王銳，黃超智，周金應(yīng)，熊萬全，張浩

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

雙掛汽車列車作為大容量、高效率、低成本的先進(jìn)車型，在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等方面均具有明顯的效益。雙半掛汽車列車作為雙掛汽車的一種，它由牽引車和兩輛半掛車組成，各車輛單元通過鞍座進(jìn)行鉸接，國外稱之為B-double列車。雙半掛汽車列車在傳統(tǒng)半掛汽車列車的基礎(chǔ)上增加一節(jié)車輛單元，具有車身長、鉸接點多、載質(zhì)量大、質(zhì)心高等特點，實際運行中更易發(fā)生側(cè)翻、折疊、甩尾等失穩(wěn)狀況。目前國內(nèi)部分企業(yè)已試制了雙半掛汽車列車產(chǎn)品，但在操縱穩(wěn)定性方面缺少深入研究。對雙半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究對于后續(xù)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、提升行車安全性具有重要意義。

1 國內(nèi)外相關(guān)試驗方法及評價指標(biāo)

1.1 國外試驗方法及評價指標(biāo)

國外發(fā)達(dá)國家對汽車列車操縱穩(wěn)定性的試驗研究較早，并形成了較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系(見表1)。

表1 國外汽車列車操縱穩(wěn)定性主要試驗標(biāo)準(zhǔn)

評價指標(biāo)方面，國外常用汽車列車操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)有后部放大系數(shù)、靜態(tài)側(cè)翻閾值、載荷轉(zhuǎn)移率、橫擺阻尼、直線行駛偏移量、過車過沖、高速穩(wěn)態(tài)偏移量、低速偏移量。

1.2 國內(nèi)試驗方法及評價指標(biāo)

中國最早出臺的汽車操縱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6323—1986《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》，該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于M、N和G類車輛，其他類型汽車可參照執(zhí)行。通過借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)，中國汽車列車操縱穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)得到進(jìn)一步完善，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 國內(nèi)汽車列車操縱穩(wěn)定性主要試驗標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)汽車列車操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)主要包括靜態(tài)側(cè)傾閾值、橫擺角速度、側(cè)向加速度、后部放大系數(shù)、直線行駛軌跡偏移量等。雖然轉(zhuǎn)化了部分國外汽車列車操縱穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在標(biāo)準(zhǔn)不完善、評價指標(biāo)限值缺失等情況。

2 雙半掛汽車列車仿真模型構(gòu)建及試驗驗證

2.1 樣車參數(shù)

選取某企業(yè)試制的雙半掛汽車列車作為試驗樣車，樣車外廓尺寸、軸荷等均滿足GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的要求，其基本參數(shù)見表3。

表3 試驗樣車的基本參數(shù)

2.2 樣車仿真模型構(gòu)建

通過TruckSim仿真軟件建立試驗樣車仿真模型，模型包含車體、空氣動力學(xué)、轉(zhuǎn)向系、制動系、傳動系、輪胎、車軸、懸架、牽引裝置、載荷等子系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 雙半掛汽車列車動力學(xué)模型

2.3 實車測試系統(tǒng)搭建

測試系統(tǒng)主要由IMC陀螺儀、IMC陀螺儀終端、RT陀螺儀、數(shù)據(jù)采集模塊、方向盤力角度儀、方向盤力角度儀終端、計算機(jī)(PC)等組成(見圖2)。其中：IMC陀螺儀安裝在牽引車上，用于測量牽引車質(zhì)心位置相關(guān)動力學(xué)參數(shù)；IMC陀螺儀終端用于接收IMC陀螺儀的數(shù)據(jù)并通過CAN信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊；2個RT陀螺儀分別安裝在2節(jié)掛車上，分別測量第一節(jié)掛車、第二節(jié)掛車質(zhì)心位置的動力學(xué)參數(shù)；RT陀螺儀的參數(shù)通過CAN信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊并與牽引車數(shù)據(jù)保持同步；方向盤力角度儀用于測量方向盤轉(zhuǎn)角、操縱力、力矩等參數(shù)；方向盤力角度儀終端用于接收方向盤力角度儀數(shù)據(jù)并通過模擬量信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊。最后將數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC端進(jìn)行后處理。

圖2 雙半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性測試系統(tǒng)

2.4 仿真模型驗證

通過單車道變換試驗對雙半掛汽車列車仿真模型進(jìn)行驗證。單車道變換試驗按GB/T 25979—2010《道路車輛 重型商用汽車列車和鉸接客車 橫向穩(wěn)定性試驗方法》進(jìn)行，該試驗主要針對汽車列車提出，側(cè)重于汽車列車橫向穩(wěn)定性評價，為開環(huán)試驗。試驗過程中，通常對車輛轉(zhuǎn)向盤施加一個完整的正弦轉(zhuǎn)角輸入，測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、縱向車速、側(cè)向加速度等參數(shù)。試驗車速設(shè)置為60 km/h，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角最大值為60°，轉(zhuǎn)向頻率為0.2 Hz。實車試驗及仿真試驗結(jié)果見圖3～6。

圖3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線

圖4 牽引車質(zhì)心側(cè)向加速度變化曲線

圖5 第一節(jié)掛車質(zhì)心側(cè)向加速度變化曲線

圖6 第二節(jié)掛車質(zhì)心側(cè)向加速度變化曲線

從圖3～6可看出：在給轉(zhuǎn)向盤一個60°的正弦波輸入后，牽引車、第一節(jié)掛車、第二節(jié)掛車的質(zhì)心側(cè)向加速度均呈正弦波變化。實車試驗和仿真試驗中牽引車質(zhì)心側(cè)向加速度峰值分別為1.21 m/s2、1.23 m/s2，第一節(jié)掛車質(zhì)心側(cè)向加速度峰值分別為1.26 m/s2、1.44 m/s2，第二節(jié)掛車質(zhì)心側(cè)向加速度峰值分別為1.55 m/s2、1.57 m/s2，質(zhì)心側(cè)向加速度呈后部放大狀態(tài)，各車輛單元實車數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)誤差較小。實車試驗過程中受人為因素或設(shè)備因素等的影響，試驗數(shù)據(jù)存在波動和突變情況?？傮w來說，仿真模型精度較高，能較好地反映實車性能。

3 雙半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性典型試驗工況分析

3.1 蛇形試驗

蛇形試驗主要按GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》進(jìn)行，是車輛以固定速度連續(xù)繞樁行駛的過程，為閉環(huán)試驗。通過蛇形試驗測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、車身側(cè)傾角等參數(shù)，側(cè)重于考核車輛綜合性能，對評價車輛變道、轉(zhuǎn)向等穩(wěn)定性具有重要意義。

3.1.1 基準(zhǔn)車速

根據(jù)GB/T 6323—2014，對于最大總質(zhì)量大于15 t的N3類車輛，蛇形試驗的標(biāo)樁間距和基準(zhǔn)車速分別為50 m、50 km/h。在TruckSim中設(shè)置對應(yīng)標(biāo)樁間距及試驗車速，試驗車輛為滿載。試驗結(jié)果見圖7～10。

圖7 蛇形試驗中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線

圖8 蛇形試驗中質(zhì)心橫擺角速度變化曲線

圖9 蛇形試驗中質(zhì)心側(cè)向加速度變化曲線

圖10 蛇形試驗中質(zhì)心側(cè)傾角變化曲線

對蛇形試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取中間區(qū)段4個有效峰值計算平均值，得到平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值為79.73°；牽引車、第一節(jié)掛車、第二節(jié)掛車的平均橫擺角速度峰值分別為5.97 (°)/s、6.11 (°)/s、5.92 (°)/s，平均側(cè)向加速度峰值分別為1.52 m/s2、1.52 m/s2、1.47 m/s2，平均側(cè)傾角峰值分別為2.48°、3.03°、3.54°。數(shù)據(jù)顯示，在50 km/h基準(zhǔn)車速下，試驗樣車各項曲線變化趨勢基本一致，車輛處于穩(wěn)定可控狀態(tài)。對于平均橫擺角速度峰值，第一節(jié)掛車相對于牽引車有一定后部放大現(xiàn)象，但第二節(jié)掛車數(shù)據(jù)相對于牽引車更小。對于平均側(cè)向加速度峰值，牽引車和掛車數(shù)據(jù)相差較小，且第二節(jié)掛車數(shù)據(jù)比牽引車數(shù)據(jù)小。另外，未濾波之前側(cè)向加速度波動較大，表明該工況下側(cè)向加速度變化更敏感。平均側(cè)傾角峰值出現(xiàn)明顯的后部放大現(xiàn)象。綜上，一方面，在較低試驗車速下，橫擺角速度和側(cè)向加速度后部放大現(xiàn)象不明顯，出現(xiàn)折疊、甩尾、側(cè)滑等事故的可能性較?。涣硪环矫?，側(cè)傾角后部放大明顯，第二節(jié)掛車更易提前發(fā)生側(cè)翻。

3.1.2 其他車速

對試驗樣車進(jìn)行更高車速下蛇形試驗，試驗車速分別取為55 km/h、60 km/h、65 km/h。試驗結(jié)果見表4。

從表4可看出：隨著試驗車速的增加，各車輛單元的平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值、平均橫擺角速度峰值、平均側(cè)向加速度峰值、平均側(cè)傾角峰值等增長速率明顯增大，后部放大系數(shù)顯著增加，車輛發(fā)生失穩(wěn)的可能性大大增加。試驗車速為65 km/h時，試驗過程中部分輪胎發(fā)生嚴(yán)重離地現(xiàn)象，試驗中應(yīng)嚴(yán)格控制車速，做好防側(cè)翻措施。

表4 不同車速下蛇形試驗結(jié)果

3.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗主要根據(jù)GB/T 6323—2014開展，是試驗車輛在固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的情況下繞圓行駛的過程，主要考核車輛的轉(zhuǎn)向特性。試驗車輛進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的過程中，可能會表現(xiàn)出過度轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向特性。不足轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)彎半徑會逐漸增大，車輛開發(fā)過程中應(yīng)保證車輛具有一定的不足轉(zhuǎn)向特性。

在TruckSim中對穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗進(jìn)行設(shè)置，初始圓周半徑設(shè)置為25 m，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角固定為330°，以0.25 m/s2的縱向加速度由靜止開始加速，試驗時長設(shè)置為60 s。試驗結(jié)果見圖11～14。

從圖11～14可看出：隨著車速的增加，雙半掛汽車列車各單元的行駛軌跡不斷增大，表明該樣車具有一定的不足轉(zhuǎn)向特性；試驗過程中，牽引車、第一節(jié)掛車、第二節(jié)掛車的質(zhì)心側(cè)向加速度數(shù)據(jù)接近，最大值在3.14 m/s2左右；牽引車、第一節(jié)掛車、第二節(jié)掛車的質(zhì)心側(cè)傾角之差在初始階段呈增大狀態(tài)，在后段差值基本穩(wěn)定，但各車輛單元質(zhì)心側(cè)傾角數(shù)值仍呈增大趨勢。

圖11 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗軌跡

圖12 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中車速變化曲線

圖13 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中質(zhì)心側(cè)向加速度變化曲線

圖14 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中質(zhì)心側(cè)傾角變化曲線

3.3 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗

轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗是在試驗車輛直線行駛一段時間后，迅速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至預(yù)設(shè)值并固定數(shù)秒的過程。在給轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后，試驗車輛進(jìn)入瞬態(tài)響應(yīng)階段，一段時間后逐步趨于穩(wěn)態(tài)，主要考核車輛的時域響應(yīng)特性。根據(jù)GB/T 6323—2014，仿真試驗中車速設(shè)置為60 km/h，直線行駛時間設(shè)置為5 s，起躍時間為0.2 s，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為90°。試驗結(jié)果見圖15～18。

圖15 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線

圖16 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗中質(zhì)心橫擺角速度變化曲線

圖17 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗中質(zhì)心側(cè)向加速度變化曲線

圖18 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗中質(zhì)心側(cè)偏角變化曲線

從圖15～18可看出：在給轉(zhuǎn)向盤一個90°階躍輸入后，橫擺角速度、側(cè)向加速度、質(zhì)心側(cè)偏角等迅速增大，經(jīng)過一段時間波動后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)；第一節(jié)掛車相對于牽引車、第二節(jié)掛車相對于第一節(jié)掛車，各項參數(shù)后部放大效應(yīng)明顯。

根據(jù)GB/T 6323—2014對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，主要計算參數(shù)如下：1) 橫擺角速度響應(yīng)時間，為橫擺角速度首次達(dá)到90%穩(wěn)態(tài)值的時間與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到50%預(yù)設(shè)值的時間之差。2) 橫擺角速度峰值響應(yīng)時間，為橫擺角速度達(dá)到最大值的時間與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到50%預(yù)設(shè)值的時間之差。3) 橫擺角速度超調(diào)量σ，按式(1)計算。4) 側(cè)向加速度響應(yīng)時間，為側(cè)向加速度首次達(dá)到90%穩(wěn)態(tài)值的時間與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到50%預(yù)設(shè)值的時間之差。5) 橫擺角速度總方差Er，按式(2)計算。6) 側(cè)向加速度總方差Eay，按式(3)計算。7) 汽車因素，為橫擺角速度峰值響應(yīng)時間與質(zhì)心側(cè)偏角穩(wěn)態(tài)值的乘積。計算結(jié)果見表5。

表5 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗結(jié)果

(1)

式中：rmax為橫擺角速度最大值[(°)/s]；r0為橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值[(°)/s]。

(2)

式中：n為樣本數(shù)量，采樣時間截止到橫擺角速度重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)；δswk為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角瞬態(tài)值(°)；δsw0為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角預(yù)設(shè)值(°)；rk為橫擺角速度瞬態(tài)值[(°)/s]；Δt為樣本點的時間間隔，Δt≤0.2 s。

(3)

式中：ayk為側(cè)向加速度瞬態(tài)值(m/s2)；ay0為側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值(m/s2)。

表5中，橫擺角速度響應(yīng)時間為基本評價指標(biāo)，其余參數(shù)均為建議獲取指標(biāo)。響應(yīng)時間主要考核車輛的轉(zhuǎn)向靈敏度，牽引車、第一節(jié)掛車、第二節(jié)掛車的橫擺角速度響應(yīng)時間分別為0.20 s、0.61 s、1.03 s，橫擺角速度峰值響應(yīng)時間分別為0.33 s、1.00 s、1.55 s，側(cè)向加速度響應(yīng)時間分別為0.43 s、0.90 s、1.28 s，各項響應(yīng)時間較短，車輛對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入反應(yīng)迅速，隨動車輛單元相對于前一車輛單元的橫擺角速度、側(cè)向加速度響應(yīng)時間滯后0.4 s左右，橫擺角速度峰值響應(yīng)時間滯后0.6 s左右。超調(diào)量和總方差主要考核車輛執(zhí)行輸入指令的精度，汽車因素側(cè)重于綜合評價。橫擺角速度超調(diào)量、橫擺角速度和側(cè)向加速度總方差均表明，在轉(zhuǎn)向盤90°階躍輸入工況下，各車輛單元橫擺角速度都經(jīng)歷了較大波動，隨動車輛單元波動幅度增長明顯。

4 結(jié)論

在TruckSim中建立雙半掛汽車列車仿真模型，選取單車道變換試驗進(jìn)行仿真分析并與實車試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證仿真模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對樣車進(jìn)行典型或極限工況仿真分析，得到如下結(jié)論：

(1) 蛇形試驗中，在較低車速下，橫擺角速度、側(cè)向加速度未出現(xiàn)明顯的后部放大現(xiàn)象，發(fā)生折疊、甩尾、側(cè)滑等事故的可能性較?。粋?cè)傾角后部放大明顯，第二節(jié)掛車更易提前發(fā)生側(cè)翻。隨著試驗車速的增高，各車輛單元的參數(shù)增長速率明顯增大，均出現(xiàn)后部放大現(xiàn)象，車輛發(fā)生失穩(wěn)的可能性大大增加。在試驗車速為65 km/h時，試驗過程中部分輪胎發(fā)生嚴(yán)重離地現(xiàn)象。在雙掛汽車列車實際行駛特別是轉(zhuǎn)向變道過程中應(yīng)嚴(yán)格控制車速。

(2) 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中，樣車具有一定的不足轉(zhuǎn)向特性，各車輛單元的側(cè)向加速度最大值在3.14 m/s2左右，質(zhì)心側(cè)傾角之差在初始階段呈增大狀態(tài)，在后段差值基本穩(wěn)定，但質(zhì)心側(cè)傾角數(shù)值仍呈增大趨勢。

(3) 轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗中，車輛對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入反應(yīng)迅速，隨動車輛單元相對于前一車輛單元的參數(shù)響應(yīng)滯后0.38～0.67 s；各項參數(shù)波動幅度較大，掛車擺動明顯。在雙掛汽車列車實際行駛過程中應(yīng)避免急打方向，防止車輛失穩(wěn)。