汽车列车横向稳定性研究

汽车列车横向稳定性研究

刘伟建李志栋卢宗宝王育欣

陕西重型汽车有限公司陕西西安710200

摘要:汽车列车是牵引汽车与挂车相互作用、相互耦合的复杂系统,其横向稳定性研究涉及多体动力学、刚柔耦合力学、气体动力学、车辆非线性运动和电子控制等多个学科。

关键词:横向稳定性;汽车列车

汽车的横向稳定能力具有一定的限值，尤其当汽车高速行驶时，在横向力作用下极有可能丧失横向稳定性而产生横向滑移或横向倾翻。为保证行车安全，国外多个发达国家或地区已开始通过制定技术法规强制采用底盘控制措施来提高汽车的横向稳定性，以在紧急情况下主动干预汽车操纵性，恢复汽车的稳定状态，使汽车重新并及时按照驾驶员的意图行驶，从而改善汽车在各种道路条件和工况下的响应特性，保持行驶稳定性和可操纵性，最终减少汽车失控导致的交通事故。

一、汽车横向稳定性及其重要作用

随着道路交通条件的改善，以及汽车技术水平的提高，汽车的行驶速度越来越快，汽车高速行驶发生的侧滑、翻车、碰撞等事故剧增。大多数严重的事故是由汽车高速行驶失控所引起，它们与车辆横向的稳定性能密切相关。汽车横向稳定性是指汽车在行驶过程中，在外部因素作用下能够保持正常行驶状态和方向，不致发生失控而产生侧滑、侧翻现象的能力，是一个涉及驾驶员、汽车和环境的复杂问题。汽车在受侧向风作用、高速转弯或在湿滑路上转向时，所受横向力常常接近附着极限或达到饱和状态，使车辆动力学特性，特别是转向特性发生明显改变，若行驶中汽车所需的控制力大于车轮与路面间的附着力，则汽车将失去控制，从而丧失稳定性，出现侧滑、急转和侧翻等丧失稳定性的危险工况。汽车在高速行驶过程中，能否实现安全转向、保持其横向稳定性是最重要的前提。在很多情况下，驾驶员在遇到紧急情况时的恐慌应对也常常使车辆运动达到轮胎与路面附着的物理极限，从而导致车辆失控而发生交通事故。因此，如何控制车辆的运行状态，使车辆能够按照驾驶员的意图行驶，防止车辆失去横向稳定性成为研究和提高汽车主动安全技术的重要内容和方向。

二、汽车列车横向稳定性研究方法和评价

1.模型分析。汽车列车横向稳定性主要表现在惰行工况和受横向扰动时车辆的蛇行(snaking)、折叠(jackknifing)和摆动(swing)。为便于讨论可建立图1所示的多重连接汽车列车模型,在牵引汽车后可进行任意半挂车和全挂车的组合。当n=1时是半挂车;n=2时是半挂车-全挂车组合;n≥3时,在公路运输中很少使用,一般常用于仓储物流中心和机场码头,但在轨迹控制的研究中经常应用。

近年来利用模型台架试验和计算机仿真相结合的方法,以某型半挂汽车列车为例,探讨了结构参数和使用参数对横向稳定性的影响。图2为n=2时汽车列车在平直路面直线行驶时横摆位移随时间和车速变化曲线,低速时横向摆振位移随时间成正弦规律变化且振幅逐渐衰减。

图2横摆位移时间车速变化曲线

速度增大,横摆位移随时间变化趋势相同,但相同时刻的振幅较低速时增加。a轴为挂车重心位置至牵引点距离。当牵引点位置与挂车质心重合(a=0)时,横摆振幅随时间急剧变化。随着a增加,横摆振幅呈衰减的正弦规律变化,质心与挂车后轴的距离越大,列车行驶越稳定。在低速工况下,半挂车横摆角速度与侧向加速度的峰值均小于牵引车。在高速工况下,半挂车横摆角速度与侧向加速度的峰值均大于牵引车。这说明转向过程中,随车速的增加,半挂车相对牵引车有一定放大作用。且车速增加时,横摆角速度与侧向加速度响应曲线的峰值、超调量增加。在转向盘角阶跃输入条件下的两种仿真车速的仿真计算结果中,牵引车与半挂车侧向加速度的稳态值最终都相等。

2.试验方法及评价。汽车列车横向稳定性研究手段可归结为实车试验、相似模型模拟台架试验和计算机模拟3种。实车试验由于路试临界状态的危险性和对试验路面要求的特殊性而受到了限制。模型模拟试验是以相似理论为基础,通过建立模型,运用模型模拟试验来再现或表现事物现象的本质。因而,其试验结果可以推广应用到与之相似的对象上。中国正在制定汽车列车性能评价的相关标准,其中大多是单车试验方法和标准。将汽车列车的试验方法及评价标准进行准确分类是一个比较困难的过程。由于出发点不同,归类的方法也有差异。参照单车的试验方法并考虑到汽车列车的固有特性归纳后列在表1中。

表1汽车列车试验法

3.力学分析方法及相关软件。汽车列车动力学分析方法主要有以牛顿-欧拉方

程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日方程为代表的分析力学方法。近年来在古典刚体力学、分析力学和计算机技术基础上发展起来的多刚体动力学有了长足进步,同时也促进了汽车列车动力学仿真的发展。许多软件具有汽车列车运动学和动力学仿真功能,如美国密西根大学的ARCSIM和TruckSim、美国MDI公司的ADAMS、韩国FunctionBay公司的RecurDyn和俄罗斯的Euler软件等。ADAMS和ARCSIM是目前在汽车列车仿真中应用较广的两个软件。（1）牛顿-欧拉法。用牛顿-欧拉矢量力学方法推导出的微分方程具有对称严格、方程简洁、易于计算机求解等特点。它采用自顶向下的分析方法,将汽车列车整个系统分成若干子系统,再将子系统划分成单个刚体进行受力分析;建立动力学方程时,首先给出每个刚体的线动量Gi和角动量Hi,取隔离体对每个物体利用牛顿-欧拉方程消去约束力,将复杂的力学问题加以转化。但需对作为隔离体的单个刚体列写牛顿—欧拉方程。随着组成系统的刚体数目的增多,铰约束力的出现会使未知变量的数目明显增多。为此,德国学者W.Sch-iehlen教授用达朗伯原理和Jourdain原理消除约束反力,得到与系统自由度数目相同的动力学方程。ARCSIM软件是由美国密西根大学自动化研究中心开发的。它采用牛顿-欧拉法建模,用于分析和仿真六轴汽车列车制动、操控性能的优秀软件包。该软件包含非线性轮胎模块、非线性弹簧模块、重型卡车的悬架模块和操控模块,以及多种虚拟测试仪器接口。开环控制中有制动时间和转向轮转角两种输入方式。同时,该软件也提供闭环控制选项,并可实时生成3D动画和图表。最新版TruckSim5中的动画软件SurfaceAnimator运用OpenGL技术,可表现出阴影路面,提供更快、更逼真的动画仿真效果。TruckSim为大型车辆运动方程式解题器的主程序,使用者除了可以用MSC提供的DataBase、SimulationGraphicUserInterface﹑Plotter与animator进行计算与分析之外,还可使用Simulink或自行编写C程序代码来调用DLL作为plantmodel的仿真。（2）拉格朗日法。采用拉格朗日法解动力学方程时,可避免出现不做功铰的理想约束反力,使未知变量数目减少到最低限度。但随着刚体数和自由度的增多,动能和势能函数急剧扩张。因此,加大了求导动能函数和势能函数的计算量。当系统稍有改动或物理模型稍有变化时就必须重新推导。对于具有多余坐标的完整和非完整约束系统,采用带乘子的拉氏方程处理是一种格式化的方法。导出以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程与广义坐标数目相同的带乘子微分方程,则得出的系统动力学方程是混合的微分-代数方程组。其特点是方程数目相当大,并且常是刚性的。

汽车列车运输在现代社会发挥着越来越重要作用的同时,也面临着各种行驶安全性问题。本文综述了汽车列车横向稳定性的国外研究现状、研究方法和试验手段,总结了中国在汽车列车横向稳定性研究方面所取得的进展,分析阐述了汽车列车动力学的主要建模方法及代表性仿真软件。

参考文献：

[1]李丽.汽车横向稳定性与交通安全分析[J].内蒙古公路与运输，2016，

[2]郑晓红.汽车稳定性控制[J].自动化博览，2016，