基于TruckSim的半掛汽車列車轉向特性的仿真分析

龍佳慶， 韋超毅

(1.柳州職業技術學院　汽車工程系， 廣西　柳州　545005；2.廣西大學　機械工程學院， 廣西　南寧　530004)

?

基于TruckSim的半掛汽車列車轉向特性的仿真分析

龍佳慶1， 韋超毅2

(1.柳州職業技術學院汽車工程系， 廣西柳州545005；2.廣西大學機械工程學院， 廣西南寧530004)

通過TruckSim軟件建立半掛汽車列車整車仿真模型，分別改變半掛汽車列車參數對車輛進行穩態回轉仿真試驗，以研究不同結構參數對半掛汽車列車轉向特性的影響。結果表明：適當的增加牽引車的質量、加長牽引車軸距、加長掛車車軸距牽引車前軸距離、降低掛車質量、縮短牽引車鉸接點到前軸的距離，會增加不足轉向特性的趨勢。

半掛汽車列車；TruckSim軟件；穩態回轉試驗；轉向特性

半掛汽車列車在現代中長距離公路運輸中的作用日益增加，但其具有縱向尺寸長、輪距小、整車質心高、載重量大的特點，在行駛過程中，其操縱穩定性極限較低。半掛汽車列車在高速時，極易受轉彎、超車、變道、路面不平等狀況的影響，形成很大的橫向垂直載荷轉移狀況，這種情況發生的時侯，半掛汽車列車的操縱穩定性會急劇下降，極易發生交通事故[1-3]。

因此，對半掛汽車列車的操縱穩定性進行研究越來越重要。由于半掛汽車列車自身的特點，以及場地、設備等試驗條件的限制，很難對半掛汽車列車進行實車試驗，而且實車試驗的危險性較大。對于半掛汽車列車來說，更多的是用計算機仿真分析，從而得到一些在實車試驗中無法測量，又能評價其操縱穩定性的重要指標。

1　半掛汽車列車整車建模

在Trucksim軟件中，構建集整車外形，轉向、動力傳動、制動系和行駛系三大部分組成整車動力學模型，結合半掛汽車列車的操縱穩定性的試驗方法，設置環境參數和路面參數。

表1　主要車體參數的組成

2　穩態回轉試驗的仿真

穩態回轉試驗的主要目的是測試車輛的穩態特性，即所謂的穩態轉向特性。根據不同的穩態特性，可以分為不足轉向、中性轉向和過度轉向。由于過度轉向會有失去穩定性的危險，而中性轉向在行駛條件稍微有變化的情況下容易變成過度轉向，所以汽車都應該具有適度的不足轉向特性。

通過TruckSim軟件建立半掛汽車列車仿真模型，固定方向盤轉角，即給定方向盤一個恒定的轉角，模擬車速先從較低的穩定車速5 km/h運行，然后以縱向加速度不超過0.25 m/s2的速度遞增，一直到側向加速度達到6.5 m/s2或出現不穩定狀態。穩態回轉試驗的行駛速度隨時間的遞增關系如圖1所示，運動軌跡如圖2所示。

圖1　穩態回轉試驗目標速度曲線　　　　　　　　　　　　圖2　牽引車質心行駛軌跡曲線

3　分析不同參數對車輛轉向特性的影響

為了分析車輛質量、牽引車的軸距、牽引車鉸接點到前軸的距離、掛車車軸距牽引車前軸的距離的變化對半掛汽車列車轉向特性的影響，穩態回轉仿真試驗中保持其他參數不變，分別變動車輛質量、改變牽引車的軸距、調整牽引車鉸接點到前軸的距離和變化掛車車軸距牽引車前軸的距離，根據仿真得到的車輛行駛軌跡，分析以上四個參數變化對轉向特性的影響。

3.1質量的影響

為了研究質量對半掛汽車列車轉向特性的影響，分別改變牽引車質量和掛車質量，保持其他參數不變，使用TruckSim軟件對其進行穩態回轉仿真試驗，仿真試驗條件與初始穩態回轉試驗一致。

首先，保持掛車質量不變，只改變牽引車質量，分別設定牽引車質量為4 500 kg、6 500 kg、8 500 kg，通過穩態回轉試驗得到仿真試驗結果曲線進行對比，分析牽引車質量對半掛汽車列車轉向特性的影響，其仿真結果如圖3所示。

圖3不同牽引車質量下牽引車質心行駛圓周軌跡曲線圖4不同掛車質量下的牽引車質心行駛圓周軌跡曲線

分析圖3可知，穩態回轉試驗中，在同樣的仿真條件下，牽引車的質量從4 500 kg增加到6 500 kg、8 500 kg，車輛的轉彎半徑會不同程度的變大，說明隨著牽引車質量增加，會一定程度上增加車輛的不足轉向特性。

繼而保持牽引車的質量不變，只改變掛車質量，分別設定為15 000 kg、18 000 kg、22 000 kg，通過仿真試驗結果曲線進行對比，剖析掛車質量對轉向特性的影響。仿真數據如圖4所示。

圖4數據表明，掛車的質量從15 000 kg增加到18 000 kg、22 000 kg，車輛的轉彎半徑會不同程度的減小，即隨著掛車質量的增加，會在一定程度上降低車輛的不足轉向特性。

因此，適當的增加牽引車質量或減少掛車質量，有助于增加半掛汽車列車的不足轉向特性[4-5]。

3.2牽引車軸距的影響

分別改變牽引車第二軸和第三軸到第一軸的距離，進行穩態回轉試驗，仿真試驗條件與初始穩態回轉試驗保持一致。分別設定第二軸到第一軸的距離為3.5 m、4 m、4.5 m，第三軸到第一軸的距離為4.5 m、5 m、5.5 m，通過穩態回轉試驗得到仿真試驗結果曲線進行對比，分析牽引車的軸距對半掛汽車列車轉向特性的影響。

圖5是仿真試驗結果，圖中a12表示第二軸到第一軸距離，a13表示第三軸到第一軸距離。

從圖5可以看出，在其他條件相同的情況下，隨著牽引車軸距的增加，穩態回轉試驗的行駛軌跡圓半徑變大的趨勢增大，從一定程度上說明，牽引車軸距的增加，提高了半掛車汽車列車的不足轉向特性，對操縱穩定性的提高有明顯影響。

3.3牽引車鉸接點到前軸距離的影響

保持仿真試驗條件與初始穩態回轉試驗一致，進行半掛車汽車列車的穩態回轉試驗，設定牽引車第二軸至前軸的距離為3.5 m，第三軸至前軸距離為4.77 m。只改變牽引車鉸接點到前軸距離，記為L1，分別設定為3.5 m、4 m、4.5 m。仿真結果見圖6。

圖5　不同牽引車軸距下牽引車質心行駛圓周軌跡曲線

圖6　不同牽引車鉸接點到前軸距離下的牽引車質心行駛圓周軌跡曲線

從圖6可以看出：在其他條件相同的情況下，牽引車鉸接點到前軸距離從3.5 m增加到4 m、4.5 m，穩態回轉試驗的行駛軌跡圓半徑在變小。從一定程度上說明，牽引車鉸接點到前軸距離的增加，降低了半掛汽車列車的不足轉向特性，呈現了過度轉向特性。因此適當減少牽引車鉸接點到前軸距離對提高其操縱穩定性有幫助。

圖7　不同掛車車軸距前輪距離下牽引車質心行駛圓周軌跡曲線

3.4掛車車軸距牽引車前軸距離的影響

仿真條件與初始穩態回轉試驗一致，只改變掛車車軸距前輪的距離，其他參數不變。掛車第一軸到牽引車前軸的距離記為A1，分別取值6.5 m、7 m、7.5 m；第二軸距其距離記為A2，分別取值7 m、8.2 m、9.4 m；第三軸距其距離記為A3，分別取值7.5 m、8.7 m、9.9 m。通過穩態回轉試驗得到仿真試驗結果曲線進行對比，分析掛車車軸距牽引車前軸的距離對半掛汽車列車轉向特性的影響。試驗結果見圖7。

分析圖7，在其他條件相同的情況下，隨著掛車車軸距前輪的距離A1、A2、A3的值不斷增加，穩態回轉試驗的行駛軌跡圓半徑從98.10 m增加到99.82 m和101.48 m，可見其半徑在逐漸變大，從一定程度上說明，掛車車軸距牽引車前軸距離的增加，增加了半掛汽車列車的不足轉向特性。

4　結論

車輛質量、牽引車的軸距、牽引車鉸接點到前軸的距離、掛車車軸距牽引車前軸距離的改變都不同程度的對半掛汽車列車穩態轉向特性有影響，其中，增加牽引車質量、降低掛車質量，適當的增大牽引車軸距、加長掛車車軸距牽引車前軸的距離，減少牽引車鉸接點到前軸的距離，可增加半掛汽車列車的不足轉向特性。這給半掛汽車列車的操縱穩定性提供了明確的設計思路。

[1]楊秀建，康南，李西濤．半掛汽車列車橫向失穩的非線性動力學機制[J]．機械工程學報，2012，48(8)：79-89.

[2]Adrian Simms,David Crolla.The Influence of Damper Properties on Vehicle Dynamic Behaviour[R].SAE Technical Paper，2002-03-04.

[3]王德杉，謝進榮．半掛汽車列車穩態轉向特性的研究[J]．汽車工程，1989(3)：67-73.

[4]王偉，唐應時，李俊偉等．應用ADAMS的半掛牽引車操穩性研究[J]．現代制造工程，2013(9)：7-11.

[5]朱天軍，李飛，宗長富．等重型半掛車多目標穩定性控制策略[J]．農業機械學報，2011，42(12)：32-37.

[Abstract]the model of the semi-dragging trucks was built by the software called TruckSim, and different parameters of the semi-dragging trucks were used to do the simulation of the steady static circular test in order to research the influence of the semi-dragging trucks by changing different structure parameters. The results show that it can improve the lack of the steering characteristic by properly adding the weight of the tractor, lengthening the wheel base of the tractor, lengthening the distance between the car axle and the front wheel of the trailer, reducing the weight of the trailer, and reducing the distance between the hinged joint and the front wheel of the tractor.

[Key words]the semi-dragging trucks; TruckSim; the steady static circular test; the steering characteristic

[責任編輯劉景平]

Simulation Analysis of the Steering Characteristics of Semi-dragging Trucks Based on TruckSim

LONG Jia-qing1， WEI Chao-yi2

(1.Department of Automotive Engineering, Liuzhou Vocational & Technical College, Liuzhou,Guangxi 545005, China;2.School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China)

U463.4；U469.5

A

1672-9021(2016)02-0079-05

龍佳慶(1983-)，女，廣西柳州人，柳州職業技術學院汽車工程系講師，主要研究方向：汽車運用技術。

廣西高校科學技術研究基金重點資助項目(2013ZD002)。

2016-03-15