一种测试履带车辆转向性能的方法
【专利摘要】本发明涉及一种测试履带车辆转向性能的方法，所述方法通过测试系统测试实际转向试验中有关车辆性能的参数，获取履带车辆转向过程的运动学和动力学参数的变化，验证所建立的履带车辆转向运动学和动力学模型的合理性和准确性、转向半径修正系数公式和转向角速度修正系数公式的合理性，核对一般性地面条件下转向半径修正系数和转向角速度修正系数的变化范围，分析验证各种因素对履带车辆两侧履带的牵引力和制动力变化的影响，考核运动学参数和动力学参数的变化趋势。本发明同时获取转向时的各种转向参数，准确反映车辆系统动力学与结构动力学之间的耦合特性，为履带车辆系统结构设计、论证与改进提供了有效手段。
【专利说明】一种测试履带车辆转向性能的方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种履带车辆性能测试方法，更具体涉及一种测试履带车辆转向性能的方法。
【背景技术】
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[0002]近来，履带车辆在军事领域中发挥重要作用。经对现有技术文献检索发现，韩宝坤，李晓雷，孙逢春等人在《兵工学报》2003年5月第24卷第2期上发表《履带车辆动力学仿真技术的发展与展望》中指出，履带车辆动力学建模与仿真的目的可分为:转向性分析、平稳性分析、地面压力分布和牵引特性的预估。针对不同的履带车辆的不同动力学特性，人们建立了不同的履带车辆模型，比如以NRMM为代表的平稳性模型，以RTVPM、NTVPM为代表的地面压力分布及通过性模型以及以Hock模型、IABG模型和Kitano模型为代表的转向性模型等。但关于履带车辆转向过程中的研究，尤其是实车试验的验证研究则相对较少。
[0003]田洪杰在《履带式车辆转向分析与研究》中较为详细地总结了转向理论的研究现状。目前国内学术界关于履带式车辆转向的研究，大多数是在履带一地面附着力矩理论基础上的延伸，例如宋海军等在《履带车辆转向过程仿真与试验研究》中通过对坚实地面上履带式车辆转向过程的研究，给出了一种相对简单的履带滑移条件下的计算公式，但是文章没有考虑到横纵向上的打滑速度，因此结论还有待进一步研究。程军伟等在《履带车辆转向分析》中通过对打滑条件下的履带车辆转向分析，导出了履带牵引力、转向阻力矩、转向半径等的表达式，但是对于履带式车辆在转向时如何将实际速度与力建立关联还有待深入研究。
[0004]国外 J Y Wong在《A general theory for skid steering of tracked vehicleson firm ground》中对履带式车辆的转向原理做了比较深入的分析,但是文章没有考虑到履带在横向的打滑速度。Tran Dang Thai 在《Numerical analysis to predict turningcharacteristics of suspens1n tracked vehicle》对刚性悬挂的履带式车辆在软地面上的转弯问题进行了数值分析，计算出此情况下履带的下沉量、滑转率以及转弯半径，有较高的可信度° Paul Ayers 在〈〈Modeling of terrain impact caused by tracked vehicles))中分析了不同军用车辆在不同转弯半径下车辙的分布情况。
[0005]转向时履带车辆的性能表现同直线行驶时相比，有共性也有差异，需要深入分析。以履带车辆转向性能为研究对象，提出一种测试履带车辆转向过程中综合性能特征的测试方法，应用到实际试验中，对于测试履带车辆转向性能以及实际与理论的对比研究具有重要意义。
【发明内容】
:
[0006]本发明的目的是提供一种测试履带车辆转向性能的方法，该方法为履带车辆系统结构设计、论证与改进提供了有效手段。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种测试履带车辆转向性能的方法，所述方法通过测试系统实现；所述方法包括以下步骤:
[0008](I)输入车辆操作信号；
[0009](2)通过所述测试系统采集信号；
[0010](3)获取转向性能参数。
[0011]本发明提供的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述步骤(I)中的车辆操作信号为驾驶员的操作状态，包括操纵方向盘转角和油门踏板开度。
[0012]本发明提供的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述方向盘转角采用拉线式位移传感器测量；所述传感器的拉绳一端通过转盘固定安装在方向盘上，传感器及支架固定在仪表板支架上。
[0013]本发明提供的另一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述油门踏板开度可采用拉线式位移传感器测量；所述传感器的拉绳一端连接在油门踏板上，传感器及支架通过磁铁吸附在车体内首下甲板上。
[0014]本发明提供的再一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述步骤(2)中测试系统包括数据采集系统和为所述测试系统提供电源的供电系统；所述数据采集系统通过数据采集卡的通道分别与卫星定位系统、主动轮轴转速与转矩测试系统、操纵测量装置、转速测量传感器和姿态测量装置连接从而获取信号。
[0015]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述卫星定位系统实时测得履带车辆转向时的运动状态，包括车体的航向角、运动速度和运动轨迹；
[0016]所述主动轮轴转速与转矩测试系统安装在车体内获取主动轮轴的转速和转矩；所述转速通过在两侧传动装置输出轴或分动箱驱动法兰盘处设置光电式转速传感器测得；所述转矩通过设置在两侧传动装置输出轴或主动轮轴的应变式转矩传感器测得；
[0017]所述操纵测量装置通过拉线式位移传感器测量操纵装置的输入信号，所述装置包括油门踏板、方向盘或操纵杆、制动踏板和档位；
[0018]所述转速测量传感器测量车辆的发动机转速和变速箱输入轴的转速；
[0019]所述姿态测量装置通过陀螺仪或者数字罗盘经采集车辆运动时的姿态，包括俯仰角度、横摆角度、侧倾角度参数。
[0020]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述步骤(3)转向性能参数包括转向半径、转向角速度、转向极偏移量、牵引力、制动力、滑移率和滑转率参数。
[0021]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述转向半径包括实际转向半径、理论转向半径、实际相对转向半径、理论相对转向半径和转向半径修正系数；设测得的高速侧主动轮转速和低速侧主动轮转速分别为Ω-和，则理论转向半径&通过下式(I)确定:
η B Ω.+Ω,
[0022]rl= —.η η~(I)
[0023]理论相对转向半径P L通过下式⑵确定:
R1 I Ω.jT Ω ^
_4]=C2)
[0025]根据卫星定位系统记录下的车辆行驶轨迹，通过最小二乘拟合算法，拟合出车辆的实际转向半径Rs;实际相对转向半径P s = Rs/B ；
[0026]转向半径修正系数Kk表示实际转向半径与理论转向半径的比值，此时转向半径修正系数通过下式(3)确定:
? /?,.Po
[0027]人/'>=T = —C3)
rL Pl
[0028]其中，B为两侧履带中心距。
[0029]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述转向角速度包括理论转向角速度ω P实际转向角速度GJs和转向角速度修正系数1(? ；
[0030]所述理论转向角速度通过下式⑷确定:
[0031]ο, = Ω,2~Ω'(4)
[0032]所述实际转向角速度Os通过对稳态转向时的航向角的求导确定；
[0033]所述转向角速度修正系数Κω表示实际转向角速度与理论转向角速度的比值，并通过下式(5)确定:
[0034]=--(5)。
ωι
[0035]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述转向极偏移量参数包括转向极纵向偏移量D、低速侧履带转向极的横向偏移量A1、高速侧履带转向极的横向偏移量A2、低速侧履带相对转向极横向偏移量B1和高速侧履带相对转向极横向偏移量
a2 ;
[0036]对于水平地面上车辆低速稳定转向时履带接地段转向极纵向偏移量D忽略不计；低速侧履带转向极的横向偏移量A1和高速侧履带转向极的横向偏移量A2通过下式(6)确定:
Al^Rs
[0037]\2 (°s(6)
A 鼻-Rs-$
、(Os2
[0038]其中，rz为主动轮半径；所述低速侧履带相对转向极横向偏移量S1和高速侧履带相对转向极横向偏移量a2分别为低速侧履带转向极的横向偏移量A1和高速侧履带转向极的横向偏移量A2与履带接地长之半L/2的比值。
[0039]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述牵引力F2和制动力F1通过下式(7)确定:./.η.η
F1= - ^ 丨‘
[0040]? Γζ(7)
F1= Μ、.丨
、 V" ■>]
[0041]设MyM1分别为高速侧和低速侧传动装置输出轴的扭矩，单位为牛顿.米，ic为传动装置输出轴到主动轮的传动比，n。、nx分别为侧传动和履带的效率:
[0042]通过所述牵引力和制动力求得牵引力矩和制动力矩。
[0043]本发明提供的又一优选的一种测试履带车辆转向性能的方法，所述滑转率δ 2通过下式⑶确定:
e Ω — V1 V1
[0044]S2 =—-T—^^ =(8)
i2rlrzUr^rz
[0045]其中，Vs2为通过卫星定位系统换算出的高速履带着地区段纵向几何中心牵连运动速度；
[0046]所述滑移率δ i通过下式(9)确定:
[0047]O1 -----1—-? 9)
匕I匕I
[0048]其中，Vsl为通过所述卫星定位系统换算出的低速履带着地区段纵向几何中心牵连运动速度。
[0049]和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
[0050]1、本发明克服了以往履带车辆转向试验获取参数比较单一，或者对某些参数有一定的针对性；
[0051]2、本发明履带车辆转向性能测试方法和系统构建了履带车辆转向时状态参量集的获取平台，能全面较好地获取车辆转向时的速度、转矩、角速度等直接参数，也可通过后期计算获得转向极偏移量、转向半径等相关间接参数，使得履带车辆的运动学参数和动力学参数在该系统内有机统一，为下一步研究打下良好基础；
[0052]3、本发明经验证可行有效，并能通过不同的方式获取转向特征参数、车况参数等参量;
[0053]4、本发明通过计算，对比实验结果和理论分析结果，验证和转向模型的吻合度；
[0054]5、本发明的参数获取为以后履带车辆系统结构设计、论证与改进提供了有效手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]图1为本发明测试系统结构示意图；
[0056]图2为本发明的测试系统参数求解流程图。
【具体实施方式】
[0057]下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0058]实施例1:
[0059]如图1-2所示，本例发明一种测试履带车辆转向性能的方法，所述方法通过测试系统实现；所述方法包括以下步骤:
[0060](I)输入车辆操作信号；
[0061](2)通过所述测试系统采集信号；
[0062](3)获取转向性能参数。
[0063]所述步骤(I)中的车辆操作信号为驾驶员的操作状态，包括方向盘转角和油门踏板开度。
[0064]所述方向盘转角采用拉线式位移传感器测量；所述传感器的拉绳一端通过转盘固定安装在方向盘上，传感器及支架固定在仪表板支架上。由于测量结果是标量，需要在转向时记录下转向状态，即左转向或者右转向。
[0065]所述油门踏板开度可采用拉线式位移传感器测量；所述传感器的拉绳一端连接在油门踏板上，传感器及支架通过磁铁吸附在车体内首下甲板上。
[0066]所述步骤(2)中测试系统包括数据采集系统和为所述测试系统提供电源的供电系统；所述数据采集系统通过数据采集卡的通道分别与卫星定位系统、主动轮轴转速与转矩测试系统、操纵测量装置、转速测量传感器和姿态测量装置连接从而可直接采集到车体运动时的车速、位移、发动机转速、主动轮轴转矩等参量。
[0067]所述卫星定位系统实时测得履带车辆转向时的运动状态，包括车体的航向角、运动速度和运动轨迹；车辆的速度和位移可由卫星定位系统测得，比如使用较为精准的GPS+基站系统。数据采集系统所采集的是车体的航向角、运动速度和运动轨迹。
[0068]所述主动轮轴转速与转矩测试系统安装在车体内获取车辆主动轮轴的转速和转矩；所述转速通过在两侧传动装置输出轴或分动箱驱动法兰盘处设置光电式转速传感器测得；所述转矩通过设置在两侧传动装置输出轴或主动轮轴的应变式转矩传感器测得；
[0069]测量转矩时在两侧传动装置输出轴或主动轮轴上贴上应变片，利用导体电阻的变化来测量应变，依据应变效应来测量转矩的大小，得到主动轮轴转矩。发动机转速的测量主要是在分动箱驱动法兰盘处安装光电式转速传感器，通过测量分动箱驱动法兰盘的转速来测定发动机转速。
[0070]主动轮转速可以通过在两侧主动轮外侧安装光电式转速传感器，并在主动轮上粘贴一定数量的反光片的方法进行测试。
[0071]所述操纵测量装置通过拉线式位移传感器测量操纵装置的输入信号，所述装置包括油门踏板、方向盘或操纵杆、制动踏板和档位；
[0072]所述转速测量传感器测量车辆的发动机转速；
[0073]所述姿态测量装置通过陀螺仪采集车辆运动时的姿态，包括俯仰角度、横摆角度、侧倾角度。使用陀螺仪时可以采集车体在空间的运动状态，包括俯仰角、横摆角、侧倾角等。
[0074]驾驶员给车辆操作信号输入后，车辆开始运动，由数据采集系统记录下可直接获取的上述参数信号。
[0075]所述步骤(3)转向性能参数通过实际直接测得的参量得到，包括转向半径、转向角速度、转向极偏移量、牵引力、制动力、滑移率和滑转率参数等。
[0076]所述转向半径包括实际转向半径、理论转向半径、实际相对转向半径、理论相对转向半径和转向半径修正系数；设测得的高速侧主动轮转速和低速侧主动轮转速分别为和，则理论转向半径Rlj通过下式确定:
? B /2, +/2.,x、
[0077]Rl =γ ω —ω(I)
r2rl
[0078]理论相对转向半径p L通过下式确定:
R, I Ω.+Ω ^
[_] A (2)
[0080]根据卫星定位系统记录下的车辆行驶轨迹，通过最小二乘拟合算法，拟合出车辆的实际转向半径Rs;实际相对转向半径P s = Rs/B ；
[0081 ] 转向半径修正系数Kk表示实际转向半径与理论转向半径的比值，此时转向半径修正系数为:
[0082]Kr =^ = —(3)
Rl Pl
[0083]其中，B为两侧履带中心距。
[0084]所述转向角速度包括理论转向角速度ω。实际转向角速度(Os和转向角速度修正系数Κω ；
[0085]所述理论转向角速度通过下式确定:
[0086]ωι=^~—(4)
B
[0087]所述实际转向角速度Os通过对稳态转向时的航向角的求导确定；
[0088]所述转向角速度修正系数Κω表示实际转向角速度与理论转向角速度的比值，并通过下式确定:
[0089]= ~(5)ο
?I
[0090]所述转向极偏移量参数包括转向极纵向偏移量D、低速侧履带转向极的横向偏移量A1、高速侧履带转向极的横向偏移量A2、低速侧履带相对转向极横向偏移量B1和高速侧履带相对转向极横向偏移量a2 ；
[0091]对于水平地面上车辆低速稳定转向时履带接地段转向极纵向偏移量D忽略不计；履带车辆转向过程高速侧和低速侧履带转向极处的牵连运动速度分别等于高速侧和低速侧履带的卷绕速度。则低速侧履带转向极的横向偏移量A1和高速侧履带转向极的横向偏移量A2通过下式确定:
f 寻
_2] ] β % (6)
Α? = ' 一 -Rs 一一
、_ ' 2
[0093]其中，rz为主动轮半径；所述低速侧履带相对转向极横向偏移量S1和高速侧履带相对转向极横向偏移量a2分别为低速侧履带转向极的横向偏移量A1和高速侧履带转向极的横向偏移量A2与履带接地长之半L/2的比值。
[0094]所述牵弓I力F2和制动力F1通过下式确定:
r — M2./,./；,
2 一 J
[0095]J[-(7)
M1 -1
F1=~l^-
[0096]设MyM1分别为高速侧和低速侧传动装置输出轴的扭矩，单位为牛顿.米，ic为传动装置输出轴到主动轮的传动比，n。、nx分别为侧传动和履带的效率:
[0097]通过所述牵引力和制动力求得牵引力矩和制动力矩。
[0098]一般定义高速侧履带产生滑转，则所述滑转率δ 2通过下式确定:
e Ω?ν -V, , V,
[0099]~-f--1--^- (8)
sJr2ri2r2rz
[0100]其中，Vs2为通过卫星定位系统换算出的高速履带着地区段纵向几何中心牵连运动速度；
[0101]低速侧履带产生滑移，所述滑移率δ i通过下式确定:
「 η V _d,z _1 Ωλτ-.
[0102]----1ζ—(9)
匕I匕I
[0103]其中，Vsl为通过所述卫星定位系统换算出的低速履带着地区段纵向几何中心牵连运动速度。
[0104]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述方法通过测试系统实现；所述方法包括以下步骤: (1)输入车辆操作信号； (2)通过所述测试系统采集信号； (3)获取转向性能参数。
2.如权利要求1所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述步骤(I)中的车辆操作信号为驾驶员的操作状态，包括方向盘转角和油门踏板开度。
3.如权利要求2所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述方向盘转角采用拉线式位移传感器测量；所述传感器的拉绳一端通过转盘固定安装在方向盘上，传感器及支架固定在仪表板支架上。
4.如权利要求3所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述油门踏板开度可采用拉线式位移传感器测量；所述传感器的拉绳一端连接在油门踏板上，传感器及支架通过磁铁吸附在车体内首下甲板上。
5.如权利要求1所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述步骤(2)中测试系统包括数据采集系统和为所述测试系统提供电源的供电系统；所述数据采集系统通过数据通道分别与卫星定位系统、主动轮轴转速与转矩测试系统、操纵测量装置、转速测量传感器和姿态测量装置连接从而获取信号。
6.如权利要求5所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述卫星定位系统实时测得履带车辆转向时的运动状态，包括车辆的航向角、运动速度和运动轨迹； 所述主动轮轴转速与转矩测试系统安装在车体内获取车辆主动轮轴的转速和转矩；所述转速通过在两侧传动装置输出轴或分动箱驱动法兰盘处设置光电式转速传感器测得；所述转矩通过设置在两侧传动装置输出轴或主动轮轴的应变式转矩传感器测得； 所述操纵测量装置通过拉线式位移传感器测量操纵装置的输入量，所述装置包括油门踏板、方向盘或操纵杆、制动踏板和档位； 所述转速测量传感器测量车辆的发动机转速； 所述姿态测量装置通过陀螺仪采集车辆运动时的姿态参数，包括俯仰角度、横摆角度、侧倾角度。
7.如权利要求5所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述步骤(3)转向性能参数包括转向半径、转向角速度、转向极偏移量、牵引力、制动力、滑移率和滑转率参数。
8.如权利要求7所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述转向半径包括实际转向半径、理论转向半径、实际相对转向半径、理论相对转向半径和转向半径修正系数；设测得的高速侧主动轮转速和低速侧主动轮转速分别为Ω-和，则理论转向半径Rl通过下式(I)确定: R1 =Λ.Ω'.'+Ω^-(I)
2 Ω,.2-Ω,' 理论相对转向半径P L通过下式(2)确定:
R, I i?丨+仏 pL =—=——^——- (2)
B 2 Ωγ2-Ωλ 根据卫星定位系统记录下的车辆行驶轨迹，通过最小二乘拟合算法，拟合出车辆的实际转向半径Rs ;计算实际相对转向半径P s = Rs/B ； 转向半径修正系数Kk表示实际转向半径与理论转向半径的比值，此时转向半径修正系数通过下式(3)确定:K,今上(3)
Rl Pl 其中，B为两侧履带中心距。
9.如权利要求8所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述转向角速度包括理论转向角速度ω P实际转向角速度GJs和转向角速度修正系数1(? ； 所述理论转向角速度通过下式(4)确定:
/3, -1 — Ω !Zr λ \ u =^1-rJ-(4)
B 所述实际转向角速度通过对稳态转向时的航向角的求导确定； 所述转向角速度修正系数Κω表示实际转向角速度与理论转向角速度的比值，并通过下式(5)确定: K01 = f^(5)
⑴丨.
10.如权利要求9所述的一种测试履带车辆转向性能的方法,其特征在于:所述转向极偏移量包括转向极纵向偏移量D、低速侧履带转向极的横向偏移量A1、高速侧履带转向极的横向偏移量A2、低速侧履带相对转向极横向偏移量和高速侧履带相对转向极横向偏移量a2 ; 对于水平地面上车辆低速稳定转向时履带接地段转向极纵向偏移量D忽略不计；低速侧履带转向极的横向偏移量A1和高速侧履带转向极的横向偏移量A2通过下式(6)确定:
-R B Ωγ[ι?
?\ ~ns ΛJ 2 %⑷
A1- 1 - - -Rs ——
一 COv‘ 2 V° 其中，rz为主动轮半径；所述低速侧履带相对转向极横向偏移量B1和高速侧履带相对转向极横向偏移量a2分别为低速侧履带转向极的横向偏移量A1和高速侧履带转向极的横向偏移量A2与履带接地长之半L/2的比值。
11.如权利要求10所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述牵引力F2和制动力F1通过下式(7)确定:
P _ Μ2.?,.>1."'<Γζ(7) SMyM1分别为高速侧和低速侧传动装置输出轴的扭矩，单位为牛顿.米，ic为传动装置输出轴到主动轮的传动比，Π。、Πχ分别为侧传动和履带的效率: 通过所述牵引力和制动力求得牵引力矩和制动力矩。
12.如权利要求11所述的一种测试履带车辆转向性能的方法，其特征在于:所述滑转率32通过下式⑶确定: r nrlr-Vsl t Vsl、士__(8)
ΩΓ?/ζi2r27； 其中，Vs2为通过卫星定位系统换算出的高速履带着地区段纵向几何中心牵连运动速度； 所述滑移率S !通过下式(9)确定: P Vsl-1JrlK.Ω xr_ δ, = —-— = I ——(ο )1VV'J ’
V si 其中，vsl为通过所述卫星定位系统换算出的低速履带着地区段纵向几何中心牵连运动速度。
【文档编号】G01M17/06GK104236932SQ201410486851
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】盖江涛, 李同飞, 王红岩, 陈泳丹, 芮强, 刘翼, 马长军, 韩正达 申请人:中国北方车辆研究所