轉向型半掛車發展趨勢展望

張雪瑤，馬國棟，顧佳超，金曉華

轉向型半掛車發展趨勢展望

張雪瑤1，馬國棟2，顧佳超1，金曉華1

（1.長春汽車工業高等專科學校機械工程學院，吉林 長春 130000；2.長春富奧石川島增壓器有限公司，吉林 長春 130000）

因為半掛車運輸具有靈活高效特點，在我國公路運輸總量占比逐年增大。國內半掛車發展仍與發達國家存在技術上差距，基于國內半掛車大多數以載重為主，缺乏獨立轉向的情況，文章在現有量產轉向型半掛車結構基礎上，加以運動學分析，并對比不同速度下的轉彎特性，總結不同種類轉向型半掛車特點，為今后半掛車轉型發展提供參考。

半掛車；主動轉向；性能；商用車

前言

半掛車汽車運輸具有高效、經濟性好、維護簡單等特點，在我國公路運輸行業越來越受到客戶與公司的青睞，目前我國公路運輸使用半掛汽車完成的貨物周轉量逐年以10%的同比速度遞增，有力地支持了我國的經濟建設發展。隨著半掛汽車的廣泛應用，一些由半掛汽車自身特性帶來的問題也日益突出。例如半掛汽車載重大，車體長，駕駛員視野有限，橫風效應明顯，轉彎過程容易干涉其它車道等問題亟待解決。縱觀半掛汽車發展歷程，國外發展半掛汽車起步早，在技術上有一定的優勢，在生產和使用中美國和歐盟逐步出臺了一系列標準，來對半掛汽車做出配件和尺寸上的限制。因此歐美半掛車在標準的限制內，對其整體結構不斷改善，尤其是以提高轉向特性為目的的轉向型底盤的提出，有效地減小了轉彎過程中掛車尾部的軌跡偏移和重心偏移引起的側翻傾向。

本文在現有轉向型掛車工作原理基礎上，分析轉向工況下，對比不同類型轉向型掛車技術特點以及最優適用環境，為今后掛車行業轉型發展以及標準制定提供參考。

1 轉向型半掛車原理

由于我國目前標準尚不明確，無法做出明確且統一的分類，因而業內普遍認為半掛車至少有一軸具體轉向能力的半掛車為轉向型半掛車。根據半掛車是否存在剛性軸（一般為半掛車前軸）作為轉向軸可以將半掛車分為隨動轉向型半掛車和主動轉向型半掛車，其中隨動轉向型半掛車根據控制方式的不同分為被動式隨動轉向和主動式隨動轉向。半掛車轉向的主動力由第五軸提供，主動轉向型半掛車的所有車軸均參與到轉向的過程中，相應地，隨動轉向型半掛車只有轉向軸參與轉向過程，其它軸起到承載作用。

最早掛車尾部偏移問題的提出在1988年密西根大學的一項研究中[1]，在此之后，很多科研機構和公司都進行了深入的研究。理論研究方面，1989年，Hata等人提出剛性主動轉向系統的概念，并設計驗證了一個控制器，試驗結果表明對半掛車進行控制可以有效減少占道[2]；2008年，Odhams提出一個旨在提高轉向安全性的掛車主動轉向系統，并與2011年進行試驗驗證系統行之有效[3][4]；2018年劍橋大學de Saxe等人利用最新的虛擬場景建模與現實場景耦合技術，將半掛車車尾軌跡偏差降低到1米以下[5]。在應用方面以ZF，Neoplan，MAN，BPW，Volvo，Kassbohrer等公司均有成熟的轉向型半掛車技術。

2 轉向型半掛車分類

2.1 隨動轉向型半掛車

隨動型半掛車至少有一軸為剛性軸（一般為半掛車前軸）且此軸一般為轉向軸。有效地起到過渡轉彎的作用，避免牽引車與半掛車運動發生干涉，出現拖滑前進的現象，減小輪胎磨損。被動式隨動轉向半掛車使用機械結構達到隨動轉向的目的，主動式隨動轉向半掛車使用電子控制半掛車轉向軸轉向的方式達到轉彎目的。

2.1.1被動式隨動轉向

被動式隨動轉向結構較為典型的有自轉向系統（self- steer system）。自轉向軸機構的工作原理基于主銷的力矩平衡特性實現隨動轉向。主要代表生產廠商有ZF，和MAN，以及BPW的LL系列轉向橋。

如圖1所示，為BPW公司LL系列轉向軸。其實現隨動轉向功能主要依賴于主銷內的相互嚙合的波浪型壓力板。在直行時波浪形壓力板上下嚙合，當開始轉彎后由于兩片發生相對轉動，從而帶動車輪轉向。被動式隨動轉向半掛車具有最大的轉動角度限制，一般不超過22°。

圖1 BPW公司LL系列轉向軸

2.1.2主動式隨動轉向

主動式隨動轉向又可分為指令轉向型（Command steer system）和轉向架型（Pivotal Bogie Systems）。

其中指令轉向型隨動半掛車的后兩軸由原來的承載軸替換為可轉動軸，轉彎過程中輪胎轉角由牽引車和半掛車的鉸接角決定在一定范圍內，可以認為后兩軸輪胎的轉角與鉸接角存在線性關系，公式如下。

其中δ為半掛車第二軸輪胎轉角，a為半掛車鉸接點到第一軸距離，b為半掛車三軸分別間距，為轉彎過程中鉸接角，δ為半掛車第三軸輪胎轉角。由上述關系式可見，指令轉向型半掛車對傳感器，執行器等元器件要求較高。在駛出彎道后，鉸接角不斷減小到0°，輪胎轉角也隨之變為0°。

轉向架型隨動半掛車的轉向架與車體分離，通過球型約束副連接，同時兼顧了水平運動和俯仰運動，能夠使得轉動架與車身緊密接觸。轉動架前軸固定，后兩軸具有轉向功能，因此，可以根據公式（1），推導出一定范圍內轉向架型半掛車輪胎轉角和轉向架角度的公式，如下：

主動轉向型半掛車又稱全輪轉向半掛車，即半掛車上所有輪胎都可以根據指令做出相互獨立的輪胎轉向動作。再具體實施過程中，電子系統根據駕駛員指令，結合實時路況、車速等信息，向機械液壓系統輸出信號，機械液壓系統再根據信號類別分別控制各個輪胎轉向液壓缸的輸出壓力，使半掛車輪胎發生不同角度的轉動，在轉彎過程中最大限度地減小半掛車尾部的偏移，減少輪胎拖滑引起的磨損，降低行駛阻力。如圖2所示kassbohrer的K.sLL3主動轉向型半掛車，轉彎過程中每個輪胎轉向角不同，輪胎轉角向后依次增大，第三軸的輪胎在轉彎過程中獲得最大的轉角以消除半掛車尾部偏移[6]。

3 轉向型半掛車發展趨勢

隨著物流行業的逐漸發展完善和5G網絡的逐步投入使用，在未來V2X技術、高精度地圖技術的推廣，我國傳統半掛車行業可以在這個機遇期進行自身的轉型。傳統的半掛車雖然在未來一段時間內仍然會在我國大范圍使用，但是隨著如GB1589/GB7258等國家標準逐步實施后，勢必要求半掛車生產商向技術創新型、研發主導型靠攏。

半掛車的發展也可以學習外國經驗，根據自身情況，分機械化、信息化、智能化三部走。機械化是指傳統三軸載重式半掛車加入隨動式轉向軸，實現被動式隨動轉向；信息化是指在機械化的基礎上，增加傳感器來對行駛信息實現實時監控，對側翻、折疊等事故作出預警；智能化是指在高度信息化的基礎上，半掛車可以根據牽引車的路徑信息主動進行路面動態識別、最優路徑軌跡選取等。

4 結論

隨著我國交通運輸行業進一步增長，半掛車的運輸量會進一步上升；另一方面，隨著國家逐步施行更加嚴格的半掛車標準，勢必進一步推動半掛車生產行業的轉型，縱觀國外幾十年的技術摸索與積累，隨動型轉向半掛車與主動型轉向半掛車在從生產到使用一系列環節中，各有優劣。鑒于目前國內對轉向型半掛車研究不系統、不成熟的現狀，我國在發展轉向型半掛車過程中，以政策為主導，產學研結合道路會更加有效。

[1] P.S.Fancher,L.Segel.Tracking and Stability Of Multi-Unit Truck Combinations[M].The University Of Michigan Transportation Rese -arch Institute.37-42.

[2] Hata, N., Hasegawa, S., Takahashi, S., Ito, K., and Fujishiro, T., 1989, “A Control Method for4WS Truck to Suppress Excursion of a Body Rear Overhang,” Society of Automobile Engineers, Technical Paper No. 892521.

[3] A.Odhams,R.Roebuck,D.Cebon et al.Dynamic safety of active trailer steering system[J]Proceedings of the Institution of Mechanical Engi -neers,Part K:Journal of Multi-Body Dynamics,2008(4), 367~ 380.

[4] A.Odhams,R.Roebuck,B.Jujnovichet al.Active steering of a tractor- semi-trailer[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engine -ers,Part D:Journal of Automobile Engineering. 2011(7). 847~869.

[5] C.de Saxe,DCebon.Estimation of trailer off-tracking using visual odometry.[J]Vehicle System Dynamics.2018(0)1~25.

[6] 肖棒.重型半掛車主動轉向安全控制的仿真研究[D].江蘇大學,2016.

Development Trend of Steering Semi-trailer

Zhang Xueyao1, Ma Guodong2, Gu Jiachao1, Li Xiaohua1

（1.College of Mechanical Engineering, Changchun Automobile Industry College, Jilin Changchun 130000; 2.Changchun FuaoShichuan Island Supercharger Co., Ltd., Jilin Changchun 130000）

Because of the flexible and efficient characteristics of semi-trailer transportation, the proportion of total highway transportation in China is increasing year by year. The development of domestic semi-trailer still lags behind that of developed countries in technology. Based on the fact that most domestic semi-trailers are mainly loaded and lack of indepen -dent steering, this paper makes kinematics analysis on the basis of existing mass-produced steering semi-trailer structure, compares the turning characteristics at different speeds, summarizes the characteristics of different types of steering semi-trailer, and provides reference for the future transformation and development of semi-trailer.

Semitrailer; Steering; Performance; Commercial Vehicle

U469.6

A

1671-7988(2019)14-247-03

U469.6

A

1671-7988(2019)14-247-03

張雪瑤（1991.1-），女，長春理工大學碩士，教師，就職于長春汽車工業高等專科機械工程學院，研究方向：機械制造、機械精密加工。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.085