基于TruckSim的半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的仿真分析

龍佳慶， 韋超毅

(1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　汽車工程系， 廣西　柳州　545005；2.廣西大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院， 廣西　南寧　530004)

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基于TruckSim的半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的仿真分析

龍佳慶1， 韋超毅2

(1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系， 廣西柳州545005；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廣西南寧530004)

通過(guò)TruckSim軟件建立半掛汽車列車整車仿真模型，分別改變半掛汽車列車參數(shù)對(duì)車輛進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)，以研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的影響。結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)脑黾訝恳嚨馁|(zhì)量、加長(zhǎng)牽引車軸距、加長(zhǎng)掛車車軸距牽引車前軸距離、降低掛車質(zhì)量、縮短牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離，會(huì)增加不足轉(zhuǎn)向特性的趨勢(shì)。

半掛汽車列車；TruckSim軟件；穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；轉(zhuǎn)向特性

半掛汽車列車在現(xiàn)代中長(zhǎng)距離公路運(yùn)輸中的作用日益增加，但其具有縱向尺寸長(zhǎng)、輪距小、整車質(zhì)心高、載重量大的特點(diǎn)，在行駛過(guò)程中，其操縱穩(wěn)定性極限較低。半掛汽車列車在高速時(shí)，極易受轉(zhuǎn)彎、超車、變道、路面不平等狀況的影響，形成很大的橫向垂直載荷轉(zhuǎn)移狀況，這種情況發(fā)生的時(shí)侯，半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性會(huì)急劇下降，極易發(fā)生交通事故[1-3]。

因此，對(duì)半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究越來(lái)越重要。由于半掛汽車列車自身的特點(diǎn)，以及場(chǎng)地、設(shè)備等試驗(yàn)條件的限制，很難對(duì)半掛汽車列車進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，而且實(shí)車試驗(yàn)的危險(xiǎn)性較大。對(duì)于半掛汽車列車來(lái)說(shuō)，更多的是用計(jì)算機(jī)仿真分析，從而得到一些在實(shí)車試驗(yàn)中無(wú)法測(cè)量，又能評(píng)價(jià)其操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

1　半掛汽車列車整車建模

在Trucksim軟件中，構(gòu)建集整車外形，轉(zhuǎn)向、動(dòng)力傳動(dòng)、制動(dòng)系和行駛系三大部分組成整車動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法，設(shè)置環(huán)境參數(shù)和路面參數(shù)。

表1　主要車體參數(shù)的組成

2　穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的仿真

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的主要目的是測(cè)試車輛的穩(wěn)態(tài)特性，即所謂的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。根據(jù)不同的穩(wěn)態(tài)特性，可以分為不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過(guò)度轉(zhuǎn)向。由于過(guò)度轉(zhuǎn)向會(huì)有失去穩(wěn)定性的危險(xiǎn)，而中性轉(zhuǎn)向在行駛條件稍微有變化的情況下容易變成過(guò)度轉(zhuǎn)向，所以汽車都應(yīng)該具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。

通過(guò)TruckSim軟件建立半掛汽車列車仿真模型，固定方向盤轉(zhuǎn)角，即給定方向盤一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)角，模擬車速先從較低的穩(wěn)定車速5 km/h運(yùn)行，然后以縱向加速度不超過(guò)0.25 m/s2的速度遞增，一直到側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2或出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的行駛速度隨時(shí)間的遞增關(guān)系如圖1所示，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖1　穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)速度曲線　　　　　　　　　　　　圖2　牽引車質(zhì)心行駛軌跡曲線

3　分析不同參數(shù)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性的影響

為了分析車輛質(zhì)量、牽引車的軸距、牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離、掛車車軸距牽引車前軸的距離的變化對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的影響，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)中保持其他參數(shù)不變，分別變動(dòng)車輛質(zhì)量、改變牽引車的軸距、調(diào)整牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離和變化掛車車軸距牽引車前軸的距離，根據(jù)仿真得到的車輛行駛軌跡，分析以上四個(gè)參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響。

3.1質(zhì)量的影響

為了研究質(zhì)量對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的影響，分別改變牽引車質(zhì)量和掛車質(zhì)量，保持其他參數(shù)不變，使用TruckSim軟件對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)條件與初始穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)一致。

首先，保持掛車質(zhì)量不變，只改變牽引車質(zhì)量，分別設(shè)定牽引車質(zhì)量為4 500 kg、6 500 kg、8 500 kg，通過(guò)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析牽引車質(zhì)量對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的影響，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3不同牽引車質(zhì)量下?tīng)恳囐|(zhì)心行駛圓周軌跡曲線圖4不同掛車質(zhì)量下的牽引車質(zhì)心行駛圓周軌跡曲線

分析圖3可知，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，在同樣的仿真條件下，牽引車的質(zhì)量從4 500 kg增加到6 500 kg、8 500 kg，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)不同程度的變大，說(shuō)明隨著牽引車質(zhì)量增加，會(huì)一定程度上增加車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。

繼而保持牽引車的質(zhì)量不變，只改變掛車質(zhì)量，分別設(shè)定為15 000 kg、18 000 kg、22 000 kg，通過(guò)仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，剖析掛車質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響。仿真數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4數(shù)據(jù)表明，掛車的質(zhì)量從15 000 kg增加到18 000 kg、22 000 kg，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑會(huì)不同程度的減小，即隨著掛車質(zhì)量的增加，會(huì)在一定程度上降低車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。

因此，適當(dāng)?shù)脑黾訝恳囐|(zhì)量或減少掛車質(zhì)量，有助于增加半掛汽車列車的不足轉(zhuǎn)向特性[4-5]。

3.2牽引車軸距的影響

分別改變牽引車第二軸和第三軸到第一軸的距離，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)條件與初始穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)保持一致。分別設(shè)定第二軸到第一軸的距離為3.5 m、4 m、4.5 m，第三軸到第一軸的距離為4.5 m、5 m、5.5 m，通過(guò)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析牽引車的軸距對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的影響。

圖5是仿真試驗(yàn)結(jié)果，圖中a12表示第二軸到第一軸距離，a13表示第三軸到第一軸距離。

從圖5可以看出，在其他條件相同的情況下，隨著牽引車軸距的增加，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的行駛軌跡圓半徑變大的趨勢(shì)增大，從一定程度上說(shuō)明，牽引車軸距的增加，提高了半掛車汽車列車的不足轉(zhuǎn)向特性，對(duì)操縱穩(wěn)定性的提高有明顯影響。

3.3牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離的影響

保持仿真試驗(yàn)條件與初始穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)一致，進(jìn)行半掛車汽車列車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，設(shè)定牽引車第二軸至前軸的距離為3.5 m，第三軸至前軸距離為4.77 m。只改變牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離，記為L(zhǎng)1，分別設(shè)定為3.5 m、4 m、4.5 m。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5　不同牽引車軸距下?tīng)恳囐|(zhì)心行駛圓周軌跡曲線

圖6　不同牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離下的牽引車質(zhì)心行駛圓周軌跡曲線

從圖6可以看出：在其他條件相同的情況下，牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離從3.5 m增加到4 m、4.5 m，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的行駛軌跡圓半徑在變小。從一定程度上說(shuō)明，牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離的增加，降低了半掛汽車列車的不足轉(zhuǎn)向特性，呈現(xiàn)了過(guò)度轉(zhuǎn)向特性。因此適當(dāng)減少牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離對(duì)提高其操縱穩(wěn)定性有幫助。

圖7　不同掛車車軸距前輪距離下?tīng)恳囐|(zhì)心行駛圓周軌跡曲線

3.4掛車車軸距牽引車前軸距離的影響

仿真條件與初始穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)一致，只改變掛車車軸距前輪的距離，其他參數(shù)不變。掛車第一軸到牽引車前軸的距離記為A1，分別取值6.5 m、7 m、7.5 m；第二軸距其距離記為A2，分別取值7 m、8.2 m、9.4 m；第三軸距其距離記為A3，分別取值7.5 m、8.7 m、9.9 m。通過(guò)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析掛車車軸距牽引車前軸的距離對(duì)半掛汽車列車轉(zhuǎn)向特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

分析圖7，在其他條件相同的情況下，隨著掛車車軸距前輪的距離A1、A2、A3的值不斷增加，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的行駛軌跡圓半徑從98.10 m增加到99.82 m和101.48 m，可見(jiàn)其半徑在逐漸變大，從一定程度上說(shuō)明，掛車車軸距牽引車前軸距離的增加，增加了半掛汽車列車的不足轉(zhuǎn)向特性。

4　結(jié)論

車輛質(zhì)量、牽引車的軸距、牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離、掛車車軸距牽引車前軸距離的改變都不同程度的對(duì)半掛汽車列車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有影響，其中，增加牽引車質(zhì)量、降低掛車質(zhì)量，適當(dāng)?shù)脑龃鬆恳囕S距、加長(zhǎng)掛車車軸距牽引車前軸的距離，減少牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離，可增加半掛汽車列車的不足轉(zhuǎn)向特性。這給半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性提供了明確的設(shè)計(jì)思路。

[1]楊秀建，康南，李西濤．半掛汽車列車橫向失穩(wěn)的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(8)：79-89.

[2]Adrian Simms,David Crolla.The Influence of Damper Properties on Vehicle Dynamic Behaviour[R].SAE Technical Paper，2002-03-04.

[3]王德杉，謝進(jìn)榮．半掛汽車列車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的研究[J]．汽車工程，1989(3)：67-73.

[4]王偉，唐應(yīng)時(shí)，李俊偉等．應(yīng)用ADAMS的半掛牽引車操穩(wěn)性研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2013(9)：7-11.

[5]朱天軍，李飛，宗長(zhǎng)富．等重型半掛車多目標(biāo)穩(wěn)定性控制策略[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(12)：32-37.

[Abstract]the model of the semi-dragging trucks was built by the software called TruckSim, and different parameters of the semi-dragging trucks were used to do the simulation of the steady static circular test in order to research the influence of the semi-dragging trucks by changing different structure parameters. The results show that it can improve the lack of the steering characteristic by properly adding the weight of the tractor, lengthening the wheel base of the tractor, lengthening the distance between the car axle and the front wheel of the trailer, reducing the weight of the trailer, and reducing the distance between the hinged joint and the front wheel of the tractor.

[Key words]the semi-dragging trucks; TruckSim; the steady static circular test; the steering characteristic

[責(zé)任編輯劉景平]

Simulation Analysis of the Steering Characteristics of Semi-dragging Trucks Based on TruckSim

LONG Jia-qing1， WEI Chao-yi2

(1.Department of Automotive Engineering, Liuzhou Vocational & Technical College, Liuzhou,Guangxi 545005, China;2.School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China)

U463.4；U469.5

A

1672-9021(2016)02-0079-05

龍佳慶(1983-)，女，廣西柳州人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系講師，主要研究方向：汽車運(yùn)用技術(shù)。

廣西高校科學(xué)技術(shù)研究基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013ZD002)。

2016-03-15