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(jìn)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(yùn)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(xiàn)標(biāo)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(yùn)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(yùn)車的主流運(yùn)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(dá)國家及國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對中置軸掛車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。
Van等對歐洲多種汽車列車類型進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了研究,并利用側(cè)傾指標(biāo)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了驗證,并分析了靜態(tài)、準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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。卡車-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(dāng)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(jìn)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(xiàn)[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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(dāng),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(biāo)。
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(jìn)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(jìn)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(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間比質(zhì)心不變時更短,且振蕩更小:質(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(yán)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(bǔ)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(yán)重,表現(xiàn)為蛇形運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(biāo);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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