縱向質心位置對中置軸掛車的橫向穩定性影響

張義花 趙東 楊玉娥 安延濤

摘要：為提高中置軸掛車的橫向穩定性，根據TruckSim軟件構建卡車-中置軸掛車模型，包括輪胎模型、載荷模型、道路模型，進行整車在空載和滿載下的雙移線工況仿真分析。根據各個狀態變量的變化趨勢，得知中置軸掛車是引起整車失穩的主要因素，并得到側傾角速度和質心側偏角對評價中置軸掛車質心位置變化時的穩定性更為有效的結論。通過改變中置軸掛車的縱向質心位置，即質心前移、質心不變、質心后移的對比分析，得到質心前移0.2 m時，是整車發生側翻失穩的臨界條件。中置軸掛車滿載時的縱向質心位置與其車軸距離在前移0.45 m，后移0.2 m的范圍內時，可保證整車在平直路面上穩定行駛。該研究可為中置軸掛車的安全運輸提供參考。

關鍵詞：交通安全卡車-中置軸掛車縱向質心位置橫向穩定性

中圖分類號：U469.5+2文獻標識碼：A文章編號：1004-0226（2019）02-0084-05

前言

隨著GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》修訂及實施，中置軸掛車因具有運輸效率高、成本低、轉彎半徑小、底盤低等優點，將成為轎運車的主流運輸形式”[1]。由于中置軸掛車存在前后載荷易失去平衡、杠桿效應，以及側翻、蛇形失穩、耦合器磨損等缺陷[2-3]，使得其行駛安全性下降，并對道路上行駛的其他車輛構成安全隱患。因此，歐美發達國家及國內相關研究機構對中置軸掛車的操縱穩定性進行了研究。

Van等對歐洲多種汽車列車類型進行了橫向動力學分析，利用后部放大系數（RWA）對比，分析了單車軸、多車軸下的RWA大小，驗證了中置軸掛車具有較低的RWA值[4]。Aoki A等構建了多個掛車的汽車列車線性模型，利用穩定性因數分析了不同軸數對多鉸接式汽車列車的穩定性影響[5]。Fanchcr P等分析了多種汽車列車的方向生能，并對中置軸掛車的鏈接形式進行了研究[6]。Kharrazi S等利用掛車軸的主動轉向控制對多種汽車列車進行了穩定性控制，其中卡車-中置軸掛車控制后其RWA下降了69%，并減小了軌跡偏移量[7]。利用前饋和反饋結合的控制方法，同樣可提高中置軸掛車的橫向穩定性[8-9]。Hou等分別對四種不同類型的汽車列車在不同環形交叉路口的側傾穩定性進行了研究，并利用側傾指標進行仿真分析，得到了后部掛車更易側翻的結論[10]。Sundstrom P等利用基于模型的方法對長重型汽車列車進行了設計和控制研究[11]。Kural K等對長重型汽車列車的仿真模型進行了驗證，并分析了靜態、準靜態和瞬態情況下各個狀態變量的變化[12]。在轎車-中置軸掛車研究中，通過建立不同自由度的整車模型，仿真中置軸掛車的制動和主動轉向過程中的各狀態變量變化，以評價整車行駛的穩定性[13]。Lainc L等利用正弦停滯測試的方法對卡車-中置軸掛車在低附著路面上的橫向穩定性進行了評估[14]。以上對多掛汽車列車的研究中，分別從結構、使用及控制策略方面進行了分析，但缺乏對中置軸掛車典型行駛工況下縱向質心位置變化的研究。

因此，本文將利用TruckSim軟件建立卡車-中置軸掛車模型，包括輪胎模型、載荷模型和道路模型，分別在整車空載和滿載下進行雙移線工況的仿真分析與對比研究;通過改變中置軸掛車的縱向質心位置，分析質心移動對整車行駛穩定性的影響，為中置軸掛車的安全運輸提供參考。

2卡車-中置軸掛車多體動力學模型構建

為分析卡車-中置軸掛車的橫向穩定性，需進行相應的模型構建，包括車輛模型、輪胎模型、載荷模型及道路模型的構建過程。

2.1車輛模型構建

選用TruckSim軟件Ilf的卡車為“Military：5-Ton TruckSprung Mass”，中置軸掛車選用了“Military Trailcr”，兩者利用牽引銷連接，整車由4根軸組成，卡車的后軸為雙軸，如圖1所示。卡車-中置軸掛車的模型參數見表1。

2.2輪胎模型

不同載荷下非線性輪胎模型具有不同的側偏特性，如圖2所示，在側偏角在不大于10。時，隨著載荷的增加，輪胎的側偏力呈線性增加;當側偏角超過10°時，載荷增加，輪胎的側偏力輕微下降后不再變化。

2.3載荷模型

要進行中置軸掛車縱向質心位置變化的研究，載荷模型的構建至關重要。圖3和4分別為中置軸掛車載荷模型和對應的空、滿載時質心的位置，其中紅色方框中表示質心到前軸的距離，通過改變該數值的大小可改變質心的縱向位置。在圖4中，根據文獻[15]中設計總質量分布以車軸為中線，前半部比后半部要大于10%的設計要求，文中的中置軸掛車空載和滿載時的質心位置均位于中置軸的前部，滿足設計的要求。根據多次仿真結果，同時為分析中置軸掛車對整車行駛穩定性的影響，本文只對中置軸掛車的縱向質心位置變化進行仿真分析。

2.4道路模型

在雙移線工況下仿真時，道路模型選擇附著系數為0.85的平直路面，如圖5所示。

3對比仿真與評價指標確定

根據構建的多體動力學整車模型，設定車輛進行雙移線行駛的速度為72 km/h，其方向盤轉角如圖6所示。分別仿真空載和滿載工況下，整車的狀態變量變化。

由圖7可知，卡車在空載和滿載下的側向加速度變化大小相當，而中置軸掛車在空載和滿載時對應側向加速度的最大值分別為4.8 m/s2和5.5m/s2.且滿載后的掛車振蕩變化更劇烈，這說明載荷增加對中置軸掛車的橫向穩定性具有重要影響。由圖8中橫擺角速度的變化可知，無論空載還足滿載，中置軸掛車的橫擺角速度均出現振蕩變化，且數值較大，大于卡車的柑應值，這說明中置軸掛車足引發整車失穩的主要因素。

由圖9可知，空載時卡車和中置軸掛車對應的最大值分別為1.56（°/s）和0.80（°/s），而滿載對應值分別為8.68（°/s）和12.40（°/S）。這說明滿載后側傾角速度大幅度增加，是因為載荷增加，使得車輛的質心升高，增加了整車的側傾趨勢。載荷的增加，同樣使得中置軸掛車的俯仰角速度增加，特別在雙移線完成時更明顯，如圖10所示。

對比圖8～10，從數值大小變化可知，中置軸掛車在三個方向上的角速度變化均比卡車的對應值大，而整車的俯仰角速度變化均最小。這說明在卡車-中置軸掛車雙移線工況下，減小橫擺角速度和側傾角速度是提高整車行駛穩定性的關鍵。其中側傾角速度的振蕩變化更為劇烈，可作為縱向質心位置變化時中置軸掛車的橫向穩定性評價指標。

由圖11可知，滿載時中置軸掛車的質心側偏角變化最大，即4.35°，說明載荷增加后，后部掛車的行駛軌跡偏移量增加。而載荷的增加，并沒有使得卡車與中置軸掛車之間的鉸接角增加，如圖12所示。

綜上分析可知，中置軸掛車足影響正常行駛穩定性的主要因素;隨著載荷的增加，中置軸掛車的側傾角速度和質心側偏角的變化更為劇烈，表現為側傾趨勢增加，軌跡保持能力下降。因此，在縱向質心位置變化時，選用這兩種狀態變量進行中置軸掛車的橫向穩定性分析。

4縱向質心位置對整車橫向穩定性影響分析

設定卡車在承受載荷后質心位置不變，只對中置軸掛車的縱向質心位置變化進行分析。在滿載工況下，分別仿真中置軸掛車的縱向質心前移、不變、后移時，對側傾角速度和質心側偏角的影響。根據多次仿真結果，確定表2中的縱向質心位置變化。由表2可知，中置軸掛車質心后移0.2 m后，結合圖4中的質心位置，中置軸掛車的質心位置仍在其軸的前部。車輛的仿真速度和雙移線工況同以上設置。

由圖13（a）可知，質心后移0.2 m時，中置軸掛車的側傾角速度達到穩態的時間比質心不變時更短，且振蕩更小：質心前移0.2 m時，在雙移線完成時出現了劇烈的振蕩變化，最大值為31.34（。/s），表現為嚴重的側傾失穩。這說明縱向質心位置前移會加速整車的橫向失穩。

在圖13（b）中，質心后移0.2m與質心位置不變時的質心側偏角變化趨勢基本一致，說明中置軸掛車空載時的質心前移設計可以彌補滿載時質心后移的不足，而更有利于穩定性行駛;質心前移0.2m時，雙移線完成時質心側偏角出現了大幅度增加，即中置軸掛車的行駛軌跡偏移量增加，最大值為4.98°，這說明質心前移使得中置軸掛車的軌跡偏移嚴重，表現為蛇形運動。

為分析中置軸掛車質心后移量對整車穩定性的影響，又做了多次仿真并對比各個狀態變量的變化，發現滿載時質心后移0.45m時整車丌始出現振蕩變化，即滿載時質心在中置軸掛車軸中心位置的后部0.2m處時出現失穩。這說明滿載時，縱向質心位置與中置軸掛車車軸之間的距離在一定范圍內時，可保證整車在雙移線行駛工況中的穩定性。

綜上分析可知，中置軸掛車滿載時質心前移0.2m是整車發生側翻失穩的臨界條件，整車易發生側翻失穩;縱向質心位置在距離掛車車軸中心位置前移0.45m，后移0.2m的范圍內時，可保證卡車-中置軸掛車在平直路面上穩定性行駛。因此，中置軸掛車滿載時，合理的載荷分配對典型行駛工況下的車輛穩定性具有直接影響。

5結語

根據TruckSim軟件構建卡車_中置軸掛車模型，包括輪胎模型、載荷模型和道路模型，進行了整車空載和滿載下的雙移線工況仿真，并對各個狀態變量進行了對比分析，確定了中置軸掛車在雙移線工況下的最偉評價指標;通過改變中置軸掛車的縱向質心位置，分祈質心前移、質心不變、質心后移對中置軸掛車側傾角速度和質心側偏角的影響，得到了如下結論：

a.對比整車在空載和滿載下的雙移線工況仿真可知，中置軸掛車是引起整車失穩的主要因素：

b.中置軸掛車滿載時質心前移0.2m，是整車發生側翻失穩的臨界條件;

c.中置軸掛車滿載時的縱向質心位置與其車軸中心之距在前移0.45m，后移0.2m的范圍內時，可保證整車在平直路面上的行駛穩定性。

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