半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)方法研究*

李 臣，李興虎，張紅衛(wèi)，周 煒

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

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2015135

半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)方法研究*

李 臣，李興虎，張紅衛(wèi)，周 煒

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院運(yùn)輸車輛運(yùn)行安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

轉(zhuǎn)彎制動性能對半掛汽車列車的制動安全有重大影響，針對我國目前半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)缺失，傳統(tǒng)的單車試驗(yàn)設(shè)備不適用于半掛汽車列車等問題，本文中從試驗(yàn)系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)安裝方式和試驗(yàn)方法與評價等方面對半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)進(jìn)行了探索性研究。結(jié)果表明：半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動過程中側(cè)向加速度、制動減速度、橫擺角速度和牽引車的俯仰角隨車速的升高而增加。建議半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)中車速不超過30km/h，轉(zhuǎn)彎半徑不小于25m。

半掛汽車列車；轉(zhuǎn)彎制動；試驗(yàn)系統(tǒng)；試驗(yàn)方法

前言

半掛汽車列車的制動系統(tǒng)由牽引車制動系統(tǒng)和半掛車制動系統(tǒng)兩部分組成，二者各自獨(dú)立，又相互協(xié)調(diào)[1]。半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動性能是列車在彎道減速行駛時保持預(yù)定路線行駛的能力，常用方向穩(wěn)定性來評價[2]。半掛汽車列車在轉(zhuǎn)彎制動時，在離心力作用下會造成同軸左右車輪載荷差值加大，為防止車輪抱死，制動效能比直線制動時降低，且方向穩(wěn)定性變差，容易出現(xiàn)折疊、蛇形和擺振現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)生側(cè)翻。因此，對半掛汽車列車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎制動性能試驗(yàn)評價具有現(xiàn)實(shí)意義。

在半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動性能研究方面，國內(nèi)外學(xué)者多采用理論計算和模擬仿真等方法研究半掛汽車列車制動力分配、優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)控制算法提高轉(zhuǎn)彎制動穩(wěn)定性等[3-8]。在半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動性能道路試驗(yàn)研究方面，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO 14794:2003《重型商用車和客車—轉(zhuǎn)彎制動—開環(huán)試驗(yàn)方法》[9]對半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)方法提供了一定的參考。我國標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2012《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[10]只規(guī)定了半掛汽車列車在直線制動時的要求，評價指標(biāo)為制動距離和充分發(fā)出的平均減速度，沒有對轉(zhuǎn)彎制動性能進(jìn)行評價，目前我國也尚未發(fā)布重型商用汽車彎道制動性能試驗(yàn)方法的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

由于半掛汽車列車結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備只適用于單體車，而不適用于半掛汽車列車。本文對半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動性能道路試驗(yàn)從系統(tǒng)搭建、試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)等方面進(jìn)行探索性研究。

1 半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動

由于半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動實(shí)車道路試驗(yàn)存在危險性，轉(zhuǎn)彎半徑過小或制動初始速度過大都有可能造成折疊甚至翻車。因此，在進(jìn)行實(shí)車道路之前，本文中建立了半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了多次仿真，以確定實(shí)車試驗(yàn)時的安全車速和轉(zhuǎn)彎半徑。

半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動時的受力如圖1所示。

根據(jù)半掛汽車列車受力和動力學(xué)相關(guān)理論，推導(dǎo)出牽引車運(yùn)動微分方程如式(1)所示，半掛車運(yùn)動微分方程如式(2)所示，各車輪的運(yùn)動微分方程如式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

2 半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)系統(tǒng)由牽引車檢測裝置、半掛車檢測裝置、計算機(jī)和供電設(shè)備等部分組成。牽引車檢測裝置包括雙天線GPS測量儀RLVB20SL(以下簡稱為VBOX2)、三軸角速度與加速度陀螺儀IMU02、汽車轉(zhuǎn)向盤角測量儀HCZ-1、模擬信號采集器RLVBADC03。半掛車檢測裝置主要包括三天線GPS測量儀RLVB20SL3(以下簡稱VBOX3)、三軸角速度與加速度陀螺儀IMU02[11-13]。牽引車和半掛車檢測系統(tǒng)組成與連接如圖2所示。

2.2 檢測系統(tǒng)在半掛汽車列車上的安裝

將牽引車和半掛車的檢測裝置分別布置在牽引車和半掛車上，二者分別單獨(dú)供電。半掛車檢測裝置固定在半掛車貨廂頂部，距離駕駛室較遠(yuǎn)，難以實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的直接連接，在實(shí)際試驗(yàn)時采用SD卡采集半掛車的相關(guān)數(shù)據(jù)。檢測系統(tǒng)在牽引車和半掛車上的安裝情況如圖3和圖4所示，各測試裝置的安裝位置如圖5所示。

2.3 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)用半掛汽車列車由一汽解放某6×4型牽引車和揚(yáng)州中集通華三軸廂式半掛車組成，列車轉(zhuǎn)彎制動實(shí)車道路試驗(yàn)在定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場性能廣場進(jìn)行，試驗(yàn)車輛如圖6所示。

試驗(yàn)車輛基本參數(shù)如表1所示，表中牽引車前軸到第1根后軸的距離為3.2m，牽引車兩后軸之間的距離為1.35m；半掛車牽引銷到第1根軸的距離為8.03m，3根并裝軸的軸間距離為1.31m。

表1 半掛汽車列車基本參數(shù)

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在平整的水泥路面上進(jìn)行，試驗(yàn)前測量路面任意方向坡度不大于2.5%，試驗(yàn)時風(fēng)速為2.3m/s，溫度為30°，濕度為60%，氣壓為10.01kPa。

車輛滿載，技術(shù)狀況達(dá)到生產(chǎn)商的技術(shù)要求。試驗(yàn)前，對半掛汽車列車預(yù)熱行駛。

試驗(yàn)時，半掛汽車列車以30km/h的車速沿半徑為25m的圓周進(jìn)行左右各3次轉(zhuǎn)彎制動，試驗(yàn)過程中采集半掛汽車列車的轉(zhuǎn)彎半徑、縱向速度、縱向加速度、側(cè)向加速度、橫擺角速度和俯仰角等參數(shù)。

3 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中，半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎半徑隨時間的變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出：半掛汽車列車在轉(zhuǎn)彎過程中，轉(zhuǎn)彎半徑基本穩(wěn)定在25m，轉(zhuǎn)彎開始和制動結(jié)束后由于轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角較小，實(shí)際曲線中半徑也較大。上述轉(zhuǎn)彎半徑曲線可與圖8中半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎軌跡曲線相互印證。

半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動過程中，縱向速度隨時間的變化曲線如圖9所示。

由圖9可以看出：半掛汽車列車速度從0逐漸上升，到23s時牽引車速度為31km/h，半掛車速度為29km/h，由于是轉(zhuǎn)彎行駛，半掛車速度和牽引車速度略有差別，但二者具有很好的跟隨性；隨后駕駛員進(jìn)行緊急制動，牽引車和半掛車的速度迅速下降，到26s時，半掛車速度降為0，牽引車速度在0.7km/h左右波動，說明牽引車在半掛車的作用下發(fā)生前后晃動。

半掛汽車列車縱向加速度隨時間的變化曲線如圖10所示。

由圖10可以看出：制動前，牽引車和半掛車的縱向加速度在0附近波動且二者數(shù)值基本一致；踩下制動踏板后，縱向加速度迅速增大，到24.9s時達(dá)到峰值，牽引車制動加速度為-0.51g，半掛車制動加速度為-0.49g。

半掛汽車列車側(cè)向加速度隨時間的變化曲線如圖11所示。

由圖11可以看出：隨著車速的逐漸增大，側(cè)向加速度也逐漸增大，在23s時側(cè)向加速度達(dá)到最大值，牽引車為0.32g，半掛車為0.28g，整個轉(zhuǎn)彎過程中半掛車的側(cè)向加速度略低于牽引車，但二者具有較好的跟隨性；制動后，半掛車的側(cè)向加速度迅速下降，到26s時達(dá)到最低點(diǎn)-0.08g后逐漸趨向于0，牽引車也迅速下降，到25s時出現(xiàn)小的波動后繼續(xù)下降后趨于0，波動是由牽引車在制動時產(chǎn)生了輕微的側(cè)滑引起。

半掛汽車列車橫擺角速度隨時間的變化曲線如圖12所示。

由圖12可以看出：牽引車在整個轉(zhuǎn)彎制動過程中橫擺角速度波動比半掛車大，但二者總體上是一致的；牽引車橫擺角速度的最大絕對值為0.46rad/s，時間發(fā)生在23s，也即制動踏板踩下的時刻，之后迅速減小，在26s時出現(xiàn)反方向的小峰值0.03rad/s后趨于0。

半掛汽車列車俯仰角隨時間的變化曲線如圖13所示。

由圖13可以看出：在轉(zhuǎn)彎制動過程中，牽引車的俯仰角隨時間變化較大，最大絕對值達(dá)到0.11rad，制動后迅速減小為0后又產(chǎn)生了小的波動，原因是牽引車質(zhì)量相對半掛車小，轉(zhuǎn)彎制動過程中受半掛車影響較大；半掛車在整個轉(zhuǎn)彎制動過程中俯仰角變化較小，原因是半掛車的質(zhì)量較大。

4 結(jié)論

(1) 利用所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)中參數(shù)的測量。

(2) 半掛汽車列車在轉(zhuǎn)彎制動過程中側(cè)向加速度、制動減速度、橫擺角速度和牽引車的俯仰角隨速度的升高而增加，實(shí)車試驗(yàn)速度建議不超過30km/h，半掛汽車列車轉(zhuǎn)彎半徑不小于25m，以免試驗(yàn)過程發(fā)生危險。

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A Study on the Test Methods of Cornering Braking for Tractor-semitrailer Combination

Li Chen1,2, Li Xinghu1, Zhang Hongwei2& Zhou Wei2

1.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191; 2.KeyLaboratoryofOperationSafetyTechnologyonTransportVehiclesMinistryofCommunication,ResearchInstituteofHighwayMinistryofCommunication,Beijing100088

Cornering braking performance has significant influence on the braking safety of tractor-semitrailer combination. Aiming at the problems of the lack of test standard for the cornering braking of tractor-semitrailer combination in China and the unsuitability of conventional test device for tractor-semitrailer combination, an exploratory study on the cornering braking of tractor-semitrailer combination is conducted in terms of the construction and installation of test system as well as test method and evaluation. The results show that the lateral acceleration, braking deceleration, raw rate and the pitch angle of tractor rise with the increase of vehicle speed, and it is recommended that the vehicle speed should not exceed 30km/h and the turning radius should not less than 25m during the cornering braking of tractor-semitrailer combination.

tractor-semitrailer combination; cornering braking; test system; test methods

*交通運(yùn)輸部重大科技專項(xiàng)(2011318223450)資助。

原稿收到日期為2013年11月1日。