田晉躍，姚金煜，任振寧，王金偉

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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機(jī)械連接銷磨損狀態(tài)下汽車列車側(cè)傾動(dòng)態(tài)仿真

田晉躍，姚金煜，任振寧，王金偉

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

建立了汽車列車側(cè)傾過程的數(shù)學(xué)模型，研究了在汽車列車連接銷磨損狀態(tài)下發(fā)生側(cè)傾時(shí)的一些重要特性；并利用MATLAB和VEH-SIM的聯(lián)合計(jì)算機(jī)仿真，比較了不同車況下車輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，重點(diǎn)討論了在連接銷磨損工況下汽車列車轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾情況，探討了實(shí)現(xiàn)汽車列車安全穩(wěn)定性能的途徑。

車輛工程；汽車列車；連接銷磨損；側(cè)傾；動(dòng)態(tài)仿真

汽車列車的行駛安全十分重要。車輛一旦發(fā)生翻車，往往會(huì)造成重大的人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失。汽車列車側(cè)翻試驗(yàn)很難實(shí)施，分析和研究這類事的有效手段之一是，建立汽車列車側(cè)傾狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。

汽車列車通常情況下出現(xiàn)翻車主要原因有：①坡道上行駛進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛失穩(wěn)；②路面上有凹坑或者障礙物時(shí)，車輛的正常行駛狀態(tài)受到干擾，車輛失穩(wěn)；③在道路上高速行駛時(shí)，為避開障礙，所進(jìn)行的緊急轉(zhuǎn)向過大。但是，當(dāng)汽車列車連接銷出現(xiàn)磨損時(shí)，上述情況將會(huì)加劇，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成車輛側(cè)翻。

為了提高汽車列車行駛穩(wěn)定性，需要研究汽車列車轉(zhuǎn)向時(shí)車輛側(cè)翻的動(dòng)態(tài)過程，建立汽車列車在轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生側(cè)傾的數(shù)學(xué)模型，研究和分析在汽車列車連接銷磨損的情況下，側(cè)傾發(fā)生過程中的一些重要特性[1-2]。

1 連接銷出現(xiàn)磨損時(shí)的力學(xué)特性

關(guān)于掛車和牽引車的選取可利用簡單數(shù)學(xué)模型來確定[3]。設(shè)定：在發(fā)生制動(dòng)前，掛車的質(zhì)量為m2，初始速度為V0，牽引車的質(zhì)量為m1。運(yùn)動(dòng)方向沿x軸正向，圖1為汽車列車運(yùn)動(dòng)示意。發(fā)生制動(dòng)后，掛車和牽引車一同以V′的速度前進(jìn)，直到停車。此期間設(shè)S為滑行距離，設(shè)定車輛各輪胎相同，輪胎與地面的摩擦系數(shù)為μ=0.4，地面對輪胎表面的摩擦力為f，掛車、牽引車和連接裝置碰撞過程中吸收的能量為Wp。討論掛車與牽引車的質(zhì)量關(guān)系。

圖1 車輛碰撞結(jié)構(gòu)整體示意Fig.1 Schematic diagram of a vehicle collision

車輛的動(dòng)能在碰撞后轉(zhuǎn)化為三部分能量：一部分能量為掛車、牽引車和連接裝置吸收的能量；一部能量為掛車和牽引車的動(dòng)能；另外一部分為輪胎與地面摩擦力所做的功。建立如下數(shù)學(xué)方程：

(1)

聯(lián)立得關(guān)于S的式子：

(2)

仿真過程中所用數(shù)據(jù)：掛車總質(zhì)量為15 000 kg；牽引車質(zhì)量設(shè)為3。滑行距離S≤(7～9)m。

2 連接銷出現(xiàn)磨損后的動(dòng)量定律

在汽車列車連接件出現(xiàn)磨損的情況下緊急制動(dòng)，作用于連接銷上的外力的沖量之和等于在力的作用方向上掛車動(dòng)量變化率，即：

(3)

由于連接件的磨損，式(3)可以改寫為：

(4)

3 汽車列車的轉(zhuǎn)向側(cè)傾分析

圖2為所研究汽車列車側(cè)傾時(shí)的受力示意[4-5]。假定空車質(zhì)量14 t，滿載質(zhì)量30 t。

O—側(cè)傾中心點(diǎn)；B—輪距；θ—鉸接結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)角度；φ—車身側(cè)傾角，其大小與懸架側(cè)傾角剛度有關(guān)；hg—車身質(zhì)心到側(cè)傾中心O點(diǎn)距離；hr—側(cè)傾中心O點(diǎn)與路面之間的距離；Cs—懸掛部分質(zhì)量重心；Cu—非懸掛部分質(zhì)量重心；ms—車身懸掛質(zhì)量；mu—車身非懸掛質(zhì)量；FZ1，F(xiàn)Z2—兩車輪所受到地面的反作用力；FB1,FB2—地面作用在車輪上的摩擦力

圖2 側(cè)傾受力示意
Fig.2 Schematic diagram of roll force

3.1 正常狀態(tài)車輛失穩(wěn)

汽車列車的懸掛部分的質(zhì)量重心隨車身側(cè)傾會(huì)發(fā)生偏移，汽車列車前后懸架均為非獨(dú)立懸架，所以不計(jì)非懸掛部分的質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力。由圖2可以得到其向心加速度ay：

(5)

3.2 為避障而導(dǎo)致的車輛失穩(wěn)

方向盤轉(zhuǎn)角達(dá)最大極限，使得車輛的轉(zhuǎn)彎半徑最小，此時(shí)車輛受到的離心力為最大值。因?yàn)檐囕v的轉(zhuǎn)向側(cè)傾，使得汽車列車的兩個(gè)懸掛質(zhì)量重心發(fā)生了偏移，前后車橋所承受車身重量也隨之發(fā)生改變。

轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪所受到的地面反作用力為0時(shí)，汽車列車則達(dá)到了側(cè)傾臨界狀態(tài)。

此時(shí)，v0為前車頭的側(cè)傾臨界點(diǎn)速度，Rf為轉(zhuǎn)向外側(cè)前輪的轉(zhuǎn)向半徑，Rr為轉(zhuǎn)向外側(cè)后輪的轉(zhuǎn)向半徑。地面對車輪的摩擦力便為車輛轉(zhuǎn)向所需的向心力，由公式

可得

(6)

同理后車身側(cè)傾臨界的速度v1為

(7)

4 汽車列車側(cè)傾的過程仿真

汽車列車行駛時(shí)，為了避障礙物突然轉(zhuǎn)向，時(shí)間很短，由于汽車列車本身結(jié)構(gòu)特性，必定使得前車頭與后車身間產(chǎn)生擺動(dòng)，產(chǎn)生車身側(cè)傾的情況，較為嚴(yán)重的情況即車輛產(chǎn)生側(cè)翻[6-8]。

利用MATLAB軟件對其數(shù)學(xué)模型仿真，觀察鉸接機(jī)構(gòu)的參數(shù)θ對汽車列車側(cè)翻臨界點(diǎn)時(shí)輪胎轉(zhuǎn)向半徑，和對臨界轉(zhuǎn)向車速的影響。汽車列車仿真參數(shù)具體為：a，b為前后軸離前車頭及后車身重心距離；mS1，mu1，mS2，mu2為前后部分懸架質(zhì)量和非懸架質(zhì)量；φ為車身的側(cè)傾角；B為輪距；L為軸距；k為鉸接點(diǎn)離前軸距離。

利用Veh-sim軟件對相同車輛參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

4.1 汽車列車仿真參數(shù)

圖3為仿真對象車輛的具體參數(shù)。

圖3 汽車列車相關(guān)參數(shù)(單位：m)

4.2 連接銷沒有磨損時(shí)車輛換道工況

連接件無磨損，車輛初始速度為96.56 km/h情況下的換道工況仿真見圖4。

圖4 在初始車速96.56 km/h時(shí)汽車列車超車換道仿真Fig.4 Simulation diagram of combination vehicle’s overtaking and changing anes in the case of the initial speed at 96.56 km/h

由圖4可見：汽車列車的牽引車和掛車方向盤的跟隨轉(zhuǎn)角變化，橫擺角、側(cè)傾角度和側(cè)向加速度變化較為正常，無異常情況。

4.3 當(dāng)連接銷出現(xiàn)磨損車輛換道時(shí)的工況

當(dāng)連接件銷有2 mm的磨損，車輛初始速度為48.28 km/h情況下的換道工況仿真見圖5。

圖5 在初始車速48.28 km/h時(shí)汽車列車換道仿真Fig.5 Simulation diagram of combination vehicle’s changing lanes in the case of the initial speed at 48.28 km/h

從圖5中可發(fā)現(xiàn)：初始車速為48.28 km/h時(shí)，汽車列車進(jìn)行超車換道，牽引車及掛車跟隨方向盤的轉(zhuǎn)角變化，側(cè)向加速度會(huì)出現(xiàn)不正常波動(dòng)，橫擺角和側(cè)傾角度變化較為平穩(wěn)。

4.4 連接銷磨損時(shí)，車輛的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)工況

當(dāng)連接銷有2 mm的磨損時(shí)，車輛初始速度為48.28 km/h的情況下?lián)Q道且制動(dòng)。仿真情況見圖6。

圖6 在初始車速80.47 km/h時(shí)汽車列車轉(zhuǎn)向和制動(dòng)仿真Fig.6 Simulation diagram of combination vehicle’s steering and braking in the case of the initial speed at 80.47 km/h

從圖6中可發(fā)現(xiàn)：在初始車速為48.28 km/h，汽車列車進(jìn)行換道并制動(dòng)，牽引車及掛車跟隨方向盤的轉(zhuǎn)角變化，汽車列車穩(wěn)定性變壞，且可能出現(xiàn)側(cè)翻。

4.5 連接銷磨損時(shí)車輛緊急轉(zhuǎn)向和制動(dòng)工況

當(dāng)初始車速為80.47 km/h時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)50°并實(shí)施制的仿真如圖7。

圖7 初始車速80.47 km/h時(shí)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)50°并實(shí)施制動(dòng)的仿真Fig.7 Simulation diagram of combination vehicle’s braking and turning its steering wheel to 50° in the case of the initial speed at 80.47 km/h

如圖7，當(dāng)連接件銷有2mm的磨損，初始車速為80.47 km/h，方向盤轉(zhuǎn)角為50°，進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，車輛于2.5 s處發(fā)生側(cè)翻。

圖8為側(cè)翻過程仿真。

圖8 車輛側(cè)傾仿真形態(tài)及翻車狀態(tài)Fig.8 Simulation form of vehicle oblique and rolling

經(jīng)過對汽車列車為避開路面障礙，進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)向且動(dòng)作過大的情況的仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)，減少連接銷的磨損，增加汽車列車輪距，降低車輛重心高度，增大輪胎與路面摩擦系數(shù)可以提高車輛防側(cè)傾的能力。

5 結(jié) 論

1)建立了汽車列車轉(zhuǎn)向過程中側(cè)傾數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB對模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果證明了在汽車列車機(jī)械連接銷出現(xiàn)一定程度磨損后，車輛轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的穩(wěn)定性下降，增加了車輛側(cè)翻的可能性。其結(jié)果可為進(jìn)一步研究汽車列車的轉(zhuǎn)向側(cè)翻保護(hù)及車輛懸架的主動(dòng)安全控制奠定基礎(chǔ)。

2)從汽車列車側(cè)傾工況下的動(dòng)態(tài)特性仿真看出，在連接件銷軸無磨損時(shí)，車輛行駛速度為96.56 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向換道，發(fā)生側(cè)翻的概率較小。

3)在連接件銷軸出現(xiàn)2 mm磨損時(shí)，初始車速為80.47 km/h，汽車列車的方向盤突然轉(zhuǎn)動(dòng)50°，并實(shí)施制動(dòng)，2.5 s時(shí)出現(xiàn)最大橫向和縱向加速度，此時(shí)離心力和制動(dòng)力達(dá)到最大值，很有可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻的現(xiàn)象。

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Dynamic Simulation of Combination Vehicle Rollover in the Case of Worn Mechanical Coupling Pin

Tian Jinyue, Yao Jinyu, Ren Zhenning, Wang Jinwei

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

A mathematical model of the process of the rollover of combination vehicle was established, and some important characteristics in the process of rollover in the case that the connecting pin of combination vehicle had been worn were analyzed and researched. Vehicle steering stability under different conditions was analyzed and compared by the computer simulation of MATLAB and VEH-SIM, focusing on the conditions that the connecting pin was worn in combination vehicle steering roll situation. Finally, the way of realizing the safe and stable performance of combination vehicles was explored.

vehicle engineering; combination of vehicles; wear and tear of connecting pin; rollover; dynamic simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.30

2013-09-17；

2013-10-25

田晉躍 (1958—)，男，山西孝義人，研究員，主要從事車輛液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)方面的研究。E-mail：tianjingyue@lys.edu.com 。

姚金煜 (1988—)，男，江蘇啟東人，碩士研究生，主要從事車輛設(shè)計(jì)與研發(fā)方面的研究。E-mail：372395640@qq.com 。

U 462.1

A

1674-0696(2015)05-150-05