重庆大学车辆行驶动力学.docx

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重庆大学车辆行驶动力学

重庆大学

车辆行驶动力学研究

学院：

机电工程

专业：

机械工程

班级：

研

车辆行驶动力学研究

目录

引　言2

1　半挂汽车列车运动微分方程的建立3

1.1　坐标系的建立3

1.2　半挂汽车列车运动微分方程4

2　半挂汽车列车虚拟样机模型5

2.1　建立模型5

2.2　整车模型的校验6

3　半挂汽车列车弯道行驶分析9

3.1　道路模型9

3.2　半挂汽车列车制动试验9

4　结　语13

参考文献:

14

引　言

半挂汽车列车在弯路行驶时,由于牵引车与挂车之间通过耦合连接且存在纵横交变的作用力,挂车轨迹会向牵引车转弯的内侧偏移,使得列车行驶通道加宽,严重时会刮碰弯道内侧的行人和车辆,造

成事故。

半挂汽车列车与普通汽车相比,其制动稳定性[1]问题尤为突出,制动性能较差的半挂汽车列车在制动过程中经常出现折叠和甩尾,以及牵引车和半挂车之间的相互撞击,会突然改变半挂汽车列车的行驶方向,造成重大交通事故。

从提高汽车列车主动安全性的角度出发,研究半挂汽车列车弯道行驶制动稳定性,具有现实意义[2]。

欧美自20世纪20年代以来,在汽车列车的操纵稳定性和制动稳定性方面展开了全面系统的研究。

近年,Chieh、Chen等人利用拉格朗日法建立了三轴半挂汽车列车整车模型[2],进行了每个车轮独立制动控制对提高半挂汽车列车横向稳定性的研究。

日本交通安全环境研究所在汽车列车的操纵稳定性研究中,利用模型试验与实车路试相结合的办法进行了研究,并进行了相关产品的研发。

以上研究主要运用复杂的数学模型对汽车列车的横向稳定性或制动稳定性进行独立的研究,对极限工况下弯道制动的研究较少[3]。

基于此,本文以单轴半挂汽车列车为研究对象,运用多刚体系统动力学理论和ADAMS/Car建立21自由度半挂汽车列车虚拟样机模型,分析其弯道行驶过程中制动的极限工况,以找到各因素对其稳定性的影响程度。

1　半挂汽车列车运动微分方程的建立

1.1　坐标系的建立

图1为牵引车和半挂车的简洁单轨双质心模型[4],其前轴和后轴上都仅有1个车轮,分别代表了每个轴上的2个车轮的线性化特征。

为了线性化,对轮胎以及它的非线性特征进行模型化,并认为其参考角和运动量都很小,从而忽略悬架的非线性。

在图1中,牵引车和半挂车质心处分别建立有相互独立的坐标系O1x1y1z1和O2x2y2z2,根据连接点的平衡条件和约束条件可对绝对坐标系xOy进行坐标变换[3]。

图1中:

a1为牵引车前轴至牵引车质心距离（m）;b1为牵引车后轴至牵引车质心距离（m）;a2为牵引点至半挂车质心距离（m）;b2为半挂车后轴至牵引车质心距离（m）;c为牵引点至牵引车质心距离（m）;wr1为牵引车横摆角速度（rad·s-1）;wr2为半挂车横摆角速度（rad·s-1）;u1为牵引车纵向速度（m·s-1）;u2为半挂车纵向速度（m·s-1）;v1为牵引车横向速度（m·s-1）;v2为半挂车横向速度（m·s-1）;FY1为牵引点侧向力在牵引车坐标系分量（N）;FY2为牵引点侧向力在半挂车坐标系分量（N）;δf为牵引车前轮转角（rad）;Fy1为牵引车前轮侧向力（N）;Fy2为牵引车后轮侧向力（N）;Fy3为半挂车后轮侧向力（N）;θ为牵引车与半挂车中线夹角（°）;1为牵引车与地面坐标系夹角（°）;2为半挂车与地面坐标系夹角（°）;p为牵引点;ay2为半挂车横向加速度（m·s-2）;ay1为牵引车横向加速度（m·s-2）。

1.2　半挂汽车列车运动微分方程

对牵引车和半挂车分别建立横向和横摆运动的微分方程[5],并运用牵引座的力约束条件消去不独立的变量,得到半挂汽车列车的运动微分方程。

牵引车运动微分方程组为

半挂车运动微分方程组为：

式中:

m1为牵引车质量（kg）;m2为半挂车质量（kg）;k1为牵引车前轮侧偏刚度（kN·rad-1）;k2为牵引车后轮侧偏刚度（kN·rad-1）;k3为半挂车后轮侧偏刚度（kN·rad-1）;Iz1为牵引车绕质心转动惯量（kg·m2）;Iz2为半挂车绕质心转动惯量（kg·m2）;v·1为牵引车横向加速度（m·s-2）;w·r1为牵引车横摆角加速度（rad·s-2）;v·2为半挂车横向加速度（m·s-2）;w·r2为半挂车横摆角加速度（rad·s-2）;δ′r为车轮转角微分[6]。

2　半挂汽车列车虚拟样机模型

2.1　建立模型

基于半挂汽车列车运动微分方程,在ADAMS/Car下,对整车各子系统进行分解和运动动力学抽象,根据各子系统的连接装配关系,在TemplateBuilder下建立各子系统的Template文件,定义子系统之间的Communicator。

获取各子系统的几何定位参数、物理参数和力学参数后,在Standard下建立各子系统相应Template的Subsystem文件,并代入子系统的参数特征[9]。

建立轮胎模板、转向系模板、牵引车前悬架模板、牵引车后悬架模板与车架模板等,在Standard下建立整车的Assembly文件,通过各子系统相应的通讯接口组装各子系统模型,并组成整车系统模型[10]。

为消除钢板弹簧建模给仿真带来的不便,本文采用螺旋弹簧非独立悬架替代车辆的平衡悬架[8]。

最后针对整车研究的不同方面,填写不同工况的仿真文件,并进行整车操纵稳定性仿真,将仿真计算结果进行加工和后处理。

半挂汽车列车整车仿真模型假设如下。

（1）没有防止横摆的稳定器。

（2）牵引车与半挂车铰接处无横向和纵向间隙。

（3）不考虑牵引车与半挂车车架的扭转变形。

（4）不考虑空气阻力。

建立的半挂汽车列车整车模型见图2,整车结构尺寸参数见表1。

2.2　整车模型的校验

根据GBT6323.6-94,采用固定方向盘转角的连续加速度法,稳态转向试验验证仿真结果见图3、4,转向盘转角阶跃输入试验验证仿真结果见图5~8。

由图3、4可以看出,前后桥侧偏角差值的仿真。

曲线与试验曲线在侧向加速度逐渐增大的情况下均越来越大,车身侧倾角也随着侧向加速度的增加而增加,仿真曲线与试验曲线变化趋势相近。

由图5~8可以看出:

在第1s时给转向盘70°转角,然后保持此转角不变的角阶跃输入,其横摆角速度迅速增大,随着汽车进入稳定状态,横摆角速度减小并趋于稳定值,且横摆角速度的仿真曲线与试验曲线吻合较好[11];

侧向加速度迅速增大然后趋于稳定值,且其仿真曲线与试验曲线吻合较好;侧倾角仿真与试验曲线差值较小,变化趋势相同,且最终稳定于相同的侧倾角。

通过对仿真结果与试验所得曲线比较可知,对于横摆角速度、侧倾角与横向加速度在半挂汽车列车虚拟样机和实车的转向瞬态响应方面有较高的精度,说明仿真模型有效。

3　半挂汽车列车弯道行驶分析

3.1　道路模型

本文采用ADAMS软件提供的道路类型,平整路面长度为200m,宽度为100m。

根据国家标准JT/T426—2000,对半挂汽车列车的转弯制动工况进行仿真。

3.2　半挂汽车列车制动试验

试验工况:

半挂汽车列车在摩擦系数为0·6的路面上以50km·h-1的速度直线行驶,对转向盘进行角阶跃输入,使侧向加速度达到2m·s-2,在转向后3s时开始对车辆进行制动,直到停车,仿真

结果见图9-14。

由图9可以看出,从转向盘角阶跃输入时刻开始,牵引车与半挂车折叠角增大到5°左右,从转向后3·5s开始,牵引车与半挂车折叠角急剧增加,达到60°左右,此时,牵引车与半挂车发生折叠[13]。

由图10可以看出,在对转向盘角阶跃输入以后,牵引车与半挂车侧向加速度快速增加,角阶跃输入3s后,牵引车与半挂车侧向加速度都达到2m·s-2,

此时实施制动,牵引车的侧向加速度线性减小,第6s时变为0,而半挂车的侧向加速度则持续增加,第6s时达到极值4m·s-2。

此时,由于半挂车失去轨迹跟踪能力,从而使半挂车的侧向加速度增大。

由图11可以看出,转向盘角阶跃输入后,牵引车与半挂车横摆角速度增加,牵引车在第1s左右达到稳定值,而半挂车在第2s左右进入稳定状态。

实施制动后,牵引车的横摆角速度迅速增大,第5s后减小,半挂车的横摆角速度则持续减小,第6s时变为0。

由图12可以看出,在转向输入后第3s实施制动时,牵引车与半挂车以几乎以相同的减速度减速,从大约4·5s开始,牵引车的减速度要大于半挂车的减速度,此时,牵引车与半挂车正处于折叠过程中,半挂车的车速要大于牵引车,直到两车同时停止运动[14]。

由图13可以看出,在实施制动后,牵引车右后轮迅速停止转动,而牵引车右前轮与半挂车右后轮以几乎以相同的减速度减速,且牵引车右前轮较半挂车右后轮先行停止转动。

由此可知,在制动过程

中,牵引车后轴先行抱死拖滑,由此引起半挂汽车列车发生折叠现象。

由图14可以看出,在转向盘角阶跃输入后,半挂汽车列车右侧车轮有几乎相同的侧偏角,实施制动后,牵引车右后轮侧偏角以较快的速度增大,达到70°,牵引车右前轮的侧偏角先增大然后快速减小到0,半挂车右后轮的侧偏角在实施制动后快速减小为0[15]。

4　结　语

应用虚拟样机软件ADAMS建立的半挂汽车列车整车动力学模型,可以对半挂汽车列车转弯制动进行仿真。

仿真结果显示:

在一定的侧向加速度下,半挂汽车列车转向制动时,牵引车与半挂车将发生折叠现象;实施制动后,牵引车的侧向加速度将线性减小,而半挂车的侧向加速度则以较快的速度增大;牵引车横摆角速度迅速增大,而半挂车横摆角速度则减小;牵引车后轴首先抱死拖滑,是牵引车与半挂车折叠的主因;牵引车后轮的侧偏角增大,牵引车前轮的侧偏角先增大再减小,半挂车后轮的侧偏角持续减小。

综上所述,半挂汽车列车在弯道制动时具有不稳定性,应对其参数进行优化,以降低对转弯制动稳定性的影响。

参考文献:

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