汽車列車主動安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀綜述＊

盛智權(quán)，王世成

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

汽車列車主動安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀綜述＊

盛智權(quán)，王世成

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

汽車列車是由一輛牽引車與多輛掛車組合而成的，具有裝載量大、運輸成本低的優(yōu)點，將逐漸成為公路運輸?shù)闹饕囆?。汽車列車也存在一系列亟待解決的問題。由于汽車列車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和質(zhì)心高，具有低速機動性差和高速不穩(wěn)定現(xiàn)象。高速行駛安全性已經(jīng)成為制約汽車列車公路運輸發(fā)展的瓶頸。文章簡要介紹了主動安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，這對設(shè)計和開發(fā)汽車列車橫向穩(wěn)定性和機動性控制系統(tǒng)起著推動作用。

車列車主動安全系統(tǒng)；主動轉(zhuǎn)向控制；差動制動控制

CLC NO.:U461.91 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-06-04

引言

近年來，隨著我國高速公路的建設(shè)和物流運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，對汽車列車的需求呈現(xiàn)強勁的增長勢頭。與傳統(tǒng)的單節(jié)掛車相比，多節(jié)掛車可以極大地提高燃油經(jīng)濟性并降低溫室氣體排放[1]，更能提高公路運輸?shù)木C合經(jīng)濟效益。汽車列車在高速公路運輸上的應(yīng)用將越來越廣泛，但汽車列車由牽引車和多節(jié)掛車通過機械鉸鏈連接，列車冗長且有多個非轉(zhuǎn)向軸，因此存在低速機動性差、高速行駛不穩(wěn)定等問題[2]。由于汽車列車的機動性差和穩(wěn)定性低，在高速公路運輸過程中會相對頻繁地引起交通事故，給交通運營和公路設(shè)施帶來嚴(yán)重的破壞。采取有效的技術(shù)手段和方法來提高汽車列車的低速機動性和高速行駛的穩(wěn)定性，減少汽車列車在高速公路的交通事故率是汽車技術(shù)發(fā)展的一個重要研究方向。本文對汽車列車主動安全系統(tǒng)進行研究，簡要介紹掛車的主動轉(zhuǎn)向控制和差動制動控制，提高汽車列車的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。

1 研究背景

汽車列車的出現(xiàn)大大地提高了運輸效率，與此同時帶來了一定的安全性隱患。相比單單元載貨車輛，汽車列車更容易出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象；同時兩部分鉸接體之間的相互作用使得整車的橫擺穩(wěn)定性問題較單體車更為復(fù)雜[1]。更嚴(yán)重的是，由于汽車列車的體積質(zhì)量大，一旦在公路上出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，很容易波及到車流中其他正常行駛的車輛，造成連環(huán)惡性事故。

圖1 奔馳三掛汽車列車

圖2 沃爾沃雙掛汽車列車

汽車列車是由一輛牽引車與一輛或一輛以上的掛車組合而成的，如圖1和2所示，不同的組合可以構(gòu)成汽車列車、全掛汽車列車、雙掛汽車列車等多種拖掛運輸方式。在我國，汽車列車以其裝載量大、運輸成本低，具有甩掛運輸、區(qū)段運輸、滾裝運輸?shù)葍?yōu)點，已成為公路運輸?shù)闹饕囆蚚3]。汽車列車具有很多優(yōu)勢且受用戶歡迎，但傳統(tǒng)汽車列車具有很多不足。首先，由于掛車較長，轉(zhuǎn)彎時掛車車軸中心相對于第五輪軌跡有較大的偏移，造成了車輛占道較大，以至于在較窄的道路無法實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)彎。其次，在低速轉(zhuǎn)向時，傳統(tǒng)汽車列車會產(chǎn)生較大的側(cè)向力，甚至產(chǎn)生的側(cè)向力達(dá)到輪胎附著力極限致使滑動，這樣將加速輪胎磨損和損壞路面。最后，由于掛車質(zhì)心高、后端放大率大且牽引車和掛車之間相互耦合，極易發(fā)生側(cè)翻、擺振和折疊等事故[4]。汽車列車在公路運輸具有很重要的作用，又面臨了這些亟待解決的問題，其低速轉(zhuǎn)彎和中高速穩(wěn)定控制問題已成為世界各大生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)關(guān)注的熱點。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在汽車列車穩(wěn)定性控制方面，國外已進行大量理論和試驗研究。所采用硬件策略主要包括半主動/主動懸架系統(tǒng)、主動橫向穩(wěn)定桿、后軸主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、基于差動制動的車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。乘用車和重型商用車制動方面存在巨大的差別，具體表現(xiàn)為更長的制動距離、更慢的制動反應(yīng)、更大的動能且存在折疊的危險[5,6,7]。駕駛員通過操作制動踏板表達(dá)制動需求，制動策略控制各種閥體使氣體最后進入制動氣室進行車輛制動[8]。在歐洲和亞洲，重型商用車牽引車的前軸、后軸和掛車軸制動力分配與載荷無關(guān)，采用規(guī)定比例關(guān)系進行控制。各軸制動力分配不考慮載荷分布情況無法實現(xiàn)最優(yōu)制動力分配[9]。鑒于此，新型制動策略利用載荷傳感器來監(jiān)測載荷變化，并依據(jù)此時載荷狀態(tài)決定制動力分配，實現(xiàn)了制動力分配與車輛載荷匹配，實現(xiàn)最優(yōu)制動力分配控制[10,11]。同時，沒有駕駛員制動控制時，EBS策略能夠?qū)崿F(xiàn)主動制動，為ESC和其他主動控制策略提供了硬件基礎(chǔ)[12,13]。

2.1 國外主動安全系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀

1998年，Erwin Petersen介紹了WABCO的側(cè)傾穩(wěn)定控制系統(tǒng)（RSC）、掛車穩(wěn)定性支持系統(tǒng)(RSS)和電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）。RSC系統(tǒng)利用ABS硬件策略，對牽引車的側(cè)向加速度進行檢測。當(dāng)車輛出現(xiàn)危險時，對車輪進行差動制動并減小發(fā)動機輸出扭矩，實現(xiàn)防止車輛側(cè)翻的目的。掛車穩(wěn)定性支持系統(tǒng)(RSS)基于掛車EBS系統(tǒng)硬件，針對掛車獨立工作設(shè)計的控制系統(tǒng)[14]。RSS策略相對于EBS策略，不需要添加其他硬件。與RSC相似，RSS系統(tǒng)監(jiān)測車輛側(cè)向加速度和車輪滑移率，出現(xiàn)危險時立即對相應(yīng)車輪施加制動從而減小整車發(fā)生側(cè)翻的幾率。ESC電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過檢測牽引車橫擺角速度與理想橫擺角速度之間的差值，一旦實際值不在理想值波動范圍內(nèi)，即激發(fā)ESC系統(tǒng)，通過差動制動實現(xiàn)橫擺角速度修正。汽車列車的ESC系統(tǒng)和乘用車的ESC系統(tǒng)的不同之處在于：汽車列車ESC系統(tǒng)除了能夠解決由于牽引車的過度轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向造成的整車橫擺穩(wěn)定性問題，更重要的是能避免整車發(fā)生側(cè)翻和折疊。因此，掛車ESC系統(tǒng)的性能和復(fù)雜性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乘用車ESC系統(tǒng)[15]。2000年，Eisele 和Peng提出了汽車列車的車輛動態(tài)控制策略。該控制策略對每個車輪單獨進行控制以直接控制車輛橫擺運動，從而防止車輛的折疊和增強側(cè)翻穩(wěn)定性[16]?？刂撇呗圆捎玫氖瞧嚵熊囈褬?biāo)配的制動系統(tǒng)，不需要增加附加硬件，具有良好實車運用性。但掛車質(zhì)心位置高，若制動力施加不合理，會直接造成車輛折疊。鑒于此，控制策略需要非常精確地匹配才能夠?qū)崿F(xiàn)對汽車列車準(zhǔn)確控制[17]。2008年，Nasser Lashgarian Azad等在建立汽車列車四自由度簡化模型基礎(chǔ)上，提出了基于橫擺力矩控制，采用自適應(yīng)控制算法實現(xiàn)差動制動。該控制策略結(jié)合Trucksim軟件進行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明：該算法可以有效提高車輛行駛穩(wěn)定性[17]。2013年，Jonathan I.Miller等基于車輪滑移率進行重型車輛動態(tài)控制，并根據(jù)控制效果開發(fā)了新型ABS閥。文章創(chuàng)新點在于基于滑移率控制的控制策略，并進行了氣壓制動閥體延遲研究[18]。

2.2 國內(nèi)主動安全系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)越來越多的乘用車安裝了ESC系統(tǒng)，但是汽車列車的行駛穩(wěn)定性研究較乘用車而言起步稍晚，研究成果較少。國內(nèi)對汽車列車的研究主要集中在橫擺和側(cè)傾機理分析、動力學(xué)建模與仿真及控制方法相關(guān)研究，但進行實車試驗或硬件在環(huán)實驗研究較少。隨著國內(nèi)汽車列車制造企業(yè)與國外相關(guān)企業(yè)技術(shù)交流、合資合作的加強，以及國內(nèi)汽車列車企業(yè)為增強競爭力、爭奪市場份額，汽車列車核心技術(shù)的研發(fā)工作受到廣泛的重視，在汽車舒適性、安全性、動力性、經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性等方面取得了一定的進步，但與國外相比還有一定的差距。

2004年，何峰等人在建立重型載貨車的側(cè)翻簡化模型基礎(chǔ)上，從理論上分析了側(cè)翻穩(wěn)定性，并利用靜態(tài)側(cè)翻模型確定了側(cè)翻閾值，采用差動制動控制策略實現(xiàn)了側(cè)翻穩(wěn)定性控制[19,20,21]。2007年，于堯?qū)ζ嚵熊噦?cè)傾和橫擺穩(wěn)定性機理進行了分析，利用ADAMS建立了汽車列車模型并對極限工況進行仿真。驗證了模型在仿真大質(zhì)心側(cè)偏角、大橫擺角速度和大側(cè)向加速度的極限工況下的有效性和可靠性。利用差動制動的控制策略降低了汽車列車側(cè)翻、折疊和掛車擺振三種失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生的機率[22]。李開軍等建立了汽車列車制動仿真模型，分析了制動過程中制動減速度對載荷轉(zhuǎn)移的影響，以及載荷轉(zhuǎn)移對車輪抱死順序的影響，并研究了ABS布置形式對汽車列車制動性能的影響[23]。2009年，黃乾生先建立了單體牽引車的二自由度平面參考模型，應(yīng)用LQR方法實現(xiàn)了橫擺力矩的最優(yōu)補償，同時利用差動制動控制對目標(biāo)車輪分配橫擺力矩，并設(shè)計PD控制器使制動輪的滑移率在最優(yōu)滑移率附近，保證制動輪能最大程度利用地面附著條件[24]。2010年，朱天軍在建立簡化模型基礎(chǔ)上，提出了基于LQR最優(yōu)控制的汽車列車多目標(biāo)控制策略，通過選定多個車輛狀態(tài)為控制目標(biāo)，利用差動制動方式實現(xiàn)了重型車輛橫擺和側(cè)翻控制。通過仿真研究結(jié)果表明，重型車輛多目標(biāo)控制策略能夠?qū)χ匦蛙囕v進行有效控制[25]。2014年，高紅博建立了包含載荷轉(zhuǎn)移在內(nèi)的汽車列車19自由度動力學(xué)模型，并利用Matlab/Simulink完成了仿真模型的構(gòu)建。然后依據(jù)汽車列車行駛特點，搭建了VBOX Ⅲ、陀螺儀、汽車操縱力角測量儀、制動踏板計和制動觸發(fā)條組成的汽車列車行駛穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)。然后制定了汽車列車穩(wěn)態(tài)圓周運動和定半徑轉(zhuǎn)彎制動的試驗方案，通過實車道路試驗，驗證了所建模型的可靠性。最后結(jié)合汽車列車轉(zhuǎn)彎制動的動力學(xué)特性，在控制輪胎最佳滑移率的基礎(chǔ)上，以差動制動為主要執(zhí)行方式，采用多目標(biāo)參數(shù)的LQR最優(yōu)主動控制策略，改善了汽車列車的方向穩(wěn)定性控制[26]。

3 穩(wěn)定性控制

目前汽車列車一般采用差動制動、主動轉(zhuǎn)向和主動懸架技術(shù)等進行防側(cè)翻控制。差動制動側(cè)翻控制與主動轉(zhuǎn)向和主動懸架控制相比在實際中容易實現(xiàn),隨著研究的深入可利用成熟的ABS、EBD、ESP等技術(shù)實現(xiàn)對每個車輪制動力分配控制，無需增加額外的硬件成本，所以受到科研人員和廠商關(guān)注。

3.1 主動轉(zhuǎn)向

主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)能夠有效地改善車輛的機動性和操縱穩(wěn)定性，但主要應(yīng)用于乘用車，很少在 汽車列車 中應(yīng)用。在汽車列車中引入掛車主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，將掛車車軸設(shè)計成主動控制的轉(zhuǎn)向軸，能有效地減少輪胎的滑磨，改善低速行駛的機動性和提高高速行駛的穩(wěn)定性。本單位提出了一種掛車主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計方法如圖3所示，并根據(jù)該方法設(shè)計了一種汽車列車的主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩種控制模式：1）低速機動性控制模式，旨在改善汽車列車的機動性；2）高速穩(wěn)定性控制模式，目的在于提高汽車列車的橫向穩(wěn)定性。數(shù)值和實時仿真結(jié)果表明，在典型的運行工況下，該主動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)能有效地提高汽車列車的高速穩(wěn)定性和低速機動性。

圖3 汽車列車主動轉(zhuǎn)向控制框架

3.2 差動制動

采用差動制動能有效地控制傳統(tǒng)鉸接車輛的橫擺運動。鉸接車輛的不穩(wěn)定運動形式包括掛車折疊，掛車擺尾和側(cè)翻。這些不穩(wěn)定的運動形式直接與掛車的橫擺運動相關(guān)。當(dāng)相鄰車輛單元間的鉸接角過大并且無法控制時，掛車折疊現(xiàn)象將會發(fā)生。掛車橫擺是一種橫向振動，且這種橫擺運動具有從鉸接車輛前端向后端逐漸放大的特性，即相比前面的車輛單元，最后一節(jié)掛車具有最大的側(cè)向加速度。因此，最后一節(jié)掛車往往最先側(cè)翻。鉸接車輛的側(cè)翻很大程度上取決于這一獨特的特性。掛車差動制動控制可以防止或減少這些不穩(wěn)定運動的發(fā)生概率。然而，對差動制動技術(shù)的研究和應(yīng)用主要局限于乘用車和傳統(tǒng)的單節(jié)半掛鉸接車。目前，這一技術(shù)在多拖掛列車上的應(yīng)用和研究還不夠深入和完善。

4 結(jié)束語

汽車發(fā)展到今天已成為機-電-液-信息等多學(xué)科的應(yīng)用和研發(fā)的一個載體,然而對汽車設(shè)計方法研究的步伐已跟不上汽車新技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的速度。傳統(tǒng)的汽車設(shè)計方法對駕駛員、汽車運用以及運行工況的研究還不夠深入。掛車的主動轉(zhuǎn)向和差動制動集成控制技術(shù)是汽車列車主動安全性研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。通過深入研究汽車列車操縱性、穩(wěn)定性和機動性的特點和性能要求，將掛車的差動制動與主動轉(zhuǎn)向綜合利用，互相補償，確保汽車列車在不同路況、不同行使工況和駕駛員的操縱下，最大限度地保證各節(jié)掛車的穩(wěn)定性、路經(jīng)跟蹤能力和牽引車的操控性，才能獲得汽車列車最優(yōu)的主動安全性能。

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Overview on Active Safety Systems of Multi-TrailerActivated Heavy Vehicles

Sheng Zhiquan, Wang Shicheng
（School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002）

A multi-trailer articulated heavy vehicle usually consists of tractor andtwo or more trailers. With the load capacity, the advantages of low transport costs, it will become the main vehicle transport models. At present, there are a series of problems to be solved in the vehicles. Because of the large sizes, the highCGs and the complex configurations of vehicles, these vehicles exhibit poor maneuverability and low lateral stability. Safety has become a bottleneck restricting the development of road transport. This paper briefly introduces the current situation of active safety system. Itis important to design and develop embedded controlsystems to improve the lateral stability and the maneuverability.

Active safetysystems; Active steering control; Differential braking control

U461.91

A

1671-7988 (2017)15-06-04

盛智權(quán)（1992-），男，碩士生，就職于湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院。從事汽車動力學(xué)與控制研究。王世成（1991-），男，碩士生，就職于湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院。從事汽車動力學(xué)與控制研究?；痦椖浚貉芯可鷦?chuàng)新基金項目（Y2016316）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.003