基于Trucksim的下坡路段制動距離仿真與分析

曹龍　劉革

摘 要：為探究道路附著系數(shù)和車輛載重與坡度的交互作用對載重貨車制動距離的影響，以下坡路段為研究對象，通過Trucksim建立人—車—路耦合系統(tǒng)，進行了不同工況的仿真實驗，采用最小二乘法建立了坡度路段制動距離預(yù)測模型。最后，在某特定工況下驗證了該模型的合理性。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)理論模型相比，該模型計算結(jié)果趨于保守，以此作為坡度路段最小跟馳距離更有利于行車安全。關(guān)鍵詞：制動距離;載重;坡度;附著系數(shù);Trucksim中圖分類號：U467 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-103-03

Abstract：?In order to explore the influence of the interaction between road adhesion coefficient ，vehicle load and slope on the braking distance of truck， the downhill sections are taken as the research object. The human-vehicle-road coupling system is established by Trucksim， and the simulation experiments under different working conditions are carried out. The braking distance prediction model of slope sections is established by the least square method. Finally， the rationality of the model is verified under a certain working condition. The results show that compared with the traditional theoretical model， the calculation results of the model tend to be conservative， and it is more conducive to driving safety as the minimum following distance of the slope road section.Keywords： Braking distance; Load; Slope; Adhesion coefficient; TrucksimCLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-103-03

前言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，公路運輸網(wǎng)絡(luò)也日益完善，公路的貨運能力也得到了加強。在我國貨物運輸體系中，公路貨物運輸量在2018年末已超過390億噸，同比2013 年貨物運輸量增加接近90億噸，公路貨物運輸量比重高于70%，相比其它貨物運輸方式明顯領(lǐng)先[1]。但隨之而來的是交通事故的與日俱增。載重貨車由于在裝載貨物的情況下總重量更大，制動更加困難，更易引發(fā)追尾事故。特別是在下坡路段，若前方車輛因故障等原因突然制動，則后方車輛極易因為跟車太近、制動距離不足而引發(fā)追尾事故。路面坡度、貨車的載重和輪胎與路面間的附著系數(shù)對制動距離有著較大的影響，也對安全車距得選擇起到了重要的作用。

1 基于Trucksim的仿真模型建立

Trucksim 是由美國機械仿真公司（Mechanical?Simula?-tion?Corporation，即MSC），在密歇根大學(xué)公路交通研究所UMTRI多年的試驗及車輛動態(tài)研究經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，開發(fā)的一種動態(tài)模擬汽車整車動力學(xué)的仿真軟件[2]。該軟件可對中型到重型的卡車、客車和掛車進行動力學(xué)特性的仿真和分析。在進行整車性能仿真時，可根據(jù)初始理論設(shè)計參數(shù)，進行參數(shù)化模型搭建，而不用搭建實體模型，同時能夠在所做的不同仿真之間進行迅速地切換，快速便捷且具有較高的可靠性。

1.1?車輛動力學(xué)模型建立

參考《公路路線設(shè)計規(guī)范》[3]中規(guī)定的設(shè)計車型—6軸鉸接列車，由?Trucksim整車動力學(xué)模塊建立由6×4牽引車和3軸掛車組成的仿真試驗車型，見圖1，其主要參數(shù)設(shè)置：外廓尺寸為6800 mm×2500mm×3700mm，發(fā)動機最大功率為270kW，最大扭矩為900N/m，比功率為5.51kw/t，牽引總質(zhì)量為49000 kg，輪胎半徑為538mm，其余未知參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。

1.2?駕駛員模型建立

Trucksim駕駛員模型主要是對車輛行駛過程中的節(jié)氣門、轉(zhuǎn)向、制動、離合器和變速器的控制。駕駛員以80km/h恒定車速行駛，運行10s后采取制動操作，直至車輛停止，最大制動壓力為3Mpa，制動器起作用時間設(shè)定為2s，期間不采取任何加速、轉(zhuǎn)向和換擋操作。

1.3?道路場景模型建立

道路場景模型的構(gòu)建主要考慮道路的幾何特征、路面附著系數(shù)和道路超高3個因素。實驗選取縱坡路段，雙向2車道，設(shè)定車道寬度為3.75 m，瀝青混凝土路面，路面附著系數(shù)為0.7，路拱橫坡為2%，道路場景模型如圖2所示。

2?坡度路段制動距離仿真實驗

2.1?坡度和載重交互作用對制動距離的影響

制動距離影響因素眾多，本節(jié)通過仿真實驗，分析了在不同坡度和載重質(zhì)量的雙因素影響下，制動距離的變化，如表1所示。根據(jù)表1結(jié)果繪制雙因素影響下制動距離的三維曲面圖，如圖3所示。

運用Matlab軟件基于最小二乘法對雙因素影響下的制動距離進行擬合，坡度為x，載重為y，制動距離為z，擬合方程為：

擬合可靠度R2為0.94391，擬合程度較高，能運用此式求解不同載重和不同坡度時車輛的制動距離。

2.2?坡度和附著系數(shù)交互作用對制動距離的影響

本節(jié)通過仿真實驗，分析了在不同坡度和附著系數(shù)的雙因素影響下，制動距離的變化，如表2所示。根據(jù)表2結(jié)果繪制雙因素影響下制動距離的三維曲面圖，如圖4所示。

對雙因素影響下的制動距離進行擬合，坡度為x，附著系數(shù)為y，制動距離為z，擬合方程為：

（2）

其相關(guān)系數(shù)R2?= 0.9997。數(shù)值接近1，說明該數(shù)學(xué)模型計算精度高。

3 模型可靠性驗證

3.1 坡度和載重交互作用下的制動距離模型驗證

考慮到實車實驗危險性，故仍采用仿真實驗法對模型進行可靠性驗證。設(shè)置坡度為2.5%的縱坡，載重質(zhì)量為3185?Kg，其他條件不變。實驗結(jié)果如表3所示：

從表3可以看出，本文模型計算值最小，相比于傳統(tǒng)理論模型[4]更趨于保守，計算誤差從傳統(tǒng)理論模型的8.59%降至0.54%，精確度提升。

3.2 坡度和附著系數(shù)交互作用下的制動距離模型驗證

同理，設(shè)置坡度為2.5%的縱坡，附著系數(shù)為0.65，其他條件不變。實驗結(jié)果如表4所示：

從表4可以看出，本文模型計算誤差為3.34%，而傳統(tǒng)理論模型有1.38%的誤差，但本文模型計算結(jié)果更趨于保守。

4?結(jié)論

本文以坡度路段為研究對象，分析了道路附著系數(shù)和車輛載重與坡度的交互作用對載重貨車制動距離的影響，建立了各因素交互作用下制動距離預(yù)測模型。與傳統(tǒng)理論模型相比，本文模型計算誤差小，且計算結(jié)果更趨于保守。本研究結(jié)果為坡度路段最小跟馳距離的確定提供了一種安全、有效的方法，但所建模型僅適用6軸鉸接列車，具有一定的局限性，后續(xù)研究可適當(dāng)擴展車型進一步提高模型的通用性。

參考文獻

[1] 張巖.高速公路彎坡組合路段載重車最小安全行車間距研究[D]. 西安：長安大學(xué)，2019.

[2] 唐歌騰，任春曉，李臣.基于Trucksim的不同彎道半徑安全車速確定方法[J].公路交通科技，2016，33（6）：135-139.

[3] 中華人民共和國交通部.公路路線設(shè)計規(guī)范：JTG D20-2017[S].北京：人民交通出版社，2017.

[4] 陳煥江.汽車運用工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2016，?67-68.