牽引車-半掛車列車轉向性能仿真分析

黃繼剛 李琳 顧信忠

南京航空航天大學金城學院 江蘇南京 211156

牽引車-半掛車列車轉向性能仿真分析

黃繼剛 李琳 顧信忠

南京航空航天大學金城學院 江蘇南京 211156

1 前言

隨著社會的發展，越來越多的大型貨物及設備都需采用超長半掛列車運輸，因此超長半掛車在軍用和民用領域都具有非常重要的地位，但由于車身較長，其轉向性能往往不太好：最小轉彎直徑較大，影響原地掉頭能力；牽引車和半掛車折疊的臨界轉彎直徑較大；列車的通道寬度較大，影響車輛通過性能；轉彎時半掛車輪胎和路面之間橫向滑移較大，加速輪胎磨損。因此，市面上三軸以上常規半掛車較為少見，文獻[1]認為采用液壓轉向可以較好地解決三軸以上半掛車的轉向性能差的問題。

關于掛車后軸轉向技術，蘇聯和日本早在上世紀八十年代就有相關專利；國內漢陽特種汽車制造廠也曾研制動力液壓隨動轉向系統；后來日本還研制出用電子控制器實時控制轉向的掛車轉向系統[2]。很多學者對此進行過深入研究，文獻[2]設計了掛車與牽引車前輪同軌跡轉向的控制算法，并進行了仿真分析；文獻[3]采用液壓系統控制掛車與牽引車后軸中心同軌跡，提高了車輛的轉向性能；文獻[4]中建立了組合半掛車轉向系統的優化模型，并用ADAMS對轉向機構進行優化設計；文獻[5,6]采用 MATLAB對多軸半掛車的轉向傳動機構進行優化，使其在轉向時各車輪接近純滾動。

文獻[3]中雖然能夠保證同軌跡轉向，但掛車的運動軌跡是由六個車輪共同決定的，因此不能保證每個輪胎的橫向滑動很小；而文獻[4-6]的優化結果可減少輪胎的橫向滑動，但是未能提高車輛的通過性能。本文以某超長轉向三軸半掛車為研究對象，通過動力學仿真，首先分析軌跡誤差，并對比了掛車后軸轉向和不轉向時整車通過性能，結合輪胎側偏角的分析結果，提出了轉向機構改進的建議。

2 半掛車多軸轉向理論及其實現

2.1 半掛車后軸轉向

半掛列車在轉向時除了要求所有車輪都繞同一個瞬心做圓周運動外，也非常重視車輛的通過性能。而車輛通道寬度和牽引車的轉向角、列車最大轉彎直徑、車輪轉向角、行駛車速等相互制約、相互影響，難以精確計算和控制。

后軸轉向掛車常采用穩態同軌跡方法設計。所謂穩態同軌跡，是指車輛達到穩態轉向時，掛車上某一點與牽引車上的某一點以相同的軌跡運動，有兩種設計方案。以單轉向橋、雙驅動橋牽引車拖動三軸半掛車為例，一種方案是掛車的中橋中心與牽引車雙聯驅動橋中心保持同軌跡[3]，如圖1(a)所示；另一種方案則是掛車的中橋中心跟蹤牽引車轉向橋的中心[2]，如圖1(b)所示。

從圖1可以看出，牽引車轉角相同時，內側通道半徑R'2>R2，方案二內側通道半徑較大，有利于降低內側區域事故率。但此時掛車中軸中心軌跡半徑R'0>R0，即方案一可以獲得更小的轉彎半徑，可提高半掛車機動性。而且掛車與牽引車的外側通道半徑之差R'3-R'1>R3-R1，方案二的外側通道的半徑更大，轉向時掛車尾部掃過更大的外側區域，駕駛員難以從倒車鏡觀察到，非常不利于轉向安全，所以設計掛車轉向系統時常常采用方案一。圖1中，R0、R'0分別為方案一、二掛車中軸中心軌跡半徑；R1、R'1分別為方案一、二牽引車外側通道半徑；R2、R'2分別為方案一、二內側通道半徑；R3、R'3分別為方案一、二掛車外側通道半徑。

2.2 半掛車轉向系統

本文以某企業生產的超長伸縮三軸半掛車為研究對象，該掛車采用中梁式結構，貨臺長9 390 mm，寬2 990 mm，掛車總長12 590 mm，共裝配12只315/80R22.5子午線輪胎。空載質量為10 000 kg，軸荷2 133 kg，滿載時47 000 kg，軸荷9 273 kg。掛車后三橋為轉向橋，由采用方案一設計的轉向機構驅動，如圖2、3所示。活動支承板與牽引銷固定連接，并用回轉軸承與掛車車架連接。與牽引車鉸接后，活動支承板上定位塊與牽引車鞍座配合定位。整車轉向時，活動支承板繞牽引銷軸線相對掛車自由轉動，偏心鉸接的推力桿推動擺臂擺動，與擺臂相連的液壓缸A和B被拉伸或壓縮，如圖2所示。

液壓缸A、B和掛車尾部的液壓缸D、C的有桿腔和無桿腔分別相連，形成封閉回路。由于內徑和活塞桿直徑相同，液壓缸A和D、B和C的伸縮量相同。液壓缸C、D的伸縮運動驅動掛車后橋轉向擺臂擺動，通過后橋的橫推桿驅動后橋轉向，同時也經縱推桿驅動前橋和中橋轉向擺臂擺動，與轉向擺臂鉸接的橫推桿驅動前橋和中橋轉向。

3 半掛車轉向性能動力學仿真分析

該轉向系統是以牽引車和掛車的軸線夾角α為輸入信號控制掛車各轉向橋轉向的，而夾角α是由掛車的運動狀態確定的，如圖4所示，其動力學方程為[7,9]：式中，F1為牽引車對掛車的牽引力、F2為掛車的離心力；F3為路面附著力；F1y、F3y為F1、F3的橫向分量；L1、L3則是F1、F3到掛車質心的力臂；m為掛車的質量；ay為 橫向加速度；Iz為繞Z軸的轉動慣量；γ為角加速度。

掛車的運動狀態是由其受載決定的，而運動狀態的變化也會改變車輛的受力狀態。對于恒定的牽引車轉角輸入，夾角α的特性類似于非線性系統的輸出，存在時間上的滯后和執行上的誤差，經過一段時間的振蕩后達到穩態值[8]，如圖5所示。該穩態值在設計階段難以獲得，使列車實際轉向特性與設計目標常常存在較大差異，所以對整車進行動力學仿真分析是十分必要的。3.1 多體動力學建模

首先將掛車零部件的三維數模導入ADAMS中并設置質量屬性，然后按照實際情況添加運動副同時驗算模型自由度數目。還需要在轉向節上裝配輪胎，屬性文件選擇軟件自帶的PAC2002_315_80R22.5。液壓缸A、B的行程設置為兩個measure，作為轉向液壓缸D、C的驅動函數，完整的掛車模型如圖6所示。

牽引車為6×4三橋牽引車，整車質量為8 870 kg，前橋最大承載為7 100 kg，雙后橋最大承載為25 000 kg。鞍座離地高度為1 350 mm，允許最大承載為19 950 kg，牽引銷孔中心至雙聯驅動軸中心縱向距離為375 mm。三維模型導入ADAMS后同樣需要正確設置質量屬性和裝配輪胎，并將牽引車鞍座和掛車活動支承板固定連接。由于牽引車為后橋驅動且轉向時內外側車輪轉速不等，可推導內外側車輪的轉速關系[9]：

式中，ωi、ωo分別為內外側驅動輪的角速度，β為前輪轉向角，L為牽引車軸距，B為驅動輪輪距。按照公式(2)設置驅動輪角速度可模擬實車差速器，以保證轉向時驅動輪純滾動。3.2 仿真結果

該掛車主要用于廠區內大型吊車臂運輸，對行駛車速沒有要求，故設置車速為牽引車的最低穩定車速10 km/h，設置仿真時間80 s，仿真步長0.01 s。牽引車的轉向角分別為10°、15°、20°和25°時的仿真結果如圖8、9所示。圖8中外側為牽引車驅動橋中心的運動軌跡，內側為掛車中橋中心的運動軌跡，可見掛車的轉彎直徑小于牽引車，且隨著牽引車轉向角增大，兩條軌跡之差也越來越大，即轉彎通道寬度也增大，如圖9所示。當轉向角達到25°時，牽引車與掛車折疊，這是非常危險的現象。

為了便于比較，也對無轉向橋掛車進行了10°、15°和20°轉向角轉向仿真，對比結果如圖10所示。轉向橋掛車的轉彎直徑均比無轉向橋大，則轉向橋掛車受到的離心力較小，可減小車輛側滑的趨勢，對提高半掛車行駛的安全性非常有利。由于整車的最大轉彎直徑由牽引車決定，如圖8所示，轉向橋掛車的轉彎直徑較大并不影響整車的機動性能。相反，此時轉彎通道寬度較小，有利于提高車輛的通過性能。

圖11、12為各輪胎側偏角仿真結果，無轉向橋掛車的側偏角絕對值比轉向橋掛車對應車輪的大，如表1所示，若輪胎長期處于大側偏角狀態甚至側滑會加速輪胎磨損，降低輪胎的使用壽命。圖11中還出現了側偏角突變至零的現象，說明此時車輪發生側滑，對車輛行駛的穩定性非常不利。

圖12中轉向橋掛車前橋輪胎的側偏角為正、后橋為負，表明前后橋的轉向角絕對值均比設計目標值小，該結論與中心軌跡誤差相符，因此需要對轉向機構進一步優化，以保證所有車輪的側偏角接近。

表1 掛車輪胎側偏角的穩態均值

4 結語

半掛車在轉向過程中牽引車轉向角、列車最小轉彎直徑、掛車轉彎直徑、列車通道寬度等重要參數對車輛的行駛安全性、穩定性和通過性均有重要影響，而且這些參數是整車轉向時的動態響應，相互制約、相互影響，設計過程中難以精確計算，可采用動力學仿真方法進行分析。通過仿真分析可得到以下重要結論：

a. 保持掛車與牽引車前橋中心同軌跡可以獲得更大的內側通道半徑，但外側通道半徑也較大，不利于行車安全;

b. 掛車采用轉向橋并不是為了減小掛車的最小轉彎直徑，其主要目的是減小通道寬度;

c. 轉向橋掛車能夠減少輪胎的側偏角及輪胎的橫向滑動，有利于提高車輛的橫向穩定性和延長輪胎的使用壽命;

d. 轉向過程中，當掛車輪胎的側偏角接近時，輪胎承受的橫向附著力相近，說明所有車輪近似繞同一點運動，轉向機構才是比較理想的。

[1] 趙龍.液壓技術在半掛車中的應用[J].專用汽車,1990,(1):36-37.

[2] 裴金.半掛車復雜路線同軌跡轉向的研究[J].專用汽車,1992,(2):6-11.

[3] 宮慧敏.超長型半掛車全輪轉向的理論關系及實現方法[J].專用汽車,1997(4):6-10.

[4]鄧小禾,馬力,喬媛媛.液壓模塊式組合半掛車轉向系統優化設計[J].專用汽車,2009,(9):46-49.

A Simulation Analysis on Steering Performance of Tractor Semi-trailer Combination

HUANG Ji-gang et al

為了分析某半掛列車的轉向性能，運用ADAMS軟件，建立了牽引車-轉向橋半掛車的動力學模型并完成仿真分析，仿真結果與理論設計目標存在一定誤差。故同時對無轉向橋掛車進行了仿真模擬，并與轉向橋掛車進行了比較。結果顯示，轉向橋掛車不僅可以明顯減小整車的通道寬度，有利于提高整車的通過性能，而且其轉彎直徑較大、離心力較小，輪胎的側偏角和橫向滑動較小，對提高車輛行駛穩定性和延長輪胎的使用壽命均非常有利。

通過性能 牽引車-半掛車列車 動力學仿真 ADAMS軟件

A multi-body dynamics model was developed by using the ADAMS software to analysis the steering performance of the tractor semi-trailer combination. The results of simulation and design target are not consistent. The model of semitrailer without steering axles was also simulated for comparison. The simulation results showed that semi-trailer with steering axles can significantly reduce turning clearance width, and was beneficial to improve traffic ability. As a result of larger turning diameter, the centrifugal force and slip angles of tire were smaller, which provided a benefit to vehicle stability and service life of tires.

clearance; tractor semi-trailer combination; dynamics simulation; ADAMS software

U469.5.02

A

1004-0226(2016)11-0094-04

黃繼剛，男，1982年生，講師，研究方向為汽車設計、計算機仿真、CAE。

2016-08-31