重載貨車掛檔下坡速度變化特征仿真

萬遠(yuǎn)航， 邵毅明*， 徐 進(jìn),2， 鐘 欣

(1.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)交通運輸工程重慶市重點實驗室，重慶 400074；3.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401120)

車輛行駛速度受車輛結(jié)構(gòu)、動力性能影響，同時又受道路幾何條件限制，反映駕駛?cè)酥饔^意愿和駕駛行為習(xí)慣的運行參數(shù)[1]。不同于乘用車，重載貨車由于車身結(jié)構(gòu)大、質(zhì)心高等特性，并不具備良好的操縱穩(wěn)定性。尤其在下坡路段，其龐大的重力勢能轉(zhuǎn)化會增加制動器工作負(fù)荷，導(dǎo)致制動器工作性能下降，車輛失控風(fēng)險增大。為改善長大下坡重載貨車行駛安全，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，主要集中在制動器溫升模型[2-6]、道路安全坡長[7-8]和車輛縱坡路段速度預(yù)測模型[9-11]三方面，缺少從駕駛?cè)藪鞕n決策層面開展長大下坡重載貨車行駛安全研究。然而，駕駛?cè)俗鳛檐囕v操縱主體， 其駕駛行為與車輛安全存在高度相關(guān)性，以蘭海高速事故為例[12]，駕駛?cè)艘蛘`掛檔位導(dǎo)致制動器失效，從而引發(fā)車輛連環(huán)碰撞。因此，研究重載貨車掛檔速度變化特征，對提高駕駛?cè)碎L大下坡掛檔決策能力、改善道路交通安全具有一定的實用價值。

基于此，構(gòu)建人-車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)，依托縱坡道路模型單因素變化，分析載重量、掛檔檔位、路面坡度與掛檔車速之間的耦合強度，探討掛檔車速波動特性及掛檔機理，研究不同坡度重載貨車掛檔車速變化范圍，提出基于前視預(yù)瞄理論的長大下坡駕駛?cè)藪鞕n仿真模式，并以一條長大下坡實例道路作為算例，為駕駛?cè)藪鞕n決策及相關(guān)道路安全研究提供參考。

1 車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)建立

1.1 整車動力學(xué)模型

貨車作為公路運輸主流車輛，由于車身結(jié)構(gòu)大、質(zhì)心高等特性，并不具備轎車良好的操縱穩(wěn)定性，是長大下坡事故的典型車輛。故選擇重載貨車為研究對象，整車模型建模均是在Trucksim車輛模型庫完成，車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 車輛主要參數(shù)

1.2 道路模型

仿真道路模型由單一縱坡道路模型和實例道路模型兩部分構(gòu)成，單一縱坡道路模型為坡度固定的縱坡道路，用于分析掛檔車速與車路環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)及影響；實例道路模型用于評價車輛長下坡路段行駛安全。仿真道路具體建模步驟為：①利用空間三維路面計算程序軟件，提取該路段面節(jié)點空間坐標(biāo)；②將所得節(jié)點導(dǎo)入Trucksim生成不同路面單元；③通過給每個路面單元賦值的方式來模擬現(xiàn)實不同環(huán)境道路場景。

圖1 實例路段平縱面線形

圖1實例路段平縱面線形，數(shù)據(jù)來源于四川省涼山某長下坡路段。從圖1中可以看出，該路段包含多段長大下坡，高低差起伏大，利于開展大型車輛長大下坡行駛安全仿真研究。

1.3 發(fā)動機模型

由于貨車掛檔下坡是通過發(fā)動機運動時內(nèi)部摩擦和空氣泵氣損失所產(chǎn)生反拖力矩來鉗制驅(qū)動輪速增長，因此，在求解各個時刻掛檔車速之前，需在測功機上測得仿真車輛發(fā)動機節(jié)氣門開度為零時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速-制動力矩關(guān)系曲線。車輛發(fā)動機不同節(jié)氣門開度下的轉(zhuǎn)速和力矩Map如圖2所示。

圖2 發(fā)動機不同節(jié)氣門開度下的轉(zhuǎn)速和力矩曲線

1.4 掛檔車速預(yù)測模型

忽略橫向、縱向空氣動力學(xué)等因素影響，根據(jù)整車動力傳遞特性、差速器運動特性和扭矩分配特性可以推出掛檔車速方程如式(1)～式(2)所示：

(1)

(2)

My_load_LF=-FxLF×(hwc+ZLF)+MyresisLF+MybkF

(3)

(4)

式中:R為車輪半徑；Tg為傳動器輸出扭矩；Ndiff_R后軸差速器傳動比；Itrans_drv_R為后輪驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動慣量；Iaxle_RR為右后軸轉(zhuǎn)動慣量；Iaxle_LR為左后軸轉(zhuǎn)動慣量；IwR為后輪轉(zhuǎn)動慣量；My_load_RR、My_load_LR為由輪胎力矩和剎車力矩引起的扭矩負(fù)荷；hwc為空載車輪半徑；ZLF為輪胎形變長度，MybkR為后輪制動力矩；MyresisLR為左后輪滾動阻力矩。

掛檔車速采用等步長模式求解，仿真步長設(shè)置為0.001 s。由于仿真步長小，故各周期內(nèi)可認(rèn)為車輛近似做勻變速直線運動。假設(shè)重載貨車以初速度u0掛檔下坡，其在長大下坡路段i時刻速度迭代方程可由式(5)描述：

ui+1=u0+aiΔt

(5)

式(5)中:ui為重載貨車在i時刻的瞬時速度；ai為重載貨車在i時刻的瞬時加速度；Δt為仿真步長。

2 駕駛?cè)四Ｐ徒?/h2>

2.1 速度控制方式

為使駕駛?cè)四軌驅(qū)Φ缆肪€形做出響應(yīng)，實現(xiàn)油門加速、制動減速操縱行為相互轉(zhuǎn)換。閉環(huán)控制器采用“前視-預(yù)瞄”策略，即在車輛起始階段計算出短時域內(nèi)的期望速度曲線，通過駕駛?cè)擞烷T踏板、制動踏板操縱實現(xiàn)對期望車速曲線的跟隨。駕駛?cè)四Ｐ筒捎肞I控制，并在基礎(chǔ)上引入速度非線性立方反饋，其期望加速度可由式(6)描述：

(6)

式(6)中:Kp為比例增益系數(shù)；Ki為積分增益系數(shù)；Kp3為立方增益系數(shù)；Verr為期望速度與實際速度誤差；lerr為期望速度與實際速度誤差積分；Ax為期望加速度。

2.2 控制參數(shù)邊界設(shè)置

操縱行為是駕駛?cè)藢Φ缆窏l件的響應(yīng)，連續(xù)延伸的道路可以看作典型路段單元的銜接組合。當(dāng)相鄰道路段之間道路線形發(fā)生改變時，駕駛員為保證車輛的縱向及橫向穩(wěn)定性，常會采取加速或制動措施來調(diào)整車輛行駛速度(車輛進(jìn)彎減速、出彎加速)，而現(xiàn)有研究常用車輛加(減)速度進(jìn)行描述[13]。為提高仿真結(jié)果精度，依托山區(qū)公路重載貨車駕駛?cè)俗匀获{駛數(shù)據(jù)，采用所測數(shù)據(jù)95th分位值作為駕駛?cè)思訙p速度約束邊界，即最大縱向加速度為0.4 m/s2，最大縱向減速度為0.5 m/s2，最大側(cè)向加速度為0.5 m/s2[14]。

3 仿真結(jié)果及分析

車輛道路安全作為多要素耦合系統(tǒng)，其掛檔車速受多方面因素影響。為研究貨車掛檔自行下坡車速變化特征，依托人-車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)，通過改變道路坡度、貨車載重量、掛檔檔位參數(shù)對掛檔車速變化特征進(jìn)行分析。

3.1 不同坡度掛檔速度變化特征

研究表明，由于I檔位行駛車速過低，Ⅴ檔位以上行駛車速過高，駕駛?cè)舜罂v坡道路常采用Ⅱ～Ⅴ檔位進(jìn)行輔助制動[15]。故僅研究Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速變化特征，仿真道路坡度為4%～8%，路面附著系數(shù)為0.8。

圖3 不同坡度下掛檔速度變化曲線

圖3所示為重載貨車Ⅲ、Ⅴ檔位掛檔車速仿真結(jié)果，給出了5條不同坡度下掛檔車速變化曲線。從圖3(a)可以看出，道路坡度4%條件下對應(yīng)掛檔車速穩(wěn)定值為16.68 km/h，8%對應(yīng)車速穩(wěn)定值為18.81 km/h，表明重載貨車穩(wěn)定掛檔車速與道路坡度呈正相關(guān)，即重力沿水平面分力增長加劇了車輛重力勢能轉(zhuǎn)化，掛檔穩(wěn)定車速增高。其次，掛檔車速增長趨勢呈先急后緩特征。即貨車初始掛檔自行下坡時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，對應(yīng)的發(fā)動機制動力矩小，車輛加速度大。隨著車輛掛檔下行，車輪通過差速器、傳動器、離合器裝置進(jìn)一步帶動發(fā)動機加速旋轉(zhuǎn)，單位時間內(nèi)發(fā)動機內(nèi)部摩擦力和泵氣損失做功增大，車輛增速放緩。

圖4 Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速穩(wěn)定值

圖4所示為Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速穩(wěn)定值。為對比檔位高低、道路坡度與掛檔穩(wěn)定車速耦合強度，對不同檔位、道路坡度掛檔車速進(jìn)行觀測。由圖4可知，車輛Ⅱ～Ⅴ檔位穩(wěn)定車速分別為11.2～13.18、16.68～18.81、23.3～27.1、32.9～39.6 km/h，相同坡度下重載貨車掛檔穩(wěn)定車速最大差值為26.4 km/h，而相同檔位下掛檔穩(wěn)定車速最大差值僅為6.62 km/h。表明掛檔檔位與掛檔車速穩(wěn)定值呈強耦合性，故車輛長大下坡行駛安全研究應(yīng)充分考慮掛檔檔位對行車安全影響。

3.2 不同載重量掛檔速度變化特征

運輸過程中，駕駛?cè)藶樽非蠼?jīng)濟效益常存在超載現(xiàn)象。為模擬不同載重下貨車掛檔車速響應(yīng)，分別設(shè)置車輛載重量為16、18、20、22 t，并以此展開研究，道路坡度為8%，路面附著系數(shù)為0.8。

圖5 不同載重量掛檔速度變化曲線

從圖5(a)可以看出，重載貨車掛Ⅲ檔位下行時，載重量16 t對應(yīng)掛檔車速穩(wěn)定值為18.9 km/h，22 t對應(yīng)掛檔車速穩(wěn)定值為20.1 km/h，表明貨車載重量與掛檔車速穩(wěn)定值呈正相關(guān)性。圖5(b)所示為該工況下車輛Ⅱ～Ⅴ檔位掛檔車速穩(wěn)定值，各檔位車速分別為13.3～13.9、18.9～20.0、27.4～29.2、40.1～43.3 km/h。其中，Ⅱ檔位穩(wěn)定掛檔車速最大差值為0.6 km/h，Ⅴ檔位穩(wěn)定掛檔車速最大差值為3.2 km/h。基于此，可以認(rèn)為載重量與重載貨車掛檔車速穩(wěn)定值呈弱耦合性，為改善重載貨車長大下坡行駛安全，應(yīng)著重從道路縱斷面設(shè)計及掛檔決策優(yōu)化入手。

4 實例路段仿真及分析

分析可知，優(yōu)化道路縱斷面設(shè)計及掛檔決策是改善重載貨車長大下坡行駛安全的有效措施。然而，真實長大下坡駕駛過程中，由于駕駛?cè)穗y以感知細(xì)小的坡度變化，故需要交通標(biāo)識或人機系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)。因此，在原有人-車-路協(xié)同仿真基礎(chǔ)上，結(jié)合駕駛?cè)藪鞕n決策，設(shè)計了長下坡駕駛?cè)藪鞕n模式，并與當(dāng)前通用仿真模式(定速巡航)對比，分析大型車輛長下坡行駛安全，進(jìn)而為駕駛?cè)藪鞕n決策、道路縱斷面設(shè)計提供依據(jù)。仿真路段選取行駛里程為56 km的實例道路作為算例，其中定速巡航模式車速設(shè)置為80 km/h(期望車速)，檔位不固定；掛檔下行模式車輛最低車速設(shè)置為28 km/h，檔位固定為V檔。

圖6 實例道路仿真結(jié)果

圖6所示為實例道路運行計算結(jié)果，包括車輛速度、道路高程值、發(fā)動機節(jié)氣門開度、車輪制動壓力變化曲線。從圖6(a)中道路高程值曲線變化可以看出，在行駛里程為21～52 km長下坡路段，定速巡航模式車輛在經(jīng)過長上坡路段后，憑借長下坡重力勢能轉(zhuǎn)化，速度回升至80 km/h；而掛檔模式車輛在進(jìn)入下坡前，駕駛?cè)送瓿蓽p速降檔操作并以五檔位掛檔下行，速度降至30 km/h。兩種模式速度曲線均呈現(xiàn)不同程度波動。究其原因在于，實例道路長下坡坡度并不是固定不變的，當(dāng)?shù)缆菲露容^小時，重力勢能轉(zhuǎn)化有限，無法提供當(dāng)前車輛動能損耗，而駕駛?cè)恕案兄?決策-操縱”又存在一定的滯后性，導(dǎo)致車輛車速波動增大。此外，實例道路長下坡路段平面線形具有一定程度的蜿蜒，相比直線路段，彎道行駛的車輛需克服額外的功率，從而加劇了車輛速度衰減。

圖6(b)所示為兩種仿真模式下駕駛?cè)碎L大下坡過程中不同時域操縱行為特征譜，可以發(fā)現(xiàn)在行駛里程42.2～47.4 km路段，掛檔模式下的車輛節(jié)氣門開度波動范圍更廣。究其原因在于，相同車速下，車輛低檔位掛檔下行動能損耗較大，駕駛?cè)巳粢S持車速穩(wěn)定需要持續(xù)踩踏油門進(jìn)行加速。

制動器失效是引發(fā)長大下坡重載貨車行車安全的主要因素，而駕駛?cè)酥苿犹ぐ迨褂梅l特性是決定制動器溫升變化的關(guān)鍵。從圖6(b)駕駛?cè)酥苿犹ぐ逄卣髯V曲線可以看出，定速巡航模式下制動壓力值基本保持在零刻度線上，且隨道路環(huán)境變化呈現(xiàn)出不同幅度波動。然而，長時間制動勢必導(dǎo)致制動器工作性能減小甚至失效，從而引發(fā)車輛失控，顯然，采用定速巡航模式評價車輛長下坡行駛安全并不具備可靠性。而掛檔模式下駕駛?cè)碎L大下坡路段制動踏板全程處于零刻度線，表明制動踏板全稱處于空置狀態(tài)，雖然在一定程度上犧牲了車輛速度，但卻保證了長下坡車輛行駛安全。基于此，車輛長下坡行駛仿真安全評價應(yīng)在駕駛?cè)藪鞕n決策基礎(chǔ)上，結(jié)合駕駛?cè)瞬倏v行為特征譜共同完成。

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建了人-車-路協(xié)同仿真系統(tǒng)，探討了掛檔車速的波動特性及掛檔機理，得到了不同坡度各檔位掛檔車速變化范圍，為駕駛?cè)藪鞕n決策提供參考。

(2)運行速度是制動器溫升模型的關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)有研究通常用平均車速替代，無法反映出車輛每個時刻真實的運行狀況，存在一定局限性。掛檔車速變化特征可為同類重載貨車制動器溫升研究提供依據(jù)。

(3)提出了在駕駛?cè)藪鞕n決策基礎(chǔ)上結(jié)合駕駛?cè)瞬倏v行為特征譜的新型仿真模式，為長大下坡車輛行駛安全仿真提供一種新的思路。