牽引車-半掛車列車轉(zhuǎn)向性能仿真分析

黃繼剛 李琳 顧信忠

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 江蘇南京 211156

牽引車-半掛車列車轉(zhuǎn)向性能仿真分析

黃繼剛 李琳 顧信忠

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 江蘇南京 211156

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的大型貨物及設(shè)備都需采用超長半掛列車運(yùn)輸，因此超長半掛車在軍用和民用領(lǐng)域都具有非常重要的地位，但由于車身較長，其轉(zhuǎn)向性能往往不太好：最小轉(zhuǎn)彎直徑較大，影響原地掉頭能力；牽引車和半掛車折疊的臨界轉(zhuǎn)彎直徑較大；列車的通道寬度較大，影響車輛通過性能；轉(zhuǎn)彎時(shí)半掛車輪胎和路面之間橫向滑移較大，加速輪胎磨損。因此，市面上三軸以上常規(guī)半掛車較為少見，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為采用液壓轉(zhuǎn)向可以較好地解決三軸以上半掛車的轉(zhuǎn)向性能差的問題。

關(guān)于掛車后軸轉(zhuǎn)向技術(shù)，蘇聯(lián)和日本早在上世紀(jì)八十年代就有相關(guān)專利；國內(nèi)漢陽特種汽車制造廠也曾研制動(dòng)力液壓隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；后來日本還研制出用電子控制器實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)向的掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]。很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過深入研究，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了掛車與牽引車前輪同軌跡轉(zhuǎn)向的控制算法，并進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[3]采用液壓系統(tǒng)控制掛車與牽引車后軸中心同軌跡，提高了車輛的轉(zhuǎn)向性能；文獻(xiàn)[4]中建立了組合半掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化模型，并用ADAMS對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[5,6]采用 MATLAB對(duì)多軸半掛車的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪接近純滾動(dòng)。

文獻(xiàn)[3]中雖然能夠保證同軌跡轉(zhuǎn)向，但掛車的運(yùn)動(dòng)軌跡是由六個(gè)車輪共同決定的，因此不能保證每個(gè)輪胎的橫向滑動(dòng)很?。欢墨I(xiàn)[4-6]的優(yōu)化結(jié)果可減少輪胎的橫向滑動(dòng)，但是未能提高車輛的通過性能。本文以某超長轉(zhuǎn)向三軸半掛車為研究對(duì)象，通過動(dòng)力學(xué)仿真，首先分析軌跡誤差，并對(duì)比了掛車后軸轉(zhuǎn)向和不轉(zhuǎn)向時(shí)整車通過性能，結(jié)合輪胎側(cè)偏角的分析結(jié)果，提出了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改進(jìn)的建議。

2 半掛車多軸轉(zhuǎn)向理論及其實(shí)現(xiàn)

2.1 半掛車后軸轉(zhuǎn)向

半掛列車在轉(zhuǎn)向時(shí)除了要求所有車輪都繞同一個(gè)瞬心做圓周運(yùn)動(dòng)外，也非常重視車輛的通過性能。而車輛通道寬度和牽引車的轉(zhuǎn)向角、列車最大轉(zhuǎn)彎直徑、車輪轉(zhuǎn)向角、行駛車速等相互制約、相互影響，難以精確計(jì)算和控制。

后軸轉(zhuǎn)向掛車常采用穩(wěn)態(tài)同軌跡方法設(shè)計(jì)。所謂穩(wěn)態(tài)同軌跡，是指車輛達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)，掛車上某一點(diǎn)與牽引車上的某一點(diǎn)以相同的軌跡運(yùn)動(dòng)，有兩種設(shè)計(jì)方案。以單轉(zhuǎn)向橋、雙驅(qū)動(dòng)橋牽引車拖動(dòng)三軸半掛車為例，一種方案是掛車的中橋中心與牽引車雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)橋中心保持同軌跡[3]，如圖1(a)所示；另一種方案則是掛車的中橋中心跟蹤牽引車轉(zhuǎn)向橋的中心[2]，如圖1(b)所示。

從圖1可以看出，牽引車轉(zhuǎn)角相同時(shí)，內(nèi)側(cè)通道半徑R'2>R2，方案二內(nèi)側(cè)通道半徑較大，有利于降低內(nèi)側(cè)區(qū)域事故率。但此時(shí)掛車中軸中心軌跡半徑R'0>R0，即方案一可以獲得更小的轉(zhuǎn)彎半徑，可提高半掛車機(jī)動(dòng)性。而且掛車與牽引車的外側(cè)通道半徑之差R'3-R'1>R3-R1，方案二的外側(cè)通道的半徑更大，轉(zhuǎn)向時(shí)掛車尾部掃過更大的外側(cè)區(qū)域，駕駛員難以從倒車鏡觀察到，非常不利于轉(zhuǎn)向安全，所以設(shè)計(jì)掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)常常采用方案一。圖1中，R0、R'0分別為方案一、二掛車中軸中心軌跡半徑；R1、R'1分別為方案一、二牽引車外側(cè)通道半徑；R2、R'2分別為方案一、二內(nèi)側(cè)通道半徑；R3、R'3分別為方案一、二掛車外側(cè)通道半徑。

2.2 半掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

本文以某企業(yè)生產(chǎn)的超長伸縮三軸半掛車為研究對(duì)象，該掛車采用中梁式結(jié)構(gòu)，貨臺(tái)長9 390 mm，寬2 990 mm，掛車總長12 590 mm，共裝配12只315/80R22.5子午線輪胎。空載質(zhì)量為10 000 kg，軸荷2 133 kg，滿載時(shí)47 000 kg，軸荷9 273 kg。掛車后三橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，由采用方案一設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，如圖2、3所示。活動(dòng)支承板與牽引銷固定連接，并用回轉(zhuǎn)軸承與掛車車架連接。與牽引車鉸接后，活動(dòng)支承板上定位塊與牽引車鞍座配合定位。整車轉(zhuǎn)向時(shí)，活動(dòng)支承板繞牽引銷軸線相對(duì)掛車自由轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心鉸接的推力桿推動(dòng)擺臂擺動(dòng)，與擺臂相連的液壓缸A和B被拉伸或壓縮，如圖2所示。

液壓缸A、B和掛車尾部的液壓缸D、C的有桿腔和無桿腔分別相連，形成封閉回路。由于內(nèi)徑和活塞桿直徑相同，液壓缸A和D、B和C的伸縮量相同。液壓缸C、D的伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)掛車后橋轉(zhuǎn)向擺臂擺動(dòng)，通過后橋的橫推桿驅(qū)動(dòng)后橋轉(zhuǎn)向，同時(shí)也經(jīng)縱推桿驅(qū)動(dòng)前橋和中橋轉(zhuǎn)向擺臂擺動(dòng)，與轉(zhuǎn)向擺臂鉸接的橫推桿驅(qū)動(dòng)前橋和中橋轉(zhuǎn)向。

3 半掛車轉(zhuǎn)向性能動(dòng)力學(xué)仿真分析

該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以牽引車和掛車的軸線夾角α為輸入信號(hào)控制掛車各轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向的，而夾角α是由掛車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定的，如圖4所示，其動(dòng)力學(xué)方程為[7,9]：式中，F(xiàn)1為牽引車對(duì)掛車的牽引力、F2為掛車的離心力；F3為路面附著力；F1y、F3y為F1、F3的橫向分量；L1、L3則是F1、F3到掛車質(zhì)心的力臂；m為掛車的質(zhì)量；ay為 橫向加速度；Iz為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；γ為角加速度。

掛車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由其受載決定的，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化也會(huì)改變車輛的受力狀態(tài)。對(duì)于恒定的牽引車轉(zhuǎn)角輸入，夾角α的特性類似于非線性系統(tǒng)的輸出，存在時(shí)間上的滯后和執(zhí)行上的誤差，經(jīng)過一段時(shí)間的振蕩后達(dá)到穩(wěn)態(tài)值[8]，如圖5所示。該穩(wěn)態(tài)值在設(shè)計(jì)階段難以獲得，使列車實(shí)際轉(zhuǎn)向特性與設(shè)計(jì)目標(biāo)常常存在較大差異，所以對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析是十分必要的。3.1 多體動(dòng)力學(xué)建模

首先將掛車零部件的三維數(shù)模導(dǎo)入ADAMS中并設(shè)置質(zhì)量屬性，然后按照實(shí)際情況添加運(yùn)動(dòng)副同時(shí)驗(yàn)算模型自由度數(shù)目。還需要在轉(zhuǎn)向節(jié)上裝配輪胎，屬性文件選擇軟件自帶的PAC2002_315_80R22.5。液壓缸A、B的行程設(shè)置為兩個(gè)measure，作為轉(zhuǎn)向液壓缸D、C的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，完整的掛車模型如圖6所示。

牽引車為6×4三橋牽引車，整車質(zhì)量為8 870 kg，前橋最大承載為7 100 kg，雙后橋最大承載為25 000 kg。鞍座離地高度為1 350 mm，允許最大承載為19 950 kg，牽引銷孔中心至雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)軸中心縱向距離為375 mm。三維模型導(dǎo)入ADAMS后同樣需要正確設(shè)置質(zhì)量屬性和裝配輪胎，并將牽引車鞍座和掛車活動(dòng)支承板固定連接。由于牽引車為后橋驅(qū)動(dòng)且轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不等，可推導(dǎo)內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速關(guān)系[9]：

式中，ωi、ωo分別為內(nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的角速度，β為前輪轉(zhuǎn)向角，L為牽引車軸距，B為驅(qū)動(dòng)輪輪距。按照公式(2)設(shè)置驅(qū)動(dòng)輪角速度可模擬實(shí)車差速器，以保證轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪純滾動(dòng)。3.2 仿真結(jié)果

該掛車主要用于廠區(qū)內(nèi)大型吊車臂運(yùn)輸，對(duì)行駛車速?zèng)]有要求，故設(shè)置車速為牽引車的最低穩(wěn)定車速10 km/h，設(shè)置仿真時(shí)間80 s，仿真步長0.01 s。牽引車的轉(zhuǎn)向角分別為10°、15°、20°和25°時(shí)的仿真結(jié)果如圖8、9所示。圖8中外側(cè)為牽引車驅(qū)動(dòng)橋中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，內(nèi)側(cè)為掛車中橋中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，可見掛車的轉(zhuǎn)彎直徑小于牽引車，且隨著牽引車轉(zhuǎn)向角增大，兩條軌跡之差也越來越大，即轉(zhuǎn)彎通道寬度也增大，如圖9所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向角達(dá)到25°時(shí)，牽引車與掛車折疊，這是非常危險(xiǎn)的現(xiàn)象。

為了便于比較，也對(duì)無轉(zhuǎn)向橋掛車進(jìn)行了10°、15°和20°轉(zhuǎn)向角轉(zhuǎn)向仿真，對(duì)比結(jié)果如圖10所示。轉(zhuǎn)向橋掛車的轉(zhuǎn)彎直徑均比無轉(zhuǎn)向橋大，則轉(zhuǎn)向橋掛車受到的離心力較小，可減小車輛側(cè)滑的趨勢，對(duì)提高半掛車行駛的安全性非常有利。由于整車的最大轉(zhuǎn)彎直徑由牽引車決定，如圖8所示，轉(zhuǎn)向橋掛車的轉(zhuǎn)彎直徑較大并不影響整車的機(jī)動(dòng)性能。相反，此時(shí)轉(zhuǎn)彎通道寬度較小，有利于提高車輛的通過性能。

圖11、12為各輪胎側(cè)偏角仿真結(jié)果，無轉(zhuǎn)向橋掛車的側(cè)偏角絕對(duì)值比轉(zhuǎn)向橋掛車對(duì)應(yīng)車輪的大，如表1所示，若輪胎長期處于大側(cè)偏角狀態(tài)甚至側(cè)滑會(huì)加速輪胎磨損，降低輪胎的使用壽命。圖11中還出現(xiàn)了側(cè)偏角突變至零的現(xiàn)象，說明此時(shí)車輪發(fā)生側(cè)滑，對(duì)車輛行駛的穩(wěn)定性非常不利。

圖12中轉(zhuǎn)向橋掛車前橋輪胎的側(cè)偏角為正、后橋?yàn)樨?fù)，表明前后橋的轉(zhuǎn)向角絕對(duì)值均比設(shè)計(jì)目標(biāo)值小，該結(jié)論與中心軌跡誤差相符，因此需要對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，以保證所有車輪的側(cè)偏角接近。

表1 掛車輪胎側(cè)偏角的穩(wěn)態(tài)均值

4 結(jié)語

半掛車在轉(zhuǎn)向過程中牽引車轉(zhuǎn)向角、列車最小轉(zhuǎn)彎直徑、掛車轉(zhuǎn)彎直徑、列車通道寬度等重要參數(shù)對(duì)車輛的行駛安全性、穩(wěn)定性和通過性均有重要影響，而且這些參數(shù)是整車轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，相互制約、相互影響，設(shè)計(jì)過程中難以精確計(jì)算，可采用動(dòng)力學(xué)仿真方法進(jìn)行分析。通過仿真分析可得到以下重要結(jié)論：

a. 保持掛車與牽引車前橋中心同軌跡可以獲得更大的內(nèi)側(cè)通道半徑，但外側(cè)通道半徑也較大，不利于行車安全;

b. 掛車采用轉(zhuǎn)向橋并不是為了減小掛車的最小轉(zhuǎn)彎直徑，其主要目的是減小通道寬度;

c. 轉(zhuǎn)向橋掛車能夠減少輪胎的側(cè)偏角及輪胎的橫向滑動(dòng)，有利于提高車輛的橫向穩(wěn)定性和延長輪胎的使用壽命;

d. 轉(zhuǎn)向過程中，當(dāng)掛車輪胎的側(cè)偏角接近時(shí)，輪胎承受的橫向附著力相近，說明所有車輪近似繞同一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)才是比較理想的。

[1] 趙龍.液壓技術(shù)在半掛車中的應(yīng)用[J].專用汽車,1990,(1):36-37.

[2] 裴金.半掛車復(fù)雜路線同軌跡轉(zhuǎn)向的研究[J].專用汽車,1992,(2):6-11.

[3] 宮慧敏.超長型半掛車全輪轉(zhuǎn)向的理論關(guān)系及實(shí)現(xiàn)方法[J].專用汽車,1997(4):6-10.

[4]鄧小禾,馬力,喬媛媛.液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].專用汽車,2009,(9):46-49.

A Simulation Analysis on Steering Performance of Tractor Semi-trailer Combination

HUANG Ji-gang et al

為了分析某半掛列車的轉(zhuǎn)向性能，運(yùn)用ADAMS軟件，建立了牽引車-轉(zhuǎn)向橋半掛車的動(dòng)力學(xué)模型并完成仿真分析，仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)目標(biāo)存在一定誤差。故同時(shí)對(duì)無轉(zhuǎn)向橋掛車進(jìn)行了仿真模擬，并與轉(zhuǎn)向橋掛車進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向橋掛車不僅可以明顯減小整車的通道寬度，有利于提高整車的通過性能，而且其轉(zhuǎn)彎直徑較大、離心力較小，輪胎的側(cè)偏角和橫向滑動(dòng)較小，對(duì)提高車輛行駛穩(wěn)定性和延長輪胎的使用壽命均非常有利。

通過性能 牽引車-半掛車列車 動(dòng)力學(xué)仿真 ADAMS軟件

A multi-body dynamics model was developed by using the ADAMS software to analysis the steering performance of the tractor semi-trailer combination. The results of simulation and design target are not consistent. The model of semitrailer without steering axles was also simulated for comparison. The simulation results showed that semi-trailer with steering axles can significantly reduce turning clearance width, and was beneficial to improve traffic ability. As a result of larger turning diameter, the centrifugal force and slip angles of tire were smaller, which provided a benefit to vehicle stability and service life of tires.

clearance; tractor semi-trailer combination; dynamics simulation; ADAMS software

U469.5.02

A

1004-0226(2016)11-0094-04

黃繼剛，男，1982年生，講師，研究方向?yàn)槠囋O(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真、CAE。

2016-08-31