中国机械工程

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中国机械工程. 2016, 27(11): 0.

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基于偏置输出3-RRR+(S-P)球面并联机构的仿生髋关节

杨亚敬;孙通帅;周玉林

中国机械工程. 2016, 27(11): 1421-1428.

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首先以偏置输出的3-RRR+(S-P)仿生关节机构为原型机构,依据仿生原则并参照人体股骨结构,确定关节机构的偏置角。然后,提出关节机构工作空间与人体髋关节运动空间相协调的设计原则,进而确定关节机构的安装定位角度,完成人形机器人髋关节设计；建立仿生关节空间与机构空间的映射关系,并对该髋关节的运动学正反解进行求解。最后,通过数值计算证明关节机构可实现人体基本运动,同时使用Xsens Technologies公司的可穿戴式完全无线3D身体惯性跟踪仪及磁性运动跟踪器,采集人体髋关节在实际运动状态下的位姿信息,将获取信息经映射关系转换和反解变换,导入ADAMS模型中进行校验,进一步验证了建立的映射关系、安装定位角度及正反解的正确性。

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新型弧面摩擦阻尼器力学性能研究

王贡献;王洋洋;袁建明;杨毅;王东

中国机械工程. 2016, 27(11): 1429-1433.

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为克服传统摩擦阻尼器自适应能力差及耗能能力低的缺点,提出了一种新型弧面摩擦阻尼器,该阻尼器的结构特征在于其摩擦板和滑块的滑移面均为弧形,两滑块之间装有压缩橡胶,阻尼器通过摩擦板与滑块之间的移动产生摩擦力实现耗能。建立了阻尼器的机理模型,并采用数值模型验证了机理模型的合理性,分析了加载频率和橡胶弹簧初始压缩量对阻尼器滞回阻尼特性的影响规律。研究结果表明：该新型阻尼器具有马鞍形滞回曲线,其摩擦力具有位移随变性；该阻尼器的耗能能力比传统摩擦阻尼器强,耗能能力最多提高了23.84%；其力学性能与加载频率相关性较小,而橡胶弹簧预紧力越大,阻尼器的滞回耗能能力越强。

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引信MEMS后坐机构的设计与实验

邓炬锋;史春景;郝永平;许马会

中国机械工程. 2016, 27(11): 1434-1439.

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通过受力分析并根据动能定理建立了影响后坐机构加速度as的关系式和动力学方程,得到弹性系数K、两侧齿之间竖直方向的间隙d、齿的斜边长a、齿底长c和齿数n的大小决定着as大小的结论。通过ADAMS软件仿真分析,得到运动方程和设计的合理性,并得到K、d、a、c、n与as的关系。仿真结果表明,在同等条件下,严格控制齿底长c的加工误差、减小错位间隙d、增大线宽b均能提高as。同时考虑增大齿数n来提高as。对采用LIGA工艺加工出的后坐机构进行模拟实验,验证了仿真分析的合理性和加工误差的影响,同时验证了设计和运动方程的合理性。

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废旧电路板元器件分离位移模型研究

向东1;吴育家1;杨继平2;龙旦风1;牟鹏1

中国机械工程. 2016, 27(11): 1439-1445.

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在焊料加热熔化的前提下,电子元器件拆解取决于在拆解外力作用下元器件相对电路板基板产生的位移即元器件分离位移。首先建立水平拆解和垂直拆解两种方式下不同元器件的分离位移模型；然后重点针对3种典型类型元器件引脚下的焊料在垂直拆解时的断裂高度进行分析,基于牛顿静压力方程和拉普拉斯方程建立了焊料断裂高度的数学模型,并通过实验验证了模型的正确性。废旧电路板上元器件分离位移模型对于确定拆解工艺参数具有重要价值。

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扭杆弧形槽精密微细电火花加工工艺研究

黄玉萍

中国机械工程. 2016, 27(11): 1446-1450.

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针对扭杆弧形槽的加工要求,分析了机械误差对加工精度的影响,设计了合理的装夹方案,降低了机械误差对制造精度的影响；通过正交试验法分析了电加工参数对弧形槽表面粗糙度的影响,采用最优加工参数,可得到Ra=0.1μm的弧形槽表面；研制了扭杆电火花加工刚度在位测量装置,该装置能解决扭杆加工中既要满足面形精度又要满足加工刚度的要求。

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外摆线型单螺杆泵螺杆-衬套副的运动特性分析

杜秀华;刘双新;田密;韩道权

中国机械工程. 2016, 27(11): 1450-1454.

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通过分析外摆线型单螺杆泵螺杆-衬套副的相对运动,发现螺杆-衬套副的固定接触点出现在衬套骨线上,衬套可采用金属材料,螺杆可在金属基体表面黏接橡胶外套；用瞬心法推导出齿凸接触点和齿凹接触点处相对滑动速度的计算公式,并用MATLAB生成速度曲线,用SolidWorks建立螺杆泵实体模型,用SolidWorks Motion进行运动仿真,对比速度仿真值与速度公式曲线可知,拟合度很高,最大偏差率仅为-0.101%；将速度曲线与啮合状态进行对应,发现齿凹接触点处相对滑动速度的最大值发生在螺杆齿凸中点与衬套齿凹中点相接触处,齿凸接触点处相对滑动速度最大值发生在螺杆齿凸中点与衬套齿凸中点相接触处。

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非圆内齿轮三轴联动插齿加工技术研究

李波1;何君1;郑方焱1;陈定方1;吴俊峰2;吕小波2;吴又安2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1455-1460,1483.

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利用非圆齿轮节曲线的法向量得到了基于包络模型的非圆内齿轮插齿加工联动模型,并给出了非圆内齿轮在设计时避免根切的条件。同时,针对非圆内齿轮在插齿加工过程中可能出现的让刀干涉问题,给出了相应的判定条件及让刀方法。通过计算机仿真和实际加工验证了上述模型及让刀方法的正确性。

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基于电场分析的钛合金电解加工圆孔成形研究

何亚峰1,2;卢文壮1;干为民2,3

中国机械工程. 2016, 27(11): 1461-1466.

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以钛合金电解加工圆孔为对象,充分考虑加工中电场与移动网格相互关系建立了圆孔加工理论模型,采用数值计算方法得到了电解加工圆孔电位分布、电流密度分布、成形过程和材料变化,探讨了不同加工参数（脉冲平均电压、电导率和进给速度）对电解加工圆孔成形的影响,并开展了电解加工圆孔实验,得到了圆孔形貌,在相同加工参数下,理论计算和实验得到的圆孔深度分别1.07mm和1.157 14mm,两者能够较好地吻合,可为电解加工圆孔提供理论依据。

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基于区间分析的机器人绝对定位精度分析方法

黄康;何春生;甄圣超;洪健;赵福民

中国机械工程. 2016, 27(11): 1467-1473.

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针对6R机器人绝对定位精度不高的现状,提出了一种基于误差的分析方法。该方法通过区间分析和POE方程对机器人误差进行建模,并通过修正一些区间运算规则得到更为准确的扩展区间运动学方程。分析了扩展区间运动学方程的层级特性,提出了一种易于扩展并且能有效降低区间依赖特性的层级区间运动学方程,并针对该方程由于过度扩展而无法得出精确结果的问题提出了一种区间矩阵优化方法。通过蒙特卡罗法以及和传统区间方法对比的仿真实验,验证了所提出方法更为高效,并且能够近似计算出理想的结果。某汽车变速箱装配线的6R机器人螺栓拧紧工序实验结果表明,所提出的分析方法比传统的区间方法更有效更精确。

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基于虚拟样机的两自由度柔顺机构设计与仿真分析

江献良1;洪华杰1;刘华1;李志凌2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1473-1478.

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为满足精密导向与大运动行程的设计需求,设计了一种基于柔顺机构的两自由度工作平台。描述了平台的设计方案,从理论上推导了工作方向上的刚度特性；为便于机电联合设计仿真,利用ANSYS和ADAMS软件建立了虚拟样机模型,对工作平台的刚度和工作行程进行了仿真计算。实验结果表明,平台工作方向上的刚度远小于非工作方向上的刚度,满足精密导向要求,线性行程超过了4mm,满足行程设计要求。

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融合工艺信息的复杂零件加工状态识别方法

朱绍维1,2;牟文平1;汤立民1;杜丽2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1479-1483.

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为解决基于物理信号的加工监控系统在复杂零件数控加工过程中易受工艺波动影响而导致误报警的问题,提出两种融入零件工艺信息的方法来提高加工状态识别的准确率。为验证其可行性,基于数控系统OPC接口开发了一套远程监控系统原型,结合工艺信息和主轴实时切削功率对加工状态进行识别,一旦发现异常,立即控制机床停止加工。在典型飞机结构件上开展了应用验证,结果表明：融入工艺信息后,加工状态识别准确率明显提升。

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基于广义形态学滤波和Hilbert边际谱的滚动轴承故障诊断

崔宝珍1;马泽玮2;李会龙1;王珊1

中国机械工程. 2016, 27(11): 1484-1488.

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广义形态滤波器可以很好地抑制输出统计偏倚的现象,Hilbert边际谱克服了传统包络法需要确定带通滤波器的中心频率和带宽的不足,将两种方法相结合,首先利用广义形态滤波对信号进行去噪,在此基础上对信号进行经验模态分解,然后选取合适的IMF分量得到信号的局部Hilbert边际谱。通过对轴承内外环进行故障诊断发现,该方法能准确地提取故障特征,从而有效地判别轴承的故障类型和部位,具有较广阔的应用前景。

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基于小波分析的电动汽车轮毂电机永磁体故障诊断

潘汉明1;雷良育1,2;王子辉3

中国机械工程. 2016, 27(11): 1488-1492.

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应用小波分析的方法,讨论了电动汽车用外转子无刷直流电机永磁体故障的诊断方法。主要讨论了两类故障的诊断：永磁体排列均匀性和永磁体弱磁检测。利用小波分解,以电机的霍尔传感器输出作为特征信号诊断永磁体的排列均匀性。提取相电流波形的特定频率分量,利用连续小波变换计算这些频率分量的能量比,以判断电机运行时是否发生弱磁故障。实验结果表明,利用该方法,可以获得永磁体排列不均匀性和弱磁故障的信息。

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GMA止推油膜轴承瓦块均载调整试验研究

吴超1;王文2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1493-1496.

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介绍了一种基于超磁致伸缩驱动器(GMA)的止推油膜轴承的结构和工作原理,搭建了GMA止推油膜轴承试验台,进行了止推油膜轴承的跑合试验、单瓦载荷调节试验以及手动和自动均载调节试验。该轴承以瓦块的温度作为反馈信号,改变GMA的伸长量可控制止推瓦块的油膜间隙,使同一止推轴承的不同瓦块承受载荷尽量均匀,能够防止止推轴承偏载现象发生,避免止推油膜轴承由于偏载引起的局部高温。试验结果表明,利用GMA调节止推轴承的油膜间隙、实现止推瓦块的均载方案是可行的。

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基于振动声调制的金属微裂纹检测方法

方漂漂1;郑慧峰1;喻桑桑1;竺科仪2;王月兵1 ; 曹文旭1

中国机械工程. 2016, 27(11): 1497-1501.

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为克服传统线性超声无法检测微纳级宽度裂纹的缺点,开展了振动声调制法检测金属微裂纹的研究。用有限元分析软件ABAQUS开展了仿真研究,并验证了该方法的有效性,为实验参数设置提供了参考。搭建振动声调制检测系统,分析了不同长度微裂纹的调制特性,提出了基于振动声调制信号的信息熵定量表征方法。结果表明,存在微裂纹的铝板的振动声调制信号中的旁瓣信号明显,且检测信号的信息熵随裂纹长度单调增大,可作为振动声调制法检测微裂纹长度的特征参数。

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伺服增益不匹配的双轴同步误差补偿策略

陈琳1,2;程正波1;黄炳琼1,2;潘海鸿1,2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1502-1507.

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针对双轴驱动系统中由两轴伺服增益不匹配造成的运动不同步问题,从单轴稳态误差分析入手,构建单轴跟踪误差与两轴同步误差的关系。推导出参考位置为斜坡信号时同步误差的理论计算公式,确定两轴伺服增益系数及进给速度与同步误差间的定量关系；基于推导所得公式,提出将速度影响因子引入交叉耦合控制器中,并给出两种同步误差补偿策略(策略1和策略2)。通过仿真与实验验证了所推导同步误差理论计算公式的正确性；所提出的两种同步误差补偿策略均能有效减小因两轴伺服增益系数不匹配而产生的同步误差,且补偿后单轴系统的动态响应性能不会受到影响；与采用补偿策略1相比,采用补偿策略2后所获得的同步误差曲线更为平稳。

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自由锻造油压机常锻工况能耗特性

姚静1,2,3;魏晨光3;李彬3;汪飞雪3

中国机械工程. 2016, 27(11): 1508-1515.

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为分析大功率自由锻造油压机电液比例控制系统能量分布规律,以常锻工况为例,综合考虑操作工操作影响,研究了操作手柄控制方式及系统控制流程,建立了油压机电液比例控制系统的能耗计算模型和仿真模型,并通过20MN快锻油压机实测数据验证了仿真模型的正确性。基于仿真模型,对20MN自由锻造油压机电液比例控制系统的能耗分布规律进行了仿真,重点研究了油压机不同载荷和操作工操作速度对系统能耗的影响。锻造油压机常锻过程存在较大的速度变化,恒定的流量源不能匹配负载变化,导致20MN自由锻造油压机满载时能量利用率仅为14.3%。研究结果还表明,载荷越大、操作工操作越熟练,系统的能量利用率越高。

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包角对中比转速泵流场及无过载性能的影响

马艺1,2;马中强1;张生昌1,2;王新华3

中国机械工程. 2016, 27(11): 1516-1522.

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以D82-19-2型中比转速离心泵为研究对象,根据无过载叶轮约束公式确定叶轮设计方案,选取四种叶轮包角（150°、170°、190°和210°）开展中比转速泵流场及无过载性能的模拟研究。与实验结果相比,模拟所得扬程、效率和功率值误差不超过9%,模拟方法可行。结果表明：当叶片包角由150°增大到210°时,叶轮进口压力提高24%,低速区面积扩大至整个叶轮流道的1/3,叶片对流体的约束能力及抗汽蚀性能增强,但叶轮出口压力降低,大包角下导叶的湍流损失加剧了动能损耗；功率备用系数由1.145减小至1.025,且功率曲线出现极大值,泵的无过载特性更显著,但扬程和效率分别下降了15.4%和4.48%。研究结果为中比转速离心泵的无过载设计提供了理论依据。

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基于隔代映射算子的差分进化算法

符纯明1;姜;潮1;陈光宋2;吉磊2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1523-1529,1545.

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提出一种基于隔代映射算子的差分进化算法以求解优化问题,该方法在保证解的精度的同时具有较快的收敛速度。在经典的差分进化算法基础上,采用反向学习策略产生初始种群,并采用两种差分变异策略产生变异个体,以增加种群的多样性；利用隔代映射算子产生三个新个体替换当前进化种群中最差的三个个体,以实现精英策略提升算法的收敛性；为了保持种群的多样性和避免获得局部解,利用探测算子策略产生新个体加入进化种群。采用11个单峰、多峰测试函数和两个工程实例验证了该方法的有效性。

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基于车辆负荷系数的矿用车AT动力换挡策略

李昊1;刘建霞1,2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1530-1534,1540.

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针对重型矿用车自动换挡车速需要时刻适应不同环境路况的需求,提出了基于车辆负荷系数的换挡控制策略,对目前常用的以车速和油门开度为参数的动力性自动换挡控制策略进行了修正。以某32t矿用自卸车为研究对象,建立该车动力传动系统的数学模型,利用图解法求解出不同油门开度和车辆负荷系数下的最佳换挡车速点。采用MATLAB/Simulink建立了整车的仿真模型,并进行了仿真分析。结果表明修正后的换挡控制策略能自动适应车辆运行的多种工况,并可减少车辆自动挡位模式的设置。

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脉冲磁场处理对SKD11模具钢残余拉应力的影响机理分析

罗丞;李正龙;曹洪志;张祥林

中国机械工程. 2016, 27(11): 1535-1540.

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为了探究脉冲磁场处理对SKD11钢残余应力的影响机理,设计了单因素试验并得到了磁场强度、磁场频率、磁场方向以及磁处理时间等参数单独变化时试样残余拉应力的变化结果。同时从应力的本质入手,将磁处理过程划分为位错塞积开动和位错增殖两个阶段来分析,对试验现象做出了全面解释,推导出了在第一阶段中使位错塞积群克服点阵阻力所需的临界磁场强度Hp的公式,以及在第二阶段中使单个弗兰克-瑞德位错源增殖所需的临界磁场强度Hc的公式和使单个位错克服点阵阻力所需的临界磁场强度H'-p的公式。最后,以试验结果和理论推导为依据,建立了脉冲磁场处理在冲压模具的应用中需要遵循的原则。

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新型结晶器基本参数研究及其内钢液行为仿真

周超1,2;任素波1;张兴中1;刘晶晶1;白明华1

中国机械工程. 2016, 27(11): 1541-1545.

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为降低立式连铸机的高度,减小设备尺寸,依据经验公式计算特大方坯连铸机拉坯速度及液相穴深度。根据计算结果及可行性分析,认为拉坯速度为0.2m/min较为适合。基于结晶器传热学理论分析,提出了一种新型结晶器,即回字形结晶器。模拟分析了在结晶器内部设置内冷却器及偏转水口的作用,分析结果表明回字形结晶器可以提高传热效率,减少中心偏析,形成水平旋流以利于均匀钢水成分及坯壳生长,降低钢水冲击深度,达到电磁搅拌的冶金效果。经计算证明,采用回字形结晶器可以降低铸坯液相穴深度,从而降低铸机基础建设费用。

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基于Willans Line的双轴驱动混合动力越野车实时能量管理

阚萍1;邱利宏2,3;钱立军2;王金波2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1546-1553.

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为了实现混合动力越野车的实时能量管理,建立了其动力系统的动力学模型,提出利用发动机和电机的Willans Line 模型,建立基于WL-ECMS能量管理控制方法的发动机和电机最优输出功率模型。硬件在环试验结果表明,基于WL-ECMS的控制方法可以实现混合动力越野车基本的能量管理,车速跟随误差在合理的范围内,与基于ECMS的能量管理控制方法相比,其百公里油耗仅提高3.03%,与基于规则的能量管理控制方法相比,其百公里油耗低12.07%,且每一个时间步长程序的相对运行时间由基于ECMS方法的100下降到1.65,与基于规则方法的1.07相当,实现了混合动力越野车实时能量管理。

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汽车最速操纵的客观评价指标研究

张丽霞;路军;潘福全;宋年秀

中国机械工程. 2016, 27(11): 1546-1553.

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为了对最速操纵的汽车进行操纵稳定性评价,在考虑驾驶员忙碌程度、侧翻、侧滑评价指标的基础上,增加行驶速度单项评价指标、附着性能单项评价指标,提出了汽车最速操纵的综合评价指标；基于ADAMS/Car,对汽车进行双移线仿真试验,获得了汽车最速操纵的综合评价指标和单项评价指标仿真结果,比较了不同初始车速下汽车最速操纵的综合评价指标数值。结果表明,单项评价指标和综合评价指标都随时间延长而增大,当初始车速提高时,最速操纵稳定性综合评价指标增大,操纵稳定性变差。

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基于改进TTR算法的车辆侧翻预警研究

褚端峰1,2;崔剑1,2;邓泽健1,2;田飞1,2;吴超仲1,2

中国机械工程. 2016, 27(11): 1557-1561.

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侧翻时限(TTR)能有效用于车辆侧翻预警,然而传统的TTR方法所选定的侧翻阈值因行车条件的改变难以精确设定,会导致预警提前或滞后等问题。为了弥补传统TTR算法的不足,提高车辆侧翻预警的有效性,建立了三自由度车辆动力学模型；提出了以车辆的当前侧向加速度与实时侧向极限加速度的比值这一相对量作为侧翻评价指标,替代传统依靠侧倾角或侧向加速度等绝对量来进行侧翻预测；根据当前车辆运动状态计算未来发生侧翻时的TTR值,从而得到改进TTR侧翻预警算法。结果表明：改进TTR侧翻预警算法较传统基于侧倾角或侧向加速度的这两种TTR侧翻预警算法,能更准确地发现侧翻危险。

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中国机械工程. 2016, 27(11): 1562.

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2016年, 第27卷, 第11期　
刊出日期：2016-06-10

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