CN108556850A - 一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，包括：确定所述重型车辆空载时车轮垂向载荷和由状态变化造成的垂向载荷变化计算重型车辆车轮垂向载荷，计算过程如下：F_zri＝F_zroi+ΔF_zri,F_zli＝F_zloi+ΔF_zli；本发明计算出的车轮垂向载荷精度较高，计算简单，非常适用于实时的稳定性控制系统中。

Description

一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法

技术领域

本发明涉及重型车辆稳定性控制领域，具体涉及一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法。

背景技术

多轴卡车是公路运输、矿业运输的重要重型车型，目前常见的轴数有3轴，4轴与5轴，当然仍有更多轴的特殊车辆在军事运输中应用。多轴卡车多工作在大载荷下，工况恶劣，所以多轴卡车的稳定性是汽车厂商与研发机构关注的重点。目前市场化的车辆上都或多或少安装了稳定性控制系统。随着传感器在车辆上的应用越来越广泛，车辆的稳定性主动控制系统得到了一定的完善。车辆的状态，如侧向加速度，纵向加速度，横摆角速度，侧倾角，侧倾角速度等，都能够用常用传感器结合简单的计算方法准确获得。但是仍有一些在车辆稳定性控制系统中极为重要的状态，比如车轮的实时垂向载荷，不容易测得。目前精准的垂向载荷测量需要昂贵的六分力传感器。如果不使用昂贵的六分力传感，使用加速度传感器测量轴的垂向加速度，或者用位移传感器测量悬架形变这类方法来计算垂向载荷，计算结果会与实际结果偏差很大，需要大量的前期标定工作，鲁棒性欠佳。显然多轴卡车需要考虑成本，不能使用价格昂贵的传感器，由于轴数较多，工况较为复杂也不适用于使用测量悬架的方式来计算车轮垂向载荷。

同时，为了不使用昂贵的传感器，一些研究中使用四分之一车辆模型，另一些只利用侧向与纵向加速度建立简单的模型，为了更准确，还有一些研究利用侧向与纵向加速度及侧倾角，侧倾角速度来建立整车侧倾模型计算车轮的垂向载荷，但这些方法计算精度较差，且都是针对两个轴的车辆开发的，并且这三种方法都不适合使用到多轴车辆上去，目前多轴车辆多会将车辆模型简化成两轴车辆，再利用动态载荷系数分配轴荷，这样做鲁棒性差，除了车辆参数外仍需标定动态载荷系数。

发明内容

本发明设计开发了一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，本发明的发明目的是解决现有计算方式由于轴数较多工况复杂导致计算成本高，不易计算的问题。

本发明提供的技术方案为：

一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，包括：

确定所述重型车辆空载时车轮垂向载荷和由状态变化造成的垂向载荷变化计算重型车辆车轮垂向载荷，计算过程如下：

F_zri＝F_zroi+ΔF_zri,F_zli＝F_zloi+ΔF_zli；

式中，i＝1,…,n，n为轴数，F_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷，F_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷，F_zroi为第i个轴右侧车轮空载时的垂直载荷，F_zloi为第i个轴左侧车轮空载时的垂直载荷，ΔF_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化，ΔF_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化；

其中，所述第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化为

以及

所述第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化为

式中，F_zari为第i个轴右侧车轮添加的虚拟受力，F_zali为第i个轴左侧车轮添加的虚拟受力，ΔF_zmri为第i个轴右侧车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化，ΔF_zmli为第i个轴左侧车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化，K_bi为防侧倾稳定杆刚度，φ为侧倾角，H为多轴重型车辆轮距，L_ai为第i轴距第i+1轴距离，l_i为第i+1轴到第一轴的距离，l_si为重型车辆断开位置距第一轴的距离，m_i为第i个部分货物的质量，a_x为重型车辆纵向加速度，h_i为第i个轴处质心高度。

优选的是，所述第i个轴右侧车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化ΔF_zmri为

以及

所述第i个轴左车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化ΔF_zmri为

式中，m_v为空载时的簧载质量，a_y为重型车辆侧向加速度，h_i为第i个轴处质心高度，φ为侧倾角，为侧倾角速度，K_i为第i个轴的悬架刚度，h_ri为第i个轴质心到侧倾轴的距离，m_i为第i个部分货物的质量，H为多轴重型车辆轮距。

优选的是，所述第i个轴右侧车轮添加的虚拟受力F_zari为

以及

第i个轴左侧车轮添加的虚拟受力F_zali为

式中，m_v为空载时的簧载质量，a_x为重型车辆纵向加速度，a_y为重型车辆侧向加速度，m_i为第i个部分货物的质量，l_ci为第i个部分质心距第i个轴的距离。

优选的是，所述第i个部分质心距第i个轴的距离l_ci为

式中，L_c为重型车辆货物中心到第一轴的距离，L_lc为货箱长度，l_i-1为第i轴到第一轴的距离。

优选的是，所述重型车辆断开位置距第一轴的距离l_si为

优选的是，所述轴数n≥3。

优选的是，计算过程中，将所述重型车辆分成m个部分，单独计算每个部分受力，

第一部分的总质量为一个车轴和空载簧载质量；

第m部分载质量为车辆货物质量的1/(n-2)，第m部分的总质量为一个车轴和车辆货物质量的1/(n-2)；

最后部分的簧载质量为车辆货物质量的1/(n-2)，第m部分的总质量包含两个车轴和车辆货物质量的1/(n-2)；

其中，n为轴数。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明提出了一种多轴卡车车轮垂向载荷通用计算方法，适用于行驶于平坦的高速公路上的运送均质货物(砂子，碎石等)的多轴卡车上。该算法适用于空载质心位于第二轴之前、具有任何轴数的多轴卡车(轴数n≥3)；

2、本发明的方法使用目前市场中常用的加速度传感器及角速度传感器来测量需要的数据，传感器使用方法成熟，易于实现；

3、本发明的方法不涉及辨识与估计等复杂算法，计算速度更快。同时不同于一般使用悬架传数据为信号输入的计算方法，本方法使用车身数据，精度更高。相对于一般使用车身数据的算法，本算法将车辆分成若干份，有效避免动态载荷转移系数的应用。提高了系统的鲁棒性，且减少了前期的标定工作；

4、本发明的方法需要的车辆参数都能够通过某些可行的方式获得，易于应用。

附图说明

图1为四轴卡车分解图。

图2为四轴卡车第一部分简化图。

图3为四轴卡车第二部分简化图。

图4为四轴卡车第三部分简化图。

图5为三轴卡车分解图。

图6为五轴卡车分解图。

图7为四轴卡车右侧车轮垂向载荷计算结果。

图8为四轴卡车左侧车轮垂向载荷计算结果。

图9为四轴卡车右侧车轮垂向载荷计算结果。

图10为四轴卡车左侧车轮垂向载荷计算结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

车轮的垂向载荷是车辆稳定性控制，车辆参数与状态辨识的重要数据。但是目前除了使用昂贵的传感器，现有的方法需要大量实验验证标定，且计算结果并不精确。对两轴车辆而言，现有的方法可以满足要求，但是对于多轴卡车，更多的车轴使得整个系统都变得更加复杂，现有的方法难以满足要求且需要更多的实验标定。为了能够为多轴卡车提供一种方便快捷，能够满足实时性和精度要求的各车轮垂向载荷。对于卡车而言，发动机前置，空载时质心位置常在第二轴之前，因此本发明的计算方法针对此类多轴卡车设计。本发明提出的方法不包含估计和辨识算法，计算速度快，能满足控制系统的实时性要求。本发明使用目前常用的传感器来获取数据，因此成本低。另外，本发明使用车辆的加速度，侧倾角，侧倾角速度数据来计算车辆的垂向载荷，此类数据较悬架数据来讲测量更加方便，且精度容易得到保证。

本发明提供的一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，本发明涉及的计算方法将一辆具有n个轴的车辆分解成n-1块，并经过统一的计算模式及常用的安置于车身的传感器计算出任意多轴(轴数n≥3)卡车的车轮垂向载荷，具体包括：

卡车在空载时的各轮垂向载荷需要提前获得。空载时的各轮载荷可以在出厂时就测得，测量方便，本专利提出的通用计算方法中，垂向载荷由空载垂向载荷和由状态变化造成的垂向载荷变化相加构成，如下式所示，

F_zri＝F_zroi+ΔF_zri,F_zli＝F_zloi+ΔF_zli i＝1,…,n；

其中，n为轴数，F_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷，F_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷，F_zroi为第i个轴右侧车轮空载时的垂直载荷，F_zloi为第i个轴左侧车轮空载时的垂直载荷，ΔF_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化，ΔF_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化；

在本发明提出的计算方法开始运算前，需要在装载货物前获得多轴卡车的相关参数即车辆的固有参数；根据本文提出的分段方法，各段分开位置用统一的方式设置，车辆断开位置距第一轴的距离为l_si所示，式中，l_ci为第i部分质心距第i轴的距离，

本计算方法对多轴车辆的具体分段方式如图1，图5，图6所示；第一部分的质心为空载时车辆的质心，其他部分质心位置为货物分段后的中心位置；此外，在出厂时就可以测得的车辆参数以及根据这些参数可以计算得到的参数有：非簧载质量m_ai，空载时的簧载质量m_v，防侧倾稳定杆刚度K_bi，第i部分的悬架刚度K_i，第i部分悬架的阻尼大小C_i，多轴卡车轮距H，各部分质心c.g₁到前轴距离l_v1，第i+1轴到第一轴的距离l_i，各部分质心c.g₁距第i-1轴的距离l_r1i(l_r1i＝l_i-l_v1)，货箱长度L_lc，货箱中心到第一轴的距离L_c，车辆断开位置距第一轴的距离l_si，第i部分质心距第i轴的距离l_ci，为第i轴距第i+1轴距离L_ai；根据货物的重量及高度，获得以下参数：车辆的全部质量m车辆簧载质量m_s(m_s＝m_v+m_c)，货物质量m_c，各部分货物质量m_i，各部分质心c.g_i到侧倾轴的距离h_ri，各部分质心c.g_i的高度h_i；本发明计算所需要的输入信号为：侧倾角φ，侧倾角速度侧向加速度a_y，与纵向加速度a_x；

根据以上参数及信号数据输入下列公式计算车辆的各车轮垂向载荷；其中，F_zari和F_zali为各部分添加的虚拟受力，ΔF_zmri和ΔF_zmli为各部分由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化，该公式能够适用于空载质心位于第二轴之前的具有任意轴数(n≥3)的多轴卡车垂向载荷计算；

结合上述公式，所述第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化为

以及

所述第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化为

在实施例中，本计算方法将车辆分成数个部分，单独计算每个部分的受力，主要用于计算高速公路路面上行驶的多轴卡车的车轮垂向载荷，本计算方法以侧向加速度，纵向加速度，侧倾角，侧倾角速度为计算系统的输入，这四个数据由角速度传感器和加速度传感器获得，同时，本计算方法是一种可以通用与任何具有3轴以上车轴的卡车的车轮垂向载荷计算方法，具有很强的通用性，需要提前的数据都可以提前测量，且不需要大量的标定。

实施例1

如图1所示，以一个具有四轴卡车而言，可知其各轮垂向载荷如下列公式所示：

如图2所示，第一部分计算过程如下：

如图3所示，第二部分计算过程如下：

如图4所示，第三部分计算过程如下：

上式中，

n为轴数n＝4，F_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷，F_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷，F_zroi为第i个轴右侧车轮空载时的垂直载荷，F_zloi为第i个轴左侧车轮空载时的垂直载荷，ΔF_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化，ΔF_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化，F_zari和F_zali为各部分添加的虚拟受力，ΔF_zmri和ΔF_zmli为各部分由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化，式中i＝1,2,3,4。其余公式中的长度符号具体如图1所示。

其计算结果如图7～图10所示，图7、图8为车速60km/h下，方向盘阶跃输入180°，卡车载荷为5000kg时的左右车轮垂向载荷；图9、图10为65km/h下，双移线工况，卡车载荷为5000kg时的左右车轮垂向载荷；从图7～10中可见，本发明所提出的计算方法，能够准确计算出多轴卡车的垂向载荷。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，包括：

确定所述重型车辆空载时车轮垂向载荷和由状态变化造成的垂向载荷变化计算重型车辆车轮垂向载荷，计算过程如下：

F_zri＝F_zroi+ΔF_zri,F_zli＝F_zloi+ΔF_zli；

式中，i＝1,…,n，n为轴数，F_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷，F_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷，F_zroi为第i个轴右侧车轮空载时的垂直载荷，F_zloi为第i个轴左侧车轮空载时的垂直载荷，ΔF_zri为第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化，ΔF_zli为第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化；

其中，所述第i个轴右侧车轮的垂直载荷变化为

以及

所述第i个轴左侧车轮的垂直载荷变化为

式中，F_zari为第i个轴右侧车轮添加的虚拟受力，F_zali为第i个轴左侧车轮添加的虚拟受力，ΔF_zmri为第i个轴右侧车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化，ΔF_zmli为第i个轴左侧车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化，K_bi为防侧倾稳定杆刚度，φ为侧倾角，H为多轴重型车辆轮距，L_ai为第i轴距第i+1轴距离，l_i为第i+1轴到第一轴的距离，l_si为重型车辆断开位置距第一轴的距离，m_i为第i个部分货物的质量，a_x为重型车辆纵向加速度，h_i为第i个轴处质心高度。

2.如权利要求1所述的多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，所述第i个轴右侧车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化ΔF_zmri为

以及

所述第i个轴左车轮由侧倾角速度，侧倾角及两个加速度引起的力的变化ΔF_zmri为

式中，m_v为空载时的簧载质量，a_y为重型车辆侧向加速度，h_i为第i个轴处质心高度，φ为侧倾角，为侧倾角速度，K_i为第i个轴的悬架刚度，h_ri为第i个轴质心到侧倾轴的距离，m_i为第i个部分货物的质量，H为多轴重型车辆轮距。

3.如权利要求2所述的多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，所述第i个轴右侧车轮添加的虚拟受力F_zari为

以及

第i个轴左侧车轮添加的虚拟受力F_zali为

式中，m_v为空载时的簧载质量，a_x为重型车辆纵向加速度，a_y为重型车辆侧向加速度，m_i为第i个部分货物的质量，l_ci为第i个部分质心距第i个轴的距离。

4.如权利要求3所述的多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，所述第i个部分质心距第i个轴的距离l_ci为

式中，L_c为重型车辆货物中心到第一轴的距离，L_lc为货箱长度，l_i-1为第i轴到第一轴的距离。

5.如权利要求4所述的多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，所述重型车辆断开位置距第一轴的距离l_si为

6.如权利要求1、2或5所述的多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，所述轴数n≥3。

7.如权利要求6所述的多轴重型车辆车轮垂向载荷通用计算方法，其特征在于，计算过程中，将所述重型车辆分成m个部分，单独计算每个部分受力，

第一部分的总质量为一个车轴和空载簧载质量；

第m部分载质量为车辆货物质量的1/(n-2)，第m部分的总质量为一个车轴和车辆货物质量的1/(n-2)；

最后部分的簧载质量为车辆货物质量的1/(n-2)，第m部分的总质量包含两个车轴和车辆货物质量的1/(n-2)；

其中，n为轴数。