基于Trucksim的半掛汽車列車方向盤角階躍輸入工況仿真試驗(yàn)研究

龍佳慶，韋超毅

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州　545006；2.廣西大學(xué)，廣西南寧　530004）

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基于Trucksim的半掛汽車列車方向盤角階躍輸入工況仿真試驗(yàn)研究

龍佳慶1，2，韋超毅2

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545006；2.廣西大學(xué)，廣西南寧530004）

摘要：通過TruckSim軟件建立半掛汽車列車整車仿真模型，進(jìn)行方向盤角階躍輸入仿真試驗(yàn)，通過改變牽引車及掛車的參數(shù)，以研究不同參數(shù)對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響.試驗(yàn)表明：適當(dāng)?shù)脑黾訝恳嚨馁|(zhì)量、加長(zhǎng)牽引車軸距、加長(zhǎng)掛車車軸距牽引車前軸的距離，降低掛車質(zhì)量、縮短牽引車鉸接點(diǎn)到前輪的距離能有效提高半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：半掛汽車列車；TruckSim軟件；方向盤角階躍輸入試驗(yàn)；操縱穩(wěn)定性

0　引言

半掛汽車列車是由牽引車與半掛車組合在一起的，牽引車提供動(dòng)力，掛車承載貨物，牽引車起到帶動(dòng)掛車行駛的作用，與其他車輛不同的是，車輛單元之間相互作用會(huì)影響半掛汽車列車的整車操縱穩(wěn)定性［1］.半掛汽車列車具有縱向尺寸長(zhǎng)、輪距小、整車質(zhì)心高、載重量大的特點(diǎn)，在行駛過程中，其操縱穩(wěn)定性極限較低.

因此，對(duì)半掛汽車列車進(jìn)行極限工況下實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，有非常大的局限性和危險(xiǎn)性，采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)半掛汽車列車進(jìn)行研究，可以得到一些在實(shí)車試驗(yàn)中無法測(cè)量，又能評(píng)價(jià)其操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)［2-4］.

1　半掛汽車列車整車建模

在Trucksim軟件中，構(gòu)建集整車外形，轉(zhuǎn)向、動(dòng)力傳動(dòng)、制動(dòng)系和行駛系三大部分組成整車動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法，設(shè)置環(huán)境參數(shù)和路面參數(shù).

2　仿真試驗(yàn)方法

通過TruckSim軟件建立半掛汽車列車仿真模型，模擬不同的車速，以一定的方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)入彎道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的狀況.仿真試驗(yàn)車輛使用的主要參數(shù)如表1，通過進(jìn)行方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)，生成各個(gè)工況下的評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線圖，然后分析不同車速下半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性.

表1　主要車體參數(shù)的組成

根據(jù)GB/T 12534汽車道路試驗(yàn)方法通則、GB/T 12549汽車操縱穩(wěn)定性術(shù)語及其定義、GB/T 13047汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并考慮實(shí)車具體情況，設(shè)定方向盤角階躍輸入試驗(yàn)的仿真條件為：在試驗(yàn)過程中沒有制動(dòng)操縱，只有轉(zhuǎn)向操作；試驗(yàn)的初速度分別取用60km/h、65km/h、70km/h、75km/h四種不同速度；方向盤轉(zhuǎn)角為120°，時(shí)間15s.其方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示，剛開始是直線行駛，5s時(shí)刻開始對(duì)車輛實(shí)施方向盤角階躍輸入，模擬汽車由直線行駛至5s時(shí)進(jìn)入彎道.

圖1　方向盤角階躍輸入曲線

3　仿真結(jié)果分析

牽引車和掛車在方向盤角階躍輸入試驗(yàn)過程中的橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2、3、4所示（說明：Unit1表示牽引車質(zhì)心，Unit2表示半掛車質(zhì)心）.

圖2為不同的車速下牽引車和掛車的橫擺角速度變化對(duì)比曲線圖，靠前一組曲線是牽引車的，靠后的一組曲線是掛車的，牽引車的橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間和橫擺角速度峰值響應(yīng)時(shí)間均小于掛車的，這說明掛車的橫擺角速度響應(yīng)滯后于牽引車；同時(shí)隨著速度增加，牽引車和掛車的橫擺角速度峰值增大，震蕩變大，車輛進(jìn)入穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間變長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間也變長(zhǎng)，當(dāng)車速為65km/h時(shí)，震蕩明顯，當(dāng)車速為75km/h時(shí)，震蕩變得劇烈已經(jīng)無法達(dá)到穩(wěn)態(tài).說明隨著車速的增加，半掛汽車列車的操縱穩(wěn)定性有所下降.

圖3為不同的車速下牽引車和掛車的側(cè)向加速度對(duì)比曲線圖，當(dāng)速度分別為60km/h、65km/h、70 km/ h和75km/h時(shí)，隨著車速的增加，牽引車和掛車的側(cè)向加速度峰值不斷增大，振蕩變大，當(dāng)車速為70km/h時(shí)，震蕩明顯，無法達(dá)到穩(wěn)態(tài).由此可見，速度對(duì)側(cè)向加速度有明顯影響.

圖2　橫擺角速度對(duì)比曲線

圖3　側(cè)向加速度對(duì)比曲線

圖4　側(cè)傾角對(duì)比曲線

圖4為不同的車速下牽引車和掛車的側(cè)傾角變化對(duì)比曲線圖，當(dāng)速度分別為60km/h、65km/h、70 km/h 和75km/h時(shí)，牽引車的側(cè)傾角和掛車側(cè)傾角都隨車速增加而變大，而且掛車的側(cè)傾角大于牽引車的側(cè)傾角，說明速度達(dá)到極限時(shí)，掛車更容易側(cè)翻.并且在車速小于70km/h時(shí)仍能保持側(cè)傾穩(wěn)定性；當(dāng)車速超過70km/h，達(dá)到75km/h時(shí)，車輛側(cè)傾角已經(jīng)急劇增大而發(fā)散，出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象.

4　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)半掛汽車列車方向盤角階躍輸入試驗(yàn)的影響

采用上述的方向盤角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn)，在同樣的車速下，分別改變牽引車的軸距、牽引車鉸接點(diǎn)到前輪的距離、掛車車軸距前輪的距離，以研究其對(duì)方向盤角階躍輸入工況下的橫擺角速度、側(cè)向加速度以及側(cè)傾角等操縱穩(wěn)定性指標(biāo)的影響；在上一節(jié)中方向盤角階躍輸入試驗(yàn)中，在試驗(yàn)車輛的固定參數(shù)下，車速超過70km/h已出現(xiàn)危險(xiǎn)工況，因此為了更好的驗(yàn)證各參數(shù)的改變對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，本節(jié)試驗(yàn)所選取的速度為75km/h.

4.1質(zhì)量的影響

分別改變牽引車質(zhì)量和掛車質(zhì)量，進(jìn)行方向盤角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn)，其他仿真試驗(yàn)條件與原始試驗(yàn)一致.

首先，保持掛車質(zhì)量不變，只改變牽引車質(zhì)量，分別為4500kg、6500kg、8500kg，通過方向盤角階躍輸入試驗(yàn)得到仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析牽引車質(zhì)量對(duì)半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性的影響.其仿真結(jié)果曲線如圖5、圖6、圖7所示（說明：Unit1表示牽引車質(zhì)心，Unit2表示掛車質(zhì)心）.

圖5　側(cè)傾角對(duì)比曲線

圖6　側(cè)向加速度對(duì)比曲線

圖7　橫擺角速度對(duì)比曲線

從圖5、圖6、圖7可以看出，在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)下，當(dāng)牽引車質(zhì)量為4500kg時(shí)，側(cè)傾角突增，車輛已經(jīng)發(fā)生側(cè)翻，質(zhì)量在6500kg和8500kg時(shí)，側(cè)傾角曲線變化比較平緩，可見牽引車質(zhì)量增加，側(cè)傾角有所下降，側(cè)向加速度振蕩變緩，這說明牽引車質(zhì)量的適當(dāng)增加，可以有效防止車輛側(cè)翻，達(dá)到提高半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性的目的.而且隨著牽引車質(zhì)量增加，側(cè)向加速度、橫擺角速度峰值都有所減小，曲線更趨于平緩，說明牽引車質(zhì)量增加，表現(xiàn)出較好的側(cè)向加速度、橫擺角速度響應(yīng)特性，也說明操縱穩(wěn)定性得到了一定程度的提高.

另外，保持牽引車的質(zhì)量不變，只改變掛車質(zhì)量，分別設(shè)為15000kg、18000kg、22000kg，通過仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析牽引車質(zhì)量對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響.其仿真結(jié)果曲線如圖8、圖9、圖10所示（說明：Unit1表示牽引車質(zhì)心，Unit2表示掛車質(zhì)心）.

圖8　側(cè)傾角對(duì)比曲線

圖9　側(cè)向加速度對(duì)比曲線

圖10　橫擺角速度對(duì)比曲線

從圖8、圖9、圖10可以看出，在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)下，掛車質(zhì)量從15000kg增加到22000kg.隨著掛車質(zhì)量的增加，側(cè)傾角有所增大，特別當(dāng)掛車質(zhì)量為22000kg時(shí)，側(cè)傾角突然急劇增大，無法達(dá)到穩(wěn)態(tài)，車輛已經(jīng)發(fā)生側(cè)翻.這說明掛車質(zhì)量的增加，會(huì)降低車輛的側(cè)翻極限，而更容易發(fā)生側(cè)翻.而且隨著掛車質(zhì)量增加，側(cè)向加速度、橫擺角速度的曲線振幅變化增加，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間變長(zhǎng)，說明掛車質(zhì)量增加，表現(xiàn)出更差的橫擺角速度、側(cè)向加速度響應(yīng)特性，也一定程度說明掛車質(zhì)量的增加降低了車輛的操縱穩(wěn)定性.

4.2牽引車的軸距的影響

分別設(shè)定第二軸到第一軸的距離為3.5m、4m、4.5m，第三軸到第一軸的距離為4.5m、5m、5.5m，其他仿真試驗(yàn)條件與原始試驗(yàn)所述一致，通過方向盤角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn)得到仿真試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行對(duì)比，分析牽引車軸距的影響.

仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12和圖13所示（說明：Unit1表示牽引車質(zhì)心，Unit2表示半掛車質(zhì)心）.

圖11　側(cè)傾角對(duì)比曲線

圖12　側(cè)向加速度對(duì)比曲線

圖13　橫擺角速度對(duì)比曲線

從圖11、圖12和圖13可以看出，在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)中，隨著牽引車軸距的加長(zhǎng)，側(cè)向加速度峰值、橫擺角速度峰值、側(cè)傾角峰值都在減小，而且振蕩也減小，曲線趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出更好的側(cè)向加速度、橫擺角速度以及側(cè)傾角的響應(yīng)特性，特別的，從圖11中，當(dāng)牽引車軸距小于4m時(shí)，車輛的側(cè)傾角陡增，已發(fā)生側(cè)翻，說明牽引車軸距的適當(dāng)加長(zhǎng)可以提高車輛側(cè)翻極限，其軸距的加長(zhǎng)在一定程度上能提高車輛的操縱穩(wěn)定性.

4.3牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離的影響

分別設(shè)定仿真車輛牽引車其第二軸至前軸的距離為3.5m，第三軸至前軸距離為4.77m，只改變牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離，記為L(zhǎng)1，分別設(shè)定為3.5m、4m、4.5m，其他仿真試驗(yàn)條件與原始試驗(yàn)所述一致，使用TruckSim軟件對(duì)其進(jìn)行方向盤角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn).

通過實(shí)驗(yàn)得到牽引車不同鉸接點(diǎn)到前軸的距離下的仿真結(jié)果（說明：Unit1表示牽引車質(zhì)心，Unit2表示半掛車質(zhì)心），試驗(yàn)結(jié)果曲線對(duì)比圖如圖14、圖15、圖16所示.

圖14　側(cè)傾角對(duì)比曲線

圖15　側(cè)向加速度對(duì)比曲線

圖16　橫擺角速度對(duì)比曲線

從圖14、圖15和圖16可以看出，在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)中，隨著牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離的增加，雖然響應(yīng)時(shí)間減小，但側(cè)向加速度峰值、橫擺角速度峰值、側(cè)傾角峰值都在增大，表現(xiàn)出更差的側(cè)向加速度、橫擺角速度以及側(cè)傾角的響應(yīng)特性，而且，在圖14中，當(dāng)其距離在3.5m時(shí)，表現(xiàn)出很好的操縱穩(wěn)定性；當(dāng)距離超過3.5m時(shí)，車輛已發(fā)生側(cè)翻，這說明，適當(dāng)縮短牽引車鉸接點(diǎn)到前軸距離能提高車輛的側(cè)翻極限，在一定程度上能提高車輛的操縱穩(wěn)定性.

4.4掛車車軸距牽引車前軸距離的影響

分別設(shè)定不同掛車車軸距牽引車前軸的距離，其他仿真試驗(yàn)條件與原始試驗(yàn)一致，使用TruckSim軟件對(duì)其進(jìn)行方向盤角階躍輸入響應(yīng)試驗(yàn).

設(shè)定掛車第一軸到牽引車前軸的距離記為A1，分別取值6.5m、7m、7.5m；第二軸距其距離記為A2，分別取值7m、8.2m、9.4m；第三軸距其距離為A3，分別取值7.5m、8.7m、9.9m.仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖17、圖18、圖19所示.（說明：Unit1表示牽引車質(zhì)心，Unit2表示半掛車質(zhì)心）

圖17　側(cè)傾角對(duì)比曲線

圖18　側(cè)向加速度對(duì)比曲線

圖19　橫擺角速度對(duì)比曲線

從圖17、圖18、圖19可以看出，在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)下，當(dāng)掛車車軸距牽引車前軸的距離加長(zhǎng)時(shí)，側(cè)傾角有所減少，特別當(dāng)掛車第一軸距牽引車前軸為7.5m時(shí)，車輛沒有發(fā)生側(cè)翻，而其距離在6.5m 和7.0m時(shí)，其側(cè)傾角突增，使車輛發(fā)生側(cè)翻，這說明掛車車軸距牽引車前軸的距離加長(zhǎng)表現(xiàn)出更好的側(cè)傾極限，適當(dāng)?shù)募娱L(zhǎng)距離值可以有效防止車輛側(cè)翻，達(dá)到提高半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性的目的.而且隨著距離加長(zhǎng)，橫擺角速度、側(cè)向加速度峰值都有所減小，曲線更加平緩，說明掛車車軸距離牽引車前軸的距離加長(zhǎng)，表現(xiàn)出較好的橫擺角速度、側(cè)向加速度響應(yīng)特性，也一定程度說明有效提高操縱穩(wěn)定性.

5　結(jié)論

在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)中，隨著車速的提高，牽引車和掛車的側(cè)向加速度、橫擺角速度、側(cè)傾角等參數(shù)均有所變大.在方向盤角階躍輸入工況試驗(yàn)中，通過對(duì)牽引車及掛車質(zhì)量、牽引車軸距、掛車車軸距牽引車前軸的距離、牽引車鉸接點(diǎn)到前軸的距離等參數(shù)的改變對(duì)車輛進(jìn)行仿真試驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)表明：適當(dāng)?shù)脑黾訝恳嚨馁|(zhì)量、加長(zhǎng)牽引車軸距、加長(zhǎng)掛車車軸距牽引車前軸的距離，而降低掛車質(zhì)量、縮短牽引車鉸接點(diǎn)到前輪的距離能有效提高半掛汽車列車操縱穩(wěn)定性.

［參考文獻(xiàn)］

［1］董金松.半掛汽車列車彎道制動(dòng)行駛方向穩(wěn)定性及協(xié)調(diào)控制策略研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

［2］楊秀建，康南，李西濤.半掛汽車列車橫向失穩(wěn)的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012（8）：79-89.

［3］關(guān)志偉.半掛汽車列車行駛穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2003.

［4］Adrian Simms，David Crolla.The Influence of Damper Properties on Vehicle Dynamic Behaviour［C］.SAE Paper，2002-01-03.

（責(zé)任編輯：李潔坤）

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2126（2016）03-0144-05

［收稿日期］2016-03-20

［基金項(xiàng)目］廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2013ZD002）。

［作者簡(jiǎn)介］龍佳慶（1983—），女，碩士研究生，講師，研究方向：汽車運(yùn)用技術(shù)。

The Simulation Test Research on the Step Input of Steering Wheel of Semidragging Trucks Based on the TruckSim

LONG Jiaqing1，2，WEI Chaoyi2

（1.Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou，Guangxi，545006 china.2.Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004 China）

Abstract:This paper describes building up the model of the semi-dragging trucks by the software called TruckSim to make the steer?ing wheel angle step input test，the way of which is to change the parameters of the tractor and the trailer in order to research the influence toward handing stability.The results show that the handling and stability characteristics has improved by increasing the tractor’s quality appropriately，lengthening the distance of the tractor’s axis，lengthening the distance between the trailer’s axis and the trailer’s wheels，reducing the trailer’s quality and reducing the distance between the tractor’s hinged joint and the front wheels.

Key words:semi-dragging trucks；TruckSim；the steering wheel angle step input；handing stability