載貨車直角彎道通過性仿真研究

李慧勇

摘 ?要：為了提升營運車輛安全性能，有效遏制和減少因車輛主動安全性能不足導致的道路運輸事故，中華人民共和國交通運輸部于2018年2月26日發(fā)布行業(yè)標準JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》，標準中第4.9項要求：載貨汽車在空載狀態(tài)下按照附錄B規(guī)定的試驗方法進行試驗，轉彎通道最大寬度應小于等于5.0m。本文以標準中附錄B《車輛直角彎道通過性試驗方法》為基礎，根據汽車轉向原理，利用數學建模的方式，研究載貨車直角彎道通過性仿真的方法。最后，利用Visual Basic語言設計程序對載貨車直角彎道通過性進行仿真，并將仿真結果與試驗結果進行比較，結果表明該仿真方法是有效的。

關鍵詞：直角彎道;通過性;載貨車;數學建模;迭代計算

中圖分類號：U467.1 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2020）06-0046-06

Abstract： In order to improve the safety performance of operating vehicles and effectively curb and reduce road transport accidents caused by Active safety performance of vehicles， the Ministry of transport of the people's Republic of China issued the industry standard JT / T 1178. 1-2018 Technical Conditions for Operating Trucks Safety Part 1： Trucks on February 26， 2018. In which item 4.9 requests： the truck shall be tested in no-load state according to the test method specified in Appendix B， and the maximum width of turning channel shall be less than or equal to 5.0m. On the basis of Appendix B of the standard， Test Method of Passing Through Right Angle Bend of Vehicle， according to the principle of vehicle steering， using the method of mathematical modeling， this paper studies the simulation method of passing through right angle bend of truck. Finally， using Visual Basic programming language to simulate the right angle bend trafficability of the truck， and by comparing the simulation results with the test results， the results show that the simulation method is effective.

Key Words： Right Angle Bend; Trafficability; Truck; Mathematical Modeling; Iterative Calculation

1 ? ?背景介紹

近年來，道路貨物運輸在綜合交通運輸體系中一直占據著十分重要的位置，在給大家生產生活帶來極大便利的同時，也帶來了諸多問題，尤其是安全事故頻發(fā)導致了大量人員傷亡與財產損失。依據《中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報》的相關數據，2011年～2016年間共發(fā)生死亡3～9人較大級道路交通事故525起，導致死亡2284人、受傷2654人。其中營運貨車肇事產生的交通事故354起，導致死亡1513人、受傷1320人，分別占事故總量的67.4%、66.2%和49.7%。按照營運貨車車輛類型進行統(tǒng)計，普通貨車是肇事車輛的主要車型。由營運貨車引發(fā)的交通事故極其慘烈，對人民的生命和財產安全造成了極其嚴重的損失，人們戲稱大貨車為“大禍車”。

為提升營運車輛安全性能，有效遏制和減少因車輛主動安全性能不足導致的道路運輸事故，中華人民共和國交通運輸部于2018年2月26日發(fā)布行業(yè)標準JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》，標準對車輛的穩(wěn)定性、通過性、安全防護性等性能都提出了較高要求，其中第4.9項要求：載貨汽車在空載狀態(tài)下按照附錄B規(guī)定的試驗方法進行試驗，轉彎通道最大寬度應小于等于5.0m。為了提高車輛本質安全性能、滿足新的法規(guī)要求，節(jié)省研發(fā)、試驗的費用及時間投入，那么研發(fā)初期就必須判斷車輛直角彎道通過性，所以建立一套行之有效的載貨車直角彎道通過性仿真計算方法十分必要。

2 ? ?車輛直角彎道通過性試驗方法

JT/T 1178.1-2018《營運貨車安全技術條件 第1部分：載貨汽車》附錄B中規(guī)定的試驗方法如下：

2.1 ? 試驗道路要求

試驗路面應為平坦、干燥、整潔的鋪裝路面。試驗規(guī)定的路線由三部分組成：直線駛入路段、半徑為12.5m的90°圓弧路段以及直線駛出路段，兩直線路段分別在與圓弧路段的交點處與圓弧相切，如圖1-1所示：

2.2 ? 試驗方法

試驗操作步驟如下：

（a）車輛空載、以直線狀態(tài)停于試驗路面上。沿車輛最外側部位向地面做投影，該投影線為試驗規(guī)定路線中直線駛入路段。

（b）車輛起步，以不超過5km/h的車速由直線行駛過渡到圖1-1所述的直角彎道。

（c）轉彎結束后，試驗車輛應沿直線路段繼續(xù)行駛一段距離，以保證試驗能夠測得車輛的轉彎通道最大寬度。

（d）在駛入、轉彎和駛出過程中應保證車輛前外側在地面上的參考點與規(guī)定路線一致，軌跡偏差不應超過50mm。

（e）記錄車輛內側在地面投影的運動軌跡。上述過程順逆時針各進行一次。

2.3 ? 試驗結果

測量車輛在試驗過程中的轉彎通道最大寬度，試驗結果取順時針和逆時針兩次測試結果的平均值，按GB/T8170修約到小數點后一位，單位為m。

3 ? ?車輛直角彎道通過性仿真計算

3.1 ? 車輛轉向原理

汽車轉向機構的設計都是基于阿克曼理論，其核心是汽車轉向時所有車輪的軸線都相交于一點，各車輪圍繞一個共同的圓心運動，如圖2-1所示。這個共同的圓心即汽車的轉向中心。汽車的轉向中心不是固定不變的，而是隨著轉向輪偏轉角度的變化而變化。但是不管汽車的轉向中心如何變化，汽車后輪（非轉向輪）的瞬時行駛方向永遠垂直于其軸線，如圖2-1中H所示：

3.2 ? 仿真計算方法

因為汽車轉向機構設計是左右對稱的，且仿真計算不會產生左右轉向的偏差問題，所以只需要仿真計算向左或向右轉向即可，以下計算方法選取向左轉向的情況進行仿真研究。另外，該直角轉彎通道外徑與GB 1589中規(guī)定的通道圓外徑一致，所以本文認為該仿真車輛的車輪最小轉向角可以滿足直角轉彎通道的試驗要求。特別說明，本仿真計算方法是基于前輪轉向的載貨汽車建立的。

3.2.1 整車基礎參數

以驅動形式為8×4的載貨汽車為例，將貨箱及駕駛室都簡化為矩形，將整車簡化為圖3-2所示的基本樣式。根據本文2.1.2所述的試驗方法，車輛前外側在地面上的參考點A一定是在車輛最外側部位向地面做的投影線上，所以駕駛室需要簡化為與整車寬度一致的矩形。該基本樣式中的參數L1取0即可表示驅動形式為6×4的載貨汽車，參數L3取0即可表示驅動形式為6×2的載貨汽車，參數L1、L3都取0即可表示驅動形式為4×2的載貨汽車，所以以圖3-2所示的驅動形式為8×4的載貨汽車為基本樣式可以代表當前所有的主流載貨汽車。

3.2.2 全局坐標系建立

根據本文第2章所述的車輛直角彎道通過性試驗方法，以圓弧路段最外側的起點為坐標原點，以進入圓弧的切線方向為X方向，以從原點指向圓弧圓心的方向為Y方向，建立全局坐標系。車輛在初始位置時，車輛前外側在地面上的參考點A與坐標系原點O重合，車輛行駛方向指向X方向，如圖3-3所示：

3.2.3 求取參考點的位置

假設車輛在按照本文第2章所述的車輛直角彎道通過性試驗方法在全局坐標系中行進，在某一狀態(tài)時，車輛前外側在地面上的參考點A的在全局坐標中的坐標為（Xi，Yi）。則根據圖3-3中的幾何關系可得出以下結果：

3.2.4 車輛自身轉向角計算

假設車輛在按照本文第2章所述的車輛直角彎道通過性試驗方法在全局坐標系中行進，在某一狀態(tài)時，車輛自身與初始狀態(tài)時相比轉過的角度，我們定義為車輛自身轉向角（或車輛姿態(tài)）。此時我們以車輛后橋中心點為坐標原點建立局部坐標系OiXiYi，如圖3-4所示，其中 ? ?就是車輛在狀態(tài)i時的車輛自身轉向角。

車輛自身轉向角的求取需要借助兩個上述局部坐標系，如圖3-5所示，狀態(tài)2是車輛由狀態(tài)1按規(guī)定路線在全局坐標系中向前行駛了一定距離d（即A1到A2的距離）后的車輛姿態(tài)。根據車輛轉向原理，當行駛的距離d趨于0時，點O1與點O2的連線會趨于與狀態(tài)1的前進方向重合。根據有限元分析思路，我們將整個試驗路段分成若干個小段，這樣每一小段都可以看作是由圖3-5中的狀態(tài)1行駛到狀態(tài)2，而且段數分的越多則越接近真實狀態(tài)。再根據本文3.2.3中的公式（4）或（5）可以求得點A1與點A2在全局坐標系中的坐標（X1，Y1）（X2，Y2）。

綜上所述，我們可以根據初始車輛位置、初始車輛姿態(tài)及以上公式逐次迭代計算求得整個仿真試驗過程中車輛在全局坐標系中的所有位置及自身轉向角（或車輛姿態(tài)）。

3.2.5 轉彎通道寬度計算

根據上述方法，我們得到了車輛行駛到任意一點時的車輛位置及車輛姿態(tài)，然后將車輛行駛到某一狀態(tài)時的車輛位置及車輛姿態(tài)繪制于全局坐標系中，可得到圖3-6。根據圖3-6中的幾何關系即可求得車輛行駛到該點時車輛最內側與道路最外側之間的距離，即車輛行駛到該點時的轉彎通道寬度Wi。

根據上述公式可求得整個仿真試驗過程中車輛在全局坐標系中所有位置的轉彎通道寬度，而其中數值最大的一個即是該車輛的轉彎通道最大寬度。

4 ? ?載貨車直角彎道通過性仿真程序

本文第3章所述的仿真計算方法需要大量的迭代計算，采用人工計算工作量巨大，因此利用Visual Basic語言設計了程序進行載貨車直角彎道通過性的仿真計算。

4.1 ? 程序簡介

根據上述計算方法設計載貨車直角彎道通過性仿真程序，界面如圖4-1所示。程序界面分為整車參數輸入、精度設置、演示設置、計算結果、操作按鈕五個部分。

整車參數輸入部分用于輸入整車的基本參數及修正系數?？紤]到試驗中車輛前外側參考點的選取和車輛的行駛軌跡都有一定的偏差，而仿真是沒有任何偏差的。為了使計算結果更接近于試驗結果，通過對大量試驗數據分析，在計算程序中增加了修正算法和修正系數。

精度設置部分用于設置程序的計算精度和直線駛出路段長度。計算精度定義為整車前外側參考點A沿圓弧路段行駛時的位置每次在圓弧上變化的角度，無單位，取值范圍為0.01～1。當車輛在圓弧路段行駛時，每次變化的角度θ=計算精度×1°;當車輛在直線駛出路段行駛時，每次變化的長度n=計算精度×100 mm。

演示設置部分用于設置AutoCAD演示車輛仿真試驗過程時是否保留軌跡及顯示軌跡的間隔。軌跡間隔定義為間隔幾個計算精度顯示一次。如圖4-2為保留軌跡時的載貨車直角彎道行駛仿真試驗演示結果。

計算結果部分用于顯示轉彎通道最大寬度的計算結果及修約值結果，并判斷是否滿足法規(guī)要求。程序還顯示了車輛在轉彎通道最大寬度時的位置及姿態(tài)，同時計算了整個試驗過程中車輛尾部的最大外擺值。

操作按鈕部分的四個按鈕分別執(zhí)行校核計算、車輛狀態(tài)數據導出、利用AutoCAD演示、利用AutoCAD繪制車輛在轉彎通道最大寬度時的位置及姿態(tài)這四個功能。

4.2 ? 計算結果與試驗結果比較

利用上述程序對幾款樣本車型的轉彎通道最大寬度進行仿真計算，并經過實際試驗驗證，得到結果如表1所示。

通過對表1中各車型的仿真結果與試驗結果的比較，可以發(fā)現仿真結果與試驗結果基本相同，有少數車型偏差為0.1m。因此，該仿真方法可以在載貨車研發(fā)初期判斷車輛的直角彎道通過性。

5 ? ?結論

車型開發(fā)初期必須對車輛某些性能的進行判斷，以便及時調整車型參數及配置，預防車型開發(fā)后期調整參數及配置帶來的損失。本文通過建立數學模型、設計VB程序仿真計算車輛的直角轉彎通道最大寬度，并通過與試驗結果的對比證明該仿真方法是有效的，為車型開發(fā)初期判斷車輛的直角彎道通過性提供了一種有效方法。

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