of the vehicle. By the identification method of rotational inertia of vehicle, identification evaluation is conducted for the rotational inertia induced by the variation of the center of gravity of the goods in the vehicle. By using MATLAB, both time- and frequency-domain analyses of the vehicle’s dynamic stability characteristics are performed. The simulation results show that this method can calculate the effects of variation of center of gravity on the dynamic stability of the refrigerated logistics vehicles.

modern high-speed logistics; active safety; model analysis; dynamic stability; computer simulation

2016-10-17

*浙江省自然科学基金项目资助(LY13E080010)

TP391.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.007

周志国(1978—)：男，硕士，副教授，主要研究领域为汽车智能检测与诊断技术、车辆控制与仿真