用于車輛的自適應移動配重裝置的設計

趙文瑞 孟澤江 馬舒君

摘要： 為了解決車輛在彎道中姿態側傾，穩定性下降的問題。設計了一種用于車輛的自適應移動配重裝置，安裝于車體上，通過自主改變車輛重心位置，保證車輛的行駛姿態，提高車輛的彎道性能。對實驗用車進行了建模，設計了配重系統及自適應控制系統，利用有限元校核了車輛在各工況下的強度，并進行實車驗證，證明該裝置對車輛彎道性能有提升。該裝置提供了一種結構簡單經濟性好的車輛重心改變方案，為車輛彎道性能的提升提供了一種思路。

Abstract： In order to solve the problem of vehicle's attitude tilting in the corner， the stability is reduced. An adaptive mobile counterweight device for vehicles is designed， which is mounted on the body， and the vehicle's bend performance is improved by autonomously changing the vehicle's center of gravity position， ensuring the vehicle's driving attitude. The experimental vehicle is modeled， the counterweight system and adaptive control system are designed， the strength of the vehicle under various operating conditions is verified by finite meta-check， and the real vehicle verification is carried out， which proves that the device has improved the performance of the vehicle bend. The device provides a simple and economical vehicle center of gravity change scheme， which provides a way of thinking for improving the performance of vehicle bends.

關鍵詞： 車輛彎道;配重;自適應移動;賽車

Key words： vehicle curve;counterweight;adaptive movement;racing

中圖分類號：U472.43 ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0019-03

0 ?引言

轉向時由于慣性力，車輛穩定性下降，為增強車輛彎道穩定性，現有方法主有增加懸架剛度、非對稱車輛調整，以及車輛重心位置的改變等。本文介紹了一種通過車輛重心位置的改變來增強彎道穩定性的裝置。

為解決橫向穩定桿不能提供抗俯仰的問題，提高賽車性能以及操作穩定性，李雨軒等人結合輪胎數據與整車參數設計確定懸架硬點，通過Adams對該懸架進行仿真分析驗證，設計了能有效抑制賽車在制動時的點頭行為的第三彈簧裝置。高寧等人利用ANSYS分析設計了一種FSAE賽車的橫向穩定桿系統，在滿足防側傾需求的前提下對穩定桿實現輕量化。瞿育文等人針對含時滯反饋控制的主動懸架的減振問題，對車輛主動懸架振動控制進行了研究，使車輛行駛舒適、穩定性得到進一步提高。鄧召文等人基于CFD方法對比分析了3種不同參數的尾翼組合方案的氣動特性，確定了最優的尾翼組合方案，根據最優方案的尾翼參數對前翼的參數進行了匹配，設計了FSAE賽車空氣動力學套件，有效提高了車輛過彎速度，推遲了剎車點，提高了圈速，有效提高了賽車的操縱穩定性和動力性。許夢潔等人對兒童賽車加裝移動配重提高其防側傾性能，對配重在車輛中的應用提供參考。

綜上所述，目前相關穩定性技術亦能夠基本滿足生產需求，但是存在結構復雜、價格昂貴，維護不變等問題，研究提出一種用于車輛的自適應移動配重裝置，對實驗用車進行建模，設計配重系統及自適應控制系統，利用有限元的方法校核了車輛在各工況下的強度，并進行了實車驗證，證明該裝置的有效性。

1 ?總體方案和工作原理

1.1 總體方案

裝置由配重系統、自適應控制系統及全地形卡丁車組成。結構如圖1所示，配重系統利用螺栓安裝在焊接于車架的安裝臺上，自適應控制系統（包括控制器、角度傳感器、位置傳感器）利用螺栓安裝在車身上。

1.1.1 配重系統方案

配重系統由滾珠絲桿、滑臺體、配重箱和執行電機組成。執行電機驅動滾珠絲桿，控制配重箱進行往復運動，配重箱采用中空結構，能夠根據實際需要增加配重質量。

1.1.2 自適應控制系統方案

自適應控制系統由控制器、位置傳感器、角度傳感器和執行電機組成，完成配重箱的精準定位，實現車輛重心的自適應調節的功能。

1.2 工作原理

當車輛轉向并且車身發生傾斜時，配重塊向車輛轉向的反方向移動。該自適應移動配重工作時，利用傳感器對車輛自身和行駛環境進行監測，將信號傳遞給控制器，通過電機實時驅動配重箱移動，使車輛重心偏移，實現自適應調整，以適應彎道或復雜地形條件，提高車輛行駛穩定性。

2 ?關鍵部件設計

2.1 配重系統設計

2.1.1 配重系統

該配重系統是采用動力驅動配重物體移動的裝置。根據傳動方案的不同，分為①滾珠絲桿滑臺、②直線電機、

③齒輪齒條。鑒于滾珠絲桿滑臺結構簡單、價格低廉，使用滾珠絲桿滑臺作為配重系統的方案。

2.1.2 配重安裝位置的確定

配重安裝位置與車輛重心位置及車身尺寸有關。

首先，確定車輛的重心位置。單獨稱量地面對每個車輪的作用力，根據車身尺寸計算其車體質心位置。

根據力矩平衡原理，如果一個物體所受到的力的合力矩的代數和是0，那么就說這個物體處于力矩平衡狀態。

根據表1數據，可見車輛重量在左右方向上分布較均勻（小于1.5%），而在前后方向上差異顯著（接近20%），故僅以前后方向的重量差別計算車輛質心位置。

Fy1*a=Fy2*（L-a）

a=Fy2*L/（Fy1+Fy2）

上式中a為重心位置與前輪軸的距離，L為車輛的軸距，Fy1為地面對前輪的作用力，Fy2為地面對后輪的作用力。

根據上式，計算出重心位置與前輪軸的距離a=795mm。

重心在車輛中部偏后，由于車輛為后輪驅動，且駕駛員位置在車輛前部，為確保后輪抓地力，擬將配重裝置安裝于車體后部，距后輪軸250mm處。

2.1.3 配重系統運行速度

與配重系統運行速度有關的因素有：①轉彎半徑;②車輛行駛速度;③配重可移動行程。其關系如圖6所示。

由上述關系整理

上式中 U為配重運行速度，V為車輛行駛速度，s為滾珠絲桿滑臺配重可移動行程，r為轉彎半徑。

據查，我國城市道路轉彎半徑規定：①主干道道路轉彎半徑為20m～30m;②次干道道路轉彎半徑為15m～20m;③非主次道路轉彎半徑為10米～20米。故取，r=10m～30m。城市主要道路限速為20km/h～60km/h，故v=60km/h。滾珠絲桿滑臺配重可移動行程s=1m?？傻胾=0.18～0.53m/s，市面所受滾珠絲桿滑臺大多可滿足使用需求。

2.2 自適應控制系統設計

自適應控制系統通過角度傳感器實時監測車身的位姿狀態，將車輛位姿狀態實時傳遞到控制器，位置傳感器與配重箱同步，將配重的位置信息實時反饋回控制器，控制器根據車輛的位姿狀態控制執行電機驅動配重箱到達目標位置，并根據位置傳感器的信息，進行反饋調節，完成配重箱的精準定位，實現車輛重心的自適應調節。

2.3 車身強度校核

項目通過在全地形卡丁車車架上安裝可自適應移動的配重來改變車輛重心位置，提高彎道性能，但是由于賽車工況惡劣，又加裝了接近車輛自重30%的配重物，故車身強度可能存在不足。

本項目購置的全地形卡丁車屬于桁架式車架，即由鋼管焊接而成的空間管陣。其特征是基架（位于與車橋直接相連的鋼管所在平面）承受主要載荷，故分析可簡化為基架進行。

賽車車架的有限元分析主要基于以下幾個工況：靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況以及轉彎工況。下面將逐一進行有限元分析，以確定車架強度是否滿足要求。

2.3.1 基架受力分析

設駕駛員體重為60kg，駕駛位中心與前輪軸距離為560mm，故可簡化為前輪軸分擔34.93kg，后輪軸分擔25.07kg。故靜態最大載荷為前輪軸96.48kg，后輪軸114.97kg，載荷42kg。車身總重m=235.45kg。前、后輪軸位置非?？拷?、后長橫梁，配重位置非?？拷蟛慷虣M梁處，故將載荷施加于前、后長橫梁及后部短橫梁處。

F=m*a

參考大學生方程式賽車的經驗，在賽車全力制動時，最多可產生a1=1.4g的制動減速度?？傻?，最大制動力FZ=3230.37N。且賽車全力制動時，前輪制動起絕對作用，故可將載荷至于前長橫梁的前側。

賽車在全力加速時可產生最大a2=1g的加速度?？傻?，最大加速力FJ=2307.41N。由于全地形車后輪驅動，載荷添加于后長橫梁的后表面。

賽車在極限轉向時可產生最大a3=1g的側向加速度，最大轉向力FW=2307.41N?？烧J為載荷作用于側面最長梁的外側面。

2.3.2 仿真前處理

選擇“固體力學”，在“穩態”情況進行研究。車架使用 4130合金鋼，即30CrMo，屈服強度1172MPa。車架在兩側長梁的底面位置進行固定，網格大小為 “常規”。

2.3.3 結果與分析

圖11分別為車輛靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況及轉彎工況時載荷添加情況及分析結果。

分別分析了車輛靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況及轉彎工況，其最大應力分別為197MPa、624MPa、554MPa、204MPa，取安全系數為1.5，計算最大可能應力為936MPa，小于材料屈服強度1172MPa;最大變形分別為0.1mm、0.2mm、0.18mm、0.1mm，變形程度在允許范圍內。

參考簡志雄所做的有軌卡丁車車架及懸架設計分析，其仿真最大應力值為890.6MPa;參考《大學生方程式賽車設計》一書，書中仿真各工況車架最大變形量為0.20mm-0.34mm之間。與筆者所作工作結果差異不大。

3 ?性能試驗

本實驗使用全地形卡丁車、滾珠絲桿滑臺、逆變器、伺服電機控制器、位置傳感器、角度傳感器進行。試驗場地為平坦的鋪裝路面。由駕駛員駕駛車輛，分別對比是否開啟該裝置對車輛過彎的影響，以及開啟該裝置后，車輛在不同速度下過彎的情況。

4 ?結論

本文根據現有提升車輛彎道性能的裝置，采用移動式配重的方法，并利用傳感器及控制器實現對車輛狀態的實時監控、自適應的驅動配重平衡彎道中的重量轉移。最大限度保證了車輛的過彎姿態，提高車輛過彎極限。

相比固定式配重，自適應移動配重能實現在多種彎道情況下的合理重心調整，對進一步提高過彎性能有著一定的作用。相較于增加懸架剛度、非對稱車輛調整的方法，該方案結構簡單，可適用于提高賽車、特種車輛、農用車輛等復雜路況下車輛的穩定性。

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