縱向質(zhì)心位置對中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性影響

張義花 趙東 楊玉娥 安延濤

摘要：為提高中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性，根據(jù)TruckSim軟件構(gòu)建卡車-中置軸掛車模型，包括輪胎模型、載荷模型、道路模型，進行整車在空載和滿載下的雙移線工況仿真分析。根據(jù)各個狀態(tài)變量的變化趨勢，得知中置軸掛車是引起整車失穩(wěn)的主要因素，并得到側(cè)傾角速度和質(zhì)心側(cè)偏角對評價中置軸掛車質(zhì)心位置變化時的穩(wěn)定性更為有效的結(jié)論。通過改變中置軸掛車的縱向質(zhì)心位置，即質(zhì)心前移、質(zhì)心不變、質(zhì)心后移的對比分析，得到質(zhì)心前移0.2 m時，是整車發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)的臨界條件。中置軸掛車滿載時的縱向質(zhì)心位置與其車軸距離在前移0.45 m，后移0.2 m的范圍內(nèi)時，可保證整車在平直路面上穩(wěn)定行駛。該研究可為中置軸掛車的安全運輸提供參考。

關(guān)鍵詞：交通安全卡車-中置軸掛車縱向質(zhì)心位置橫向穩(wěn)定性

中圖分類號：U469.5+2文獻標識碼：A文章編號：1004-0226（2019）02-0084-05

前言

隨著GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》修訂及實施，中置軸掛車因具有運輸效率高、成本低、轉(zhuǎn)彎半徑小、底盤低等優(yōu)點，將成為轎運車的主流運輸形式”[1]。由于中置軸掛車存在前后載荷易失去平衡、杠桿效應(yīng)，以及側(cè)翻、蛇形失穩(wěn)、耦合器磨損等缺陷[2-3]，使得其行駛安全性下降，并對道路上行駛的其他車輛構(gòu)成安全隱患。因此，歐美發(fā)達國家及國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)對中置軸掛車的操縱穩(wěn)定性進行了研究。

Van等對歐洲多種汽車列車類型進行了橫向動力學(xué)分析，利用后部放大系數(shù)（RWA）對比，分析了單車軸、多車軸下的RWA大小，驗證了中置軸掛車具有較低的RWA值[4]。Aoki A等構(gòu)建了多個掛車的汽車列車線性模型，利用穩(wěn)定性因數(shù)分析了不同軸數(shù)對多鉸接式汽車列車的穩(wěn)定性影響[5]。Fanchcr P等分析了多種汽車列車的方向生能，并對中置軸掛車的鏈接形式進行了研究[6]。Kharrazi S等利用掛車軸的主動轉(zhuǎn)向控制對多種汽車列車進行了穩(wěn)定性控制，其中卡車-中置軸掛車控制后其RWA下降了69%，并減小了軌跡偏移量[7]。利用前饋和反饋結(jié)合的控制方法，同樣可提高中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性[8-9]。Hou等分別對四種不同類型的汽車列車在不同環(huán)形交叉路口的側(cè)傾穩(wěn)定性進行了研究，并利用側(cè)傾指標進行仿真分析，得到了后部掛車更易側(cè)翻的結(jié)論[10]。Sundstrom P等利用基于模型的方法對長重型汽車列車進行了設(shè)計和控制研究[11]。Kural K等對長重型汽車列車的仿真模型進行了驗證，并分析了靜態(tài)、準靜態(tài)和瞬態(tài)情況下各個狀態(tài)變量的變化[12]。在轎車-中置軸掛車研究中，通過建立不同自由度的整車模型，仿真中置軸掛車的制動和主動轉(zhuǎn)向過程中的各狀態(tài)變量變化，以評價整車行駛的穩(wěn)定性[13]。Lainc L等利用正弦停滯測試的方法對卡車-中置軸掛車在低附著路面上的橫向穩(wěn)定性進行了評估[14]。以上對多掛汽車列車的研究中，分別從結(jié)構(gòu)、使用及控制策略方面進行了分析，但缺乏對中置軸掛車典型行駛工況下縱向質(zhì)心位置變化的研究。

因此，本文將利用TruckSim軟件建立卡車-中置軸掛車模型，包括輪胎模型、載荷模型和道路模型，分別在整車空載和滿載下進行雙移線工況的仿真分析與對比研究;通過改變中置軸掛車的縱向質(zhì)心位置，分析質(zhì)心移動對整車行駛穩(wěn)定性的影響，為中置軸掛車的安全運輸提供參考。

2卡車-中置軸掛車多體動力學(xué)模型構(gòu)建

為分析卡車-中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性，需進行相應(yīng)的模型構(gòu)建，包括車輛模型、輪胎模型、載荷模型及道路模型的構(gòu)建過程。

2.1車輛模型構(gòu)建

選用TruckSim軟件Ilf的卡車為“Military：5-Ton TruckSprung Mass”，中置軸掛車選用了“Military Trailcr”，兩者利用牽引銷連接，整車由4根軸組成，卡車的后軸為雙軸，如圖1所示?？ㄜ?中置軸掛車的模型參數(shù)見表1。

2.2輪胎模型

不同載荷下非線性輪胎模型具有不同的側(cè)偏特性，如圖2所示，在側(cè)偏角在不大于10。時，隨著載荷的增加，輪胎的側(cè)偏力呈線性增加;當側(cè)偏角超過10°時，載荷增加，輪胎的側(cè)偏力輕微下降后不再變化。

2.3載荷模型

要進行中置軸掛車縱向質(zhì)心位置變化的研究，載荷模型的構(gòu)建至關(guān)重要。圖3和4分別為中置軸掛車載荷模型和對應(yīng)的空、滿載時質(zhì)心的位置，其中紅色方框中表示質(zhì)心到前軸的距離，通過改變該數(shù)值的大小可改變質(zhì)心的縱向位置。在圖4中，根據(jù)文獻[15]中設(shè)計總質(zhì)量分布以車軸為中線，前半部比后半部要大于10%的設(shè)計要求，文中的中置軸掛車空載和滿載時的質(zhì)心位置均位于中置軸的前部，滿足設(shè)計的要求。根據(jù)多次仿真結(jié)果，同時為分析中置軸掛車對整車行駛穩(wěn)定性的影響，本文只對中置軸掛車的縱向質(zhì)心位置變化進行仿真分析。

2.4道路模型

在雙移線工況下仿真時，道路模型選擇附著系數(shù)為0.85的平直路面，如圖5所示。

3對比仿真與評價指標確定

根據(jù)構(gòu)建的多體動力學(xué)整車模型，設(shè)定車輛進行雙移線行駛的速度為72 km/h，其方向盤轉(zhuǎn)角如圖6所示。分別仿真空載和滿載工況下，整車的狀態(tài)變量變化。

由圖7可知，卡車在空載和滿載下的側(cè)向加速度變化大小相當，而中置軸掛車在空載和滿載時對應(yīng)側(cè)向加速度的最大值分別為4.8 m/s2和5.5m/s2.且滿載后的掛車振蕩變化更劇烈，這說明載荷增加對中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性具有重要影響。由圖8中橫擺角速度的變化可知，無論空載還足滿載，中置軸掛車的橫擺角速度均出現(xiàn)振蕩變化，且數(shù)值較大，大于卡車的柑應(yīng)值，這說明中置軸掛車足引發(fā)整車失穩(wěn)的主要因素。

由圖9可知，空載時卡車和中置軸掛車對應(yīng)的最大值分別為1.56（°/s）和0.80（°/s），而滿載對應(yīng)值分別為8.68（°/s）和12.40（°/S）。這說明滿載后側(cè)傾角速度大幅度增加，是因為載荷增加，使得車輛的質(zhì)心升高，增加了整車的側(cè)傾趨勢。載荷的增加，同樣使得中置軸掛車的俯仰角速度增加，特別在雙移線完成時更明顯，如圖10所示。

對比圖8～10，從數(shù)值大小變化可知，中置軸掛車在三個方向上的角速度變化均比卡車的對應(yīng)值大，而整車的俯仰角速度變化均最小。這說明在卡車-中置軸掛車雙移線工況下，減小橫擺角速度和側(cè)傾角速度是提高整車行駛穩(wěn)定性的關(guān)鍵。其中側(cè)傾角速度的振蕩變化更為劇烈，可作為縱向質(zhì)心位置變化時中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性評價指標。

由圖11可知，滿載時中置軸掛車的質(zhì)心側(cè)偏角變化最大，即4.35°，說明載荷增加后，后部掛車的行駛軌跡偏移量增加。而載荷的增加，并沒有使得卡車與中置軸掛車之間的鉸接角增加，如圖12所示。

綜上分析可知，中置軸掛車足影響正常行駛穩(wěn)定性的主要因素;隨著載荷的增加，中置軸掛車的側(cè)傾角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的變化更為劇烈，表現(xiàn)為側(cè)傾趨勢增加，軌跡保持能力下降。因此，在縱向質(zhì)心位置變化時，選用這兩種狀態(tài)變量進行中置軸掛車的橫向穩(wěn)定性分析。

4縱向質(zhì)心位置對整車橫向穩(wěn)定性影響分析

設(shè)定卡車在承受載荷后質(zhì)心位置不變，只對中置軸掛車的縱向質(zhì)心位置變化進行分析。在滿載工況下，分別仿真中置軸掛車的縱向質(zhì)心前移、不變、后移時，對側(cè)傾角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的影響。根據(jù)多次仿真結(jié)果，確定表2中的縱向質(zhì)心位置變化。由表2可知，中置軸掛車質(zhì)心后移0.2 m后，結(jié)合圖4中的質(zhì)心位置，中置軸掛車的質(zhì)心位置仍在其軸的前部。車輛的仿真速度和雙移線工況同以上設(shè)置。

由圖13（a）可知，質(zhì)心后移0.2 m時，中置軸掛車的側(cè)傾角速度達到穩(wěn)態(tài)的時間比質(zhì)心不變時更短，且振蕩更?。嘿|(zhì)心前移0.2 m時，在雙移線完成時出現(xiàn)了劇烈的振蕩變化，最大值為31.34（。/s），表現(xiàn)為嚴重的側(cè)傾失穩(wěn)。這說明縱向質(zhì)心位置前移會加速整車的橫向失穩(wěn)。

在圖13（b）中，質(zhì)心后移0.2m與質(zhì)心位置不變時的質(zhì)心側(cè)偏角變化趨勢基本一致，說明中置軸掛車空載時的質(zhì)心前移設(shè)計可以彌補滿載時質(zhì)心后移的不足，而更有利于穩(wěn)定性行駛;質(zhì)心前移0.2m時，雙移線完成時質(zhì)心側(cè)偏角出現(xiàn)了大幅度增加，即中置軸掛車的行駛軌跡偏移量增加，最大值為4.98°，這說明質(zhì)心前移使得中置軸掛車的軌跡偏移嚴重，表現(xiàn)為蛇形運動。

為分析中置軸掛車質(zhì)心后移量對整車穩(wěn)定性的影響，又做了多次仿真并對比各個狀態(tài)變量的變化，發(fā)現(xiàn)滿載時質(zhì)心后移0.45m時整車丌始出現(xiàn)振蕩變化，即滿載時質(zhì)心在中置軸掛車軸中心位置的后部0.2m處時出現(xiàn)失穩(wěn)。這說明滿載時，縱向質(zhì)心位置與中置軸掛車車軸之間的距離在一定范圍內(nèi)時，可保證整車在雙移線行駛工況中的穩(wěn)定性。

綜上分析可知，中置軸掛車滿載時質(zhì)心前移0.2m是整車發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)的臨界條件，整車易發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn);縱向質(zhì)心位置在距離掛車車軸中心位置前移0.45m，后移0.2m的范圍內(nèi)時，可保證卡車-中置軸掛車在平直路面上穩(wěn)定性行駛。因此，中置軸掛車滿載時，合理的載荷分配對典型行駛工況下的車輛穩(wěn)定性具有直接影響。

5結(jié)語

根據(jù)TruckSim軟件構(gòu)建卡車_中置軸掛車模型，包括輪胎模型、載荷模型和道路模型，進行了整車空載和滿載下的雙移線工況仿真，并對各個狀態(tài)變量進行了對比分析，確定了中置軸掛車在雙移線工況下的最偉評價指標;通過改變中置軸掛車的縱向質(zhì)心位置，分祈質(zhì)心前移、質(zhì)心不變、質(zhì)心后移對中置軸掛車側(cè)傾角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的影響，得到了如下結(jié)論：

a.對比整車在空載和滿載下的雙移線工況仿真可知，中置軸掛車是引起整車失穩(wěn)的主要因素：

b.中置軸掛車滿載時質(zhì)心前移0.2m，是整車發(fā)生側(cè)翻失穩(wěn)的臨界條件;

c.中置軸掛車滿載時的縱向質(zhì)心位置與其車軸中心之距在前移0.45m，后移0.2m的范圍內(nèi)時，可保證整車在平直路面上的行駛穩(wěn)定性。

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