滑移率控制對改善重型汽車轉向制動穩(wěn)定性的仿真研究

張婷婷，賈會星，楊章林

(滁州職業(yè)技術學院 機械與汽車工程學院，安徽 滁州 239000)

重型汽車在緊急轉向制動時，容易失去行駛穩(wěn)定性，發(fā)生側翻事故造成經濟損失和人員傷害，對重型汽車緊急轉向制動過程進行研究有重要意義。實車試驗由于經濟成本和人員安全的因素實施困難，采用車輛動力學仿真軟件進行動態(tài)仿真可以節(jié)約研究成本，縮短研究時間，避免實車試驗的危險〔1〕。

文章通過建立重型汽車轉向制動行駛的動力學模型，并結合車輛動力學仿真軟件TruckSim進行仿真〔2〕，研究重型汽車緊急轉向制動過程中，制動車輪滑移率控制對其行駛穩(wěn)定性的影響。

1 重型汽車轉向制動工況的動力學分析

圖1為重型汽車轉向制動的動力學分析示意圖，首先建立坐標系，以重型汽車質心為坐標原點，前進方向為坐標軸X方向，轉向側為Y軸方向，Z軸為重型汽車質心指向上方〔3-4〕。由圖1的受力平衡分析，可得公式(1)—(5),由其幾何關系，可得公式(6)、(7)，根據車輪滑移率的定義可得公式(8)〔5-6〕。

圖1 轉向行駛的力學分析

由X軸方向受力平衡，可得：

sinδ+Fxrl+Fxrr

(1)

由Y軸方向受力平衡，可得：

cosδ+Fyrl+Fyrr

(2)

由繞Z軸力矩平衡，可得：

(3)

由各車輪的力矩平衡，可得：

(4)

各車輪所受的地面垂直反力為：

(5)

四個輪胎的側偏角分別為：

(6)

各車輪沿X軸的速度為：

(7)

由公式(7)可得各車輪滑移率：

(8)

公式中各符號的含義如表1所示。

表1 公式中各符號的含義

2 基于trucksim的轉向制動工況仿真

為了提高仿真的精確度，這里使用Trucksim軟件里經過驗證的Conventional Van重型汽車模型參數來進行仿真〔7〕，其主要參數如表2所示。

表2 仿真整車主要參數

續(xù)表2

仿真的道路環(huán)境設置為半徑為150 m的圓形單車道，路面附著良好，附著系數取0.75。重型汽車以75 km/h的車速在車道上轉向行駛，行駛2秒后進行緊急制動，一種制動采用常規(guī)液壓制動，制動時直接將制動壓力加到最大，使制動車輪抱死〔8〕；另一種制動方式采用單通道ABS對其車輪的滑移率進行控制〔9〕，使滑移率保持在10%～20%。制動時對制動主缸施加了15 MPa的制動壓力，如圖2所示。常規(guī)制動的輪缸壓力和采用滑移率控制的單通道ABS控制的輪缸壓力變化情況如圖3所示。

圖2 制動主缸制動壓力

圖3 制動輪缸制動壓力

仿真過程中，車身簧載質量的側傾角、橫擺角、橫擺角速度的變化情況如圖4、圖5、圖6所示。車輛質心的橫向加速度、車軸的側傾角、車輛的橫向滑移量如圖7、圖8、圖9所示。車輛的仿真動畫演示如圖10所示。

圖5 車身簧載質量的橫擺角

圖6 車身簧載質量的橫擺角速度

圖7 車輛質心的橫向加速度

圖8 車軸的側傾角

圖9 車輛的橫向滑移軌跡

3 仿真結果分析

由圖4可以看出在開始制動的瞬間采用常規(guī)制動方式的車身簧載質量側傾角變化幅度很大，并出現了負值，表明車身發(fā)生了反向擺動，有失穩(wěn)的危險；有滑移率控制的制動車身簧載質量側傾角幅度變化緩和，并最終穩(wěn)定在了0度附近。

圖4 車身簧載質量的側傾角

圖5可以看出兩種制動方式的車身簧載質量橫擺角變化差異不大，有滑移率控制制動方式的車身簧載質量橫擺角略微平緩一些。

圖6可以看出有滑移率控制制動方式的車身簧載質量橫擺角速度在制動開始后變化幅度較常規(guī)制動略微大一些，但由于數值較小，兩者差異不顯著。

圖7可以看出在制動開始后的瞬間，常規(guī)制動的車輛質心橫向加速度下降很快，車身出現了擺動，而在停車瞬間車輛質心橫向加速度迅速上升至0.4 g左右，發(fā)生劇烈的擺動，出現了失穩(wěn)的現象。而有滑移率控制的制動，其車輛質心橫向加速度波動較小，最終穩(wěn)定在0 g左右，說明有滑移率控制的制動車輛車身行駛穩(wěn)定性明顯優(yōu)于常規(guī)制動〔10〕。

圖8可以看出，在制動開始瞬間，常規(guī)制動的車軸側傾角發(fā)生了劇烈振蕩，車軸在行駛中出現了失穩(wěn)的危險。有滑移率控制的制動車軸側傾角變化幅度小，較為緩和，其穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)制動。

圖9中從車輛的橫向滑移軌跡可以看出，有滑移率控制的車輛在制動過程中，基本保持在目標車道上行駛，而常規(guī)制動的車輛偏離了目標車道5 m，已經滑出了車道，如圖10所示。

圖10 車輛的仿真動畫演示

4 結論

通過Trucksim軟件對某款重型汽車在轉向制動工況采用兩種不同制動方式進行了仿真對比，由仿真結果可以得出：

(1)重型汽車在轉向制動時，有滑移率控制的制動和常規(guī)制動的車身簧載質量橫擺角，橫擺角速度差別不大。

(2)有滑移率控制制動的車身簧載質量側傾角、車輛質心的橫向加速度、車軸的側傾角變化幅度要遠小于常規(guī)制動。常規(guī)制動下，車輛在制動開始和停車瞬間車身簧載質量側傾角、車軸的側傾角、車輛質心的橫向加速度發(fā)生較大振蕩，車身會發(fā)生劇烈擺動，有失穩(wěn)危險。

(3)在制動過程中，有滑移率控制制動的車輛能保持在目標車道行駛，而常規(guī)制動車輛會發(fā)生橫向滑移，幅度較大，有導致車輛滑出車道的危險。

綜上所述，重型汽車在轉向制動行駛時有滑移率控制的制動方式能顯著改善重型汽車轉向制動行駛的安全性和穩(wěn)定性。