电动叉车线控转向系统的设计

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2015 NO.29
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叉车是最为常见专用车辆,其工作场所、运输对象等因素决定了其要有较高的转向特性。

线控转向系统经过几代转向系统的改善与发展,省去了转向盘与转向执行机构之间的机械连接机构,由电机提供转向力矩和路感信息,实现了对车辆转向系统的主动控制,提高了车辆的操纵稳定性,使用于叉车转向系统。

该文以TE30型电动叉车为研究对象,阐述线控转向系统的原理,介绍其组成部件,分析其数学模型。

传动比可根据驾驶员驾驶的舒适度进行自由设计是线控转向系统最大的特点,因此设计线
控转向系统重点在于设计传动比函数。

横摆角速度增益是车辆操作稳定性的指标之一,该文用其衡量传动比函数设计的合理性。

1 线控转向系统工作原理与模型
线控转向系统由5个部分组成,分别为:转向盘总成、转向执行总成、控制器(ECU)、自动防故障系统和电源。

1.1 线控转向系统工作原理
线控转向系统的工作原理:当驾驶员转动把手(即方向盘)时,传感器将转矩信号、转角信号及车速信号等转换为电信号并传递给主控制器ECU,ECU对这些传感器传来的信号进行分析与计算并发出控制转向电机的指令,最终实现车轮的转向[1]。

没有了转向盘与把手之间的机械连接,传动比也不再是固定值。

1.2 线控转向系统模型
TE30型电动叉车相对于其他叉车结构较为简单,建模时可忽略非线性部分进行合理简化,简化为只包含把手、转向轴、转向电机、齿轮和转向轮等几个重要动力学元件的物理模型[4]。

转向手把模块数学模型:
212sw sw
sw sw sw
d d d T J B T dt dt
θθ--= (1)
(1)路感电机模型。

211111
12m m d m m m d d T
T J B dt dt G
θθ--= (2)
路感电机电枢回路的方程为:
11111
11a m a e a di d R i L k U dt dt
θ
++= (3)111m t a T k i =
(4)
由电机机械特性有:
22222
2
21
m m a
m m m d d T T J B dt dt G θθ--= (5)
①基金项目:中山市科技计划项目(No.2013A3FC0271)。

作者简介:吴佳楠(1987,7—),女,蒙古族,内蒙古赤峰人，硕士研究生，研究方向:运动控制系统。

DOI:10.16661/ki.1672-3791.2015.29.057
电动叉车线控转向系统的设计①
吴佳楠
(电子科技大学中山学院机电工程学院 广东中山 528400)
摘 要:叉车多用于拥挤的厂房、码头等地,货物沉重,因此需具备良好的转向特性。

线控转向系统对以往的转向系统进行了改善,能够达到叉车的灵活性与稳定性的要求。

根据理想传动比的概念,以叉车线控转向系统为研究对象,结合叉车自身特点与对转向特性的要求,设计以车速、方向盘转角为变量的变传动比函数,运用模糊控制策略建立传动比函数。

此设计进一步改善了叉车转向系统的转向性能,提高了保证系数。

根据TE30型托盘搬运叉车的数据进行实际计算和分析,利用模糊控制的方法设计的传动比函数能够根据车速与方向盘转角精确地计算出相应的传动比,使转向轮获得相应的转角,满足叉车对转向特性的要求。

关键词:叉车 线控转向系统 灵敏度 传动比中图分类号:U46
文献标识码:A
文章编号:1672-3791(2015)10(b)-0057-03
v
SW δ
NB NM NS Z PS PM PB NB
NB NB NM NS Z PS PM NM NM NM NS Z PS PM PB NS NS NS Z PS PS PM PB Z Z Z PS PS PM PB PB PS NS NS Z PS PM PM PB PM NM NM NS Z PM PM PB PB
NB
NB
NM
NS
PS
PS
PM
表1 车速、方向盘转角两输入变传动比模糊控制规则表
. All Rights Reserved.
由克希霍夫定律有:
2222222a m a e a di d R i L k u dt dt
θ
⋅++=
(6)
电磁转矩方程为:
22t a m k i T ⋅=
(7)
(2)转向轮及转向机构。

22
wh wh a wh
wh r d d T J B T dt dt
θθ
--= (8)
2 变传动比函数的设计
2.1 传动比的概念
传动比定义为转向把手转角sw δ与转向轮转角wh δ的比[2]
,用
i 表示,表达式如下:
wh
sw i δδ
=
(9)
转向增益是转向系统的重要参数,其有两种表述,一种是横摆
角速度γω与转向手把转向角sw δ的比,用γ
ω
δsw G 表示;另一个是横
摆角速度γω与前轮转角wh δ比,用γ
ω
δwh
G 表示。

稳态条件下,根据二自由度整车模型,可得:
()()
()122
2
1212wh
u a b k k a b k k ak bk mu γδω+=
++- (10)
()()
(
)
12
2
2
12
1
2wh
u a b k k G a b k k ak bk mu
γ
ωδ+=++- (11)
()()()12
2
212121
sw u a b k k G i a b k k ak bk mu γ
ω
δ+=
++- (12)
将式(12)变形得到:
22211sw
u L
i m a b G v L k k γω
δ=
⎡⎤⎛⎫+-⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦
(13)
其中,L a b
=+由上式可知,传动比与车辆参数、车速、转向角和横摆角速度有关。

2.2 分析影响传动比的因素
当车轮转一个很小的角度时,为提高转向系统的精确性,此时把手的转角应增大,即传动比的值较大使系统响应“迟钝”;当车轮转一个较大的角度时,为保证系统响应速度,此时把手的转角应较小,即传动比的值较小使系统“灵活”。

这样就解决了系统反应精度与速度之间的矛盾,降低驾驶员负担。

由此可知,传动比与转向角有关,根据以上分析将传动比设计为与转向角成倒U形的函数[3]。

当电动叉车行驶速度较低或是静止转向时,静摩擦力使得转向阻力矩较大,此时驾驶员体力消耗较大,为使转向“轻便”减小驾驶员的体力消耗传动比的值应小些;当电动叉车高速行驶转向时,由于动摩擦力较小,相应的转向阻力矩也很小,为防止电动叉
车“发飘”传动比的值应大些,使横摆角速度增益减小,提高叉车的操纵稳定性[3]。

2.3 传动比的确定
电动叉车的行驶速度一般限制在15km/h以内,与其他车辆
相比车速较慢,可将传动比划分为3个等级,如式(14)所示。

()()()min 1121222
1212
max 2,
0,,
sw i u u u a b k k i u u u a b k k ak bk mu i u u γδω⎧≤≤⎪⎪⎪+⎪=≤≤⎨+--⎪⎪⎪⎪≥⎩当时
当时
当时
(14)
当车速小于1u 时,传动比设为定值min i 。

由于方向盘转到最大角度max sw δ时,叉车的前轮转角极限值为max wh δ此时转向系统的传动比为
max max
min wh sw i δδ=
(15)
当车速大于2u 时,轮胎能够提供的侧向力达到了极限值,因此,转向系统的传动比不能再增大,此时为最大值max i 。

根据转向系统理想传动比公式确定 =min i 1。

结合叉车的特殊性和吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室得出结论可知,横
摆角速度增益=γ
ω
δsw
G 0.4时驾驶员的主观评价和感觉最好[6],从而确定=max i 13.66,取整数13。

以上分析与计算都是静态下得到的结果,但叉车实际行驶中经常处于动态过程。

因此提出变传动比模糊控制。

上述分析与计算是在静态特性下得出的结果,但实际上叉车行驶是处在动态过程,所以提出变传动比模糊控制。

3 模糊变传动比控制器设计
传动比与车速和方向盘转角有关,因此车速v 和转向盘转角
sw δ作为该控制器的输入,传动比i 为输出[7]。

1K 和2K 为输入量化因子,3K 为输出比例因子。

车速v 和转向盘转角sw δ的精确量
经量化后,实现由精确量向模糊量的转化,再经过模糊控制决策和推理后送到解模糊化部分,实现模糊亮相精确量的转化,输出量经比例因子后得到精确量传动比i 的输出[8-9]。

TE30型电动叉车车速在[0,15]km/h,方向盘转角范围为[-90,90]°,输出传动比范围在[1,13]。

比例因子=1K 2,=2K 1,=3K 1。

变量v 、sw δ、i 分别取7个级别的语言值,即PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、Z(零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大),每一级分别对应一个语言变量[10-11]。

=v {NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB},对应语言值为{0,5,10,15,20,25,30};
=sw δ {NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB},对应语言值为{-90,-60,-30,0,30,60,90};
=i {NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB},对应语言值为{1,2,4,6,8,10,13}。

该系统的模糊控制规则可归纳成表1。

(下转60页)
. All Rights Reserved.
硅酸盐制品建材产品如混凝土普通砖、混凝土路面砖、混凝土多孔砖等建材产品一般选择成品建材产品且经过一定时间养护之后的样品进行化学成分分析。

硅酸盐制品建材产品的化学成分分析确定其建材产品废渣与烧结砖建材产品化学成分分析确定其废渣的方法差异很大,硅酸盐制品建材产品参加废渣比烧制品建材产品掺加废渣更加容易,因此硅酸盐制品建材产品掺加的废渣含量较高,其大大节省了硅酸盐制品建材产品生产的成本,但必须符合国家废渣掺加量的相关标准,否则会严重影响硅酸盐制品建材产品的质量,因此硅酸盐制品建材产品化学成分分析确定其建材产品的废渣时一般其废渣含量都是高于国家的相关标准的。

硅酸盐制品建材产品废渣掺加量增加虽然能够降低企业生产该建材产品的成本,但这对生产硅酸盐制品建材产品的质量影响很大,因此在硅酸盐制品建材产品的化学成分检测确定其废渣含量时一定要严格按照国家的相关标准执行,以严格监督硅酸盐制品建材产品中废渣的掺加量,从而保证硅酸盐制品建材产品的质量。

4.3 水泥建材产品的化学成分分析确定建材产品的废渣掺加量
水泥是建筑施工中最常用的建材产品之一,水泥中废渣的掺加量对于水泥质量的影响很大,因此研究水泥建材产品的化学成分分析确定水泥建材产品中废渣的掺加量检测的方法,从而保证水泥建材产品的质量进而提升建筑工程质量十分重要。

水泥建材产品化学成分分析确定其废渣掺加量的选样时最好选择除去150～200mm的表层的粒化高炉矿渣及配料盘中的粉煤灰。

煤矸石样品处理时应该先将选取的煤矸石破碎成均匀的碎石,而石灰石及煤样选择时可以选取磨头喂料机处的石灰石及煤样。

为了保证选择的样品能够代表这一批次水泥建材产品的情况,样品称量的质量在0.5kg为最佳[4]。

5 结语
各类建材化学成分的确定建材产品废渣的方法根据其建材产品不同有较大的差异,因此研究不同建材产品化学成分分析确定建材产品废渣的方法,进而促进建材生产企业提升建材废渣利用的效率,对于促进我国建材企业的发展十分重要。

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4 结语
目前线控转向系统普遍用于乘用车辆,该文将线控转向系统用在电动叉车上,对于电动叉车的发展有着启发性的意义。

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