基于TRUCKSIM的牽引車-半掛車側(cè)翻的瞬態(tài)研究

孫會(huì)來(lái)　張廷猛　李研強(qiáng)　李傳康　陳浩　劉增強(qiáng)

摘 要：半掛汽車再成為現(xiàn)代中長(zhǎng)公路的運(yùn)輸中重要的運(yùn)載工具，與單體貨車相比牽引車-半掛車之間的特殊的連接方式使半掛車的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)變得復(fù)雜。由于半掛車的縱向尺寸長(zhǎng)、車輪距小、質(zhì)心高、載重量大的特點(diǎn)，在高速行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎、超車、變道時(shí)穩(wěn)定性急劇下降，容易發(fā)生事故。通過(guò)查閱前人研究，結(jié)合查閱到的資料與自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合提出研究的方向，歸納得到了合理的研究方法和探索思路。通過(guò)查閱典型試驗(yàn)工況試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為本文的車輛仿真試驗(yàn)提供了可靠的指引，確定了各試驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)，并制定了相應(yīng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方法。根據(jù)已有數(shù)據(jù)，參考了某款牽引車產(chǎn)品，通過(guò)部分車輛參數(shù)的計(jì)算，完成了車輛設(shè)計(jì)的主要步驟和相應(yīng)內(nèi)容。試驗(yàn)中應(yīng)用了TruckSim軟件，掌將理論模型與軟件相結(jié)合，最后建立了基于TruckSim的整車模型。進(jìn)行仿真試驗(yàn)，建立對(duì)應(yīng)的環(huán)境模型，對(duì)多參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行探索，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和分析，并確定各種試驗(yàn)工況下的側(cè)翻的極限值域。關(guān)鍵詞：重載汽車;側(cè)翻;Trucksim仿真;模型構(gòu)建中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-124-04

Abstract：?Semitrailer has become an important vehicle in the transportation of modern medium and long highway. Compared with single truck， the special connection between tractor and semi-trailer makes the dynamic system of semi-trailer more complex. Due to the characteristics of the semi-trailer， such as long longitudinal dimension， small track width， high center of mass and large load capacity， the stability of the semi-trailer decreases sharply during turning， overtaking and lane changing， which is easy to cause accidents. Through consulting the previous studies， combining the materials and practical experience， the paper puts forward the research direction， and summarizes the reasonable research methods and exploration ideas. By referring to the national and international standards of the typical test condition test， this paper provides reliable guidance for the vehicle simulation test in this paper， determines the key points of each test， and formulates the corresponding test contents and test methods. According to the existing data， referring to a certain tractor product， the main steps and corresponding contents of vehicle design are completed through the calculation of some vehicle parameters. In the experiment， the software of trucksim is applied， and the theoretical model is combined with the software. Finally， the whole vehicle model based on trucksim is established. Carry out simulation test， establish corresponding environment model， explore the relationship between multi parameters， collect， sort and analyze the data， and determine the limit range of rollover under various test conditions.Keywords： Heavy duty vehicle; Rollover; Trucksim?Simulation; Model buildingCLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-124-04

前言

半掛汽車再成為現(xiàn)代中長(zhǎng)公路的運(yùn)輸中重要的運(yùn)載工具。與單體貨車相比牽引車與半掛車之間的特殊的連接方式使半掛車的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)變得復(fù)雜。由于半掛車的縱向尺寸長(zhǎng)、車輪距小、質(zhì)心高、載重量大的特點(diǎn)，在高速行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎、超車、變道時(shí)穩(wěn)定性急劇下降，容易發(fā)生事故。

1 汽車動(dòng)態(tài)側(cè)翻的條件與評(píng)價(jià)指標(biāo)

（2）在相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)中，大都是以汽車瞬時(shí)側(cè)向加速度閾值來(lái)評(píng)判汽車是否有發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)。但是側(cè)向加速度并不能直觀的反應(yīng)汽車是否發(fā)生了側(cè)翻。所以本文以橫向載荷轉(zhuǎn)移率（LTR）的變化作為判斷汽車是否發(fā)生側(cè)翻的主要指標(biāo)，以簧載質(zhì)量側(cè)傾角、質(zhì)心側(cè)偏角和航向偏離角作為輔助判斷條件。

橫向載荷轉(zhuǎn)移率的定義為左、右輪胎側(cè)垂直載荷之差與整車總的垂直載荷之比，表達(dá)式：

當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)傾時(shí)，汽車垂直載荷在左、右車輪上重新分配，LTR的范圍在[-1，1]，當(dāng)LTR=0時(shí)，汽車并沒(méi)有側(cè)傾，更不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。當(dāng)LTR=±1時(shí)，即一側(cè)輪胎垂直載荷為0，輪胎離地，汽車瀕于側(cè)翻。此時(shí)處于不穩(wěn)定的側(cè)傾狀態(tài)。假設(shè)一車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)兩車輪被抬起，為保持平衡，車輛的側(cè)傾角必須精確的和側(cè)向加速度數(shù)保持相對(duì)平衡，任何增加側(cè)傾角的輕微擾動(dòng)都將降低側(cè)向加速度的平衡值，若任其發(fā)展，則車輛側(cè)傾狀態(tài)將在極短的時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展成完全側(cè)翻。

2 仿真車輛參數(shù)及工況

本文在Trucksim的環(huán)境下，根據(jù)實(shí)車參數(shù)建立了包括汽車幾何參數(shù)、簧載質(zhì)量、輪胎模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力總成以及道路建立仿真模型。相關(guān)參數(shù)如下：

整車重量：8800（kg）

牽引總質(zhì)量：40000（kg）

整車外形尺寸：7275*2550*3610（mm）

輪距：前：2041mm 后：1830/1830mm

軸距：3200+1400mm

類型：半掛、牽引

輪胎數(shù)：12

道路模型形狀選擇直線200M半徑40M的橢圓公路，東西航向。道路附著參數(shù)為0.85，模擬較高附著系數(shù)的良好路面。

3 仿真結(jié)果分析

汽車在5秒時(shí)駛?cè)霃澋?，駕駛?cè)藛T開(kāi)始操作方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，6.3秒時(shí)達(dá)到最大角度，并在7.3秒停止輸入，此時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)停止，說(shuō)明汽車發(fā)生側(cè)翻。

車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，橫向加速度在5s時(shí)開(kāi)始增大6.3s時(shí)達(dá)到最大，縱向速度在6s后開(kāi)始減小。汽車縱向速度在減小，與此同時(shí)，車橫向速度在迅速增大，直到仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束，汽車發(fā)生側(cè)翻。

汽車開(kāi)始轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車簧載質(zhì)量側(cè)傾角和簧載質(zhì)量偏航率在不斷增大，簧載質(zhì)量?jī)A斜，左右分配不均勻，一定程度上引起車輛行駛跑偏。

汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，左側(cè)輪胎在6.1秒時(shí)最先出現(xiàn)垂直力為0的情況，即LTR=1此時(shí)判斷為側(cè)翻起始時(shí)間點(diǎn)。7.25秒時(shí)，最后一車輪垂直力為0，此時(shí)側(cè)翻結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

綜合圖7、圖9和圖11，6.1秒時(shí)，汽車一側(cè)輪胎垂直力已經(jīng)為0，即LTR=1，簧載質(zhì)量側(cè)傾角依舊繼續(xù)增大，破壞車輛側(cè)翻臨界值時(shí)的穩(wěn)定，導(dǎo)致汽車發(fā)生完全側(cè)翻。

在5.3秒，即汽車駛?cè)霃澋罆r(shí)，汽車右側(cè)輪胎側(cè)向力開(kāi)始增加，汽車開(kāi)始轉(zhuǎn)彎。在5.8秒時(shí)側(cè)向力迅速爬升，到6.5s時(shí)個(gè)輪胎側(cè)向力幾乎都到達(dá)最大值，隨即迅速下滑直到7.25s下降為0。此時(shí)汽車完全側(cè)翻，輪胎懸空。

4 結(jié)語(yǔ)

在此次仿真模擬中可以發(fā)現(xiàn)，汽車方向盤在第5-6s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)角度接近300度，所產(chǎn)生的橫向加速度非常大。這對(duì)于半

掛車這種質(zhì)心比較高、行駛速度快的車帶來(lái)極大的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。理論上講在汽車即將發(fā)生側(cè)翻的短時(shí)間內(nèi)踩剎車和使用手剎都可以緩解或避免側(cè)翻的發(fā)生，但實(shí)際操作中駕駛員往往不能做到鎮(zhèn)定和快速反應(yīng)。

汽車側(cè)翻閾值的主要參數(shù)是汽車的質(zhì)心高度和輪距，質(zhì)心高度隨車型和載貨質(zhì)量變化而變化，而輪距是受最大寬度限制的。所以汽車側(cè)翻穩(wěn)定性控制主要表現(xiàn)在車速控制以及車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）。

參考文獻(xiàn)

[1] 龍致宇.基于TruckSim的半掛汽車列車側(cè)翻控制算法的研究，廣西大學(xué)，2014.

[2] 陳晉榮.基于AR-PNN的重型貨車側(cè)翻預(yù)警研究，長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[3] 張義花，許洪國(guó)，劉宏飛.基于Trucksim的雙掛汽車列車瞬態(tài)側(cè)翻狀態(tài)，吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015-09-01.

[4] 劉洪建.基于TruckSim的罐式半掛汽車列車側(cè)翻狀態(tài)仿真，吉林大學(xué)，2018.

[5] 葉舒鑒.基于TruckSim的重型半掛汽車列車防側(cè)翻控制的研究，廣西大學(xué)，2013.

[6] 張磊，徐曉美，潘健，黎鏡儒，賈志成.半掛汽車列車高速側(cè)傾穩(wěn)定性控制研究，制造業(yè)自動(dòng)化，2019-12-25.

[7] 岑達(dá)希，胡樹根，王耘，宋小文.基于LTR的汽車差動(dòng)制動(dòng)防側(cè)翻動(dòng)力學(xué)研究，機(jī)電工程，2011-05-20.

[8] 糜沛紋，宗長(zhǎng)富，趙漢卿，張不揚(yáng)，鄭宏宇.基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的商用車橫向載荷轉(zhuǎn)移率估計(jì)，汽車技術(shù)，2013-08-24.