雙半掛汽車列車操縱穩定性典型試驗工況研究*

王銳，黃超智，周金應，熊萬全，張浩

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

雙掛汽車列車作為大容量、高效率、低成本的先進車型，在經濟、環境、社會等方面均具有明顯的效益。雙半掛汽車列車作為雙掛汽車的一種，它由牽引車和兩輛半掛車組成，各車輛單元通過鞍座進行鉸接，國外稱之為B-double列車。雙半掛汽車列車在傳統半掛汽車列車的基礎上增加一節車輛單元，具有車身長、鉸接點多、載質量大、質心高等特點，實際運行中更易發生側翻、折疊、甩尾等失穩狀況。目前國內部分企業已試制了雙半掛汽車列車產品，但在操縱穩定性方面缺少深入研究。對雙半掛汽車列車操縱穩定性進行研究對于后續制定相關標準、提升行車安全性具有重要意義。

1 國內外相關試驗方法及評價指標

1.1 國外試驗方法及評價指標

國外發達國家對汽車列車操縱穩定性的試驗研究較早，并形成了較完善的標準體系(見表1)。

表1 國外汽車列車操縱穩定性主要試驗標準

評價指標方面，國外常用汽車列車操縱穩定性評價指標有后部放大系數、靜態側翻閾值、載荷轉移率、橫擺阻尼、直線行駛偏移量、過車過沖、高速穩態偏移量、低速偏移量。

1.2 國內試驗方法及評價指標

中國最早出臺的汽車操縱穩定性試驗標準為GB/T 6323—1986《汽車操縱穩定性試驗方法》，該標準主要適用于M、N和G類車輛，其他類型汽車可參照執行。通過借鑒國外標準，中國汽車列車操縱穩定性標準得到進一步完善，相關標準見表2。

表2 國內汽車列車操縱穩定性主要試驗標準

國內汽車列車操縱穩定性評價指標主要包括靜態側傾閾值、橫擺角速度、側向加速度、后部放大系數、直線行駛軌跡偏移量等。雖然轉化了部分國外汽車列車操縱穩定性標準，但仍存在標準不完善、評價指標限值缺失等情況。

2 雙半掛汽車列車仿真模型構建及試驗驗證

2.1 樣車參數

選取某企業試制的雙半掛汽車列車作為試驗樣車，樣車外廓尺寸、軸荷等均滿足GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》的要求，其基本參數見表3。

表3 試驗樣車的基本參數

2.2 樣車仿真模型構建

通過TruckSim仿真軟件建立試驗樣車仿真模型，模型包含車體、空氣動力學、轉向系、制動系、傳動系、輪胎、車軸、懸架、牽引裝置、載荷等子系統(見圖1)。

圖1 雙半掛汽車列車動力學模型

2.3 實車測試系統搭建

測試系統主要由IMC陀螺儀、IMC陀螺儀終端、RT陀螺儀、數據采集模塊、方向盤力角度儀、方向盤力角度儀終端、計算機(PC)等組成(見圖2)。其中：IMC陀螺儀安裝在牽引車上，用于測量牽引車質心位置相關動力學參數；IMC陀螺儀終端用于接收IMC陀螺儀的數據并通過CAN信號傳輸到數據采集模塊；2個RT陀螺儀分別安裝在2節掛車上，分別測量第一節掛車、第二節掛車質心位置的動力學參數；RT陀螺儀的參數通過CAN信號傳輸到數據采集模塊并與牽引車數據保持同步；方向盤力角度儀用于測量方向盤轉角、操縱力、力矩等參數；方向盤力角度儀終端用于接收方向盤力角度儀數據并通過模擬量信號傳輸到數據采集模塊。最后將數據采集模塊中的數據導入PC端進行后處理。

圖2 雙半掛汽車列車操縱穩定性測試系統

2.4 仿真模型驗證

通過單車道變換試驗對雙半掛汽車列車仿真模型進行驗證。單車道變換試驗按GB/T 25979—2010《道路車輛 重型商用汽車列車和鉸接客車 橫向穩定性試驗方法》進行，該試驗主要針對汽車列車提出，側重于汽車列車橫向穩定性評價，為開環試驗。試驗過程中，通常對車輛轉向盤施加一個完整的正弦轉角輸入，測量轉向盤轉角、縱向車速、側向加速度等參數。試驗車速設置為60 km/h，轉向盤轉角最大值為60°，轉向頻率為0.2 Hz。實車試驗及仿真試驗結果見圖3～6。

圖3 轉向盤轉角變化曲線

圖4 牽引車質心側向加速度變化曲線

圖5 第一節掛車質心側向加速度變化曲線

圖6 第二節掛車質心側向加速度變化曲線

從圖3～6可看出：在給轉向盤一個60°的正弦波輸入后，牽引車、第一節掛車、第二節掛車的質心側向加速度均呈正弦波變化。實車試驗和仿真試驗中牽引車質心側向加速度峰值分別為1.21 m/s2、1.23 m/s2，第一節掛車質心側向加速度峰值分別為1.26 m/s2、1.44 m/s2，第二節掛車質心側向加速度峰值分別為1.55 m/s2、1.57 m/s2，質心側向加速度呈后部放大狀態，各車輛單元實車數據和仿真數據誤差較小。實車試驗過程中受人為因素或設備因素等的影響，試驗數據存在波動和突變情況。總體來說，仿真模型精度較高，能較好地反映實車性能。

3 雙半掛汽車列車操縱穩定性典型試驗工況分析

3.1 蛇形試驗

蛇形試驗主要按GB/T 6323—2014《汽車操縱穩定性試驗方法》進行，是車輛以固定速度連續繞樁行駛的過程，為閉環試驗。通過蛇形試驗測量轉向盤轉角、橫擺角速度、車身側傾角等參數，側重于考核車輛綜合性能，對評價車輛變道、轉向等穩定性具有重要意義。

3.1.1 基準車速

根據GB/T 6323—2014，對于最大總質量大于15 t的N3類車輛，蛇形試驗的標樁間距和基準車速分別為50 m、50 km/h。在TruckSim中設置對應標樁間距及試驗車速，試驗車輛為滿載。試驗結果見圖7～10。

圖7 蛇形試驗中轉向盤轉角變化曲線

圖8 蛇形試驗中質心橫擺角速度變化曲線

圖9 蛇形試驗中質心側向加速度變化曲線

圖10 蛇形試驗中質心側傾角變化曲線

對蛇形試驗數據進行處理，取中間區段4個有效峰值計算平均值，得到平均轉向盤轉角峰值為79.73°；牽引車、第一節掛車、第二節掛車的平均橫擺角速度峰值分別為5.97 (°)/s、6.11 (°)/s、5.92 (°)/s，平均側向加速度峰值分別為1.52 m/s2、1.52 m/s2、1.47 m/s2，平均側傾角峰值分別為2.48°、3.03°、3.54°。數據顯示，在50 km/h基準車速下，試驗樣車各項曲線變化趨勢基本一致，車輛處于穩定可控狀態。對于平均橫擺角速度峰值，第一節掛車相對于牽引車有一定后部放大現象，但第二節掛車數據相對于牽引車更小。對于平均側向加速度峰值，牽引車和掛車數據相差較小，且第二節掛車數據比牽引車數據小。另外，未濾波之前側向加速度波動較大，表明該工況下側向加速度變化更敏感。平均側傾角峰值出現明顯的后部放大現象。綜上，一方面，在較低試驗車速下，橫擺角速度和側向加速度后部放大現象不明顯，出現折疊、甩尾、側滑等事故的可能性較小；另一方面，側傾角后部放大明顯，第二節掛車更易提前發生側翻。

3.1.2 其他車速

對試驗樣車進行更高車速下蛇形試驗，試驗車速分別取為55 km/h、60 km/h、65 km/h。試驗結果見表4。

從表4可看出：隨著試驗車速的增加，各車輛單元的平均轉向盤轉角峰值、平均橫擺角速度峰值、平均側向加速度峰值、平均側傾角峰值等增長速率明顯增大，后部放大系數顯著增加，車輛發生失穩的可能性大大增加。試驗車速為65 km/h時，試驗過程中部分輪胎發生嚴重離地現象，試驗中應嚴格控制車速，做好防側翻措施。

表4 不同車速下蛇形試驗結果

3.2 穩態回轉試驗

穩態回轉試驗主要根據GB/T 6323—2014開展，是試驗車輛在固定轉向盤轉角的情況下繞圓行駛的過程，主要考核車輛的轉向特性。試驗車輛進行穩態回轉的過程中，可能會表現出過度轉向、中性轉向或不足轉向特性。不足轉向車輛的轉彎半徑會逐漸增大，車輛開發過程中應保證車輛具有一定的不足轉向特性。

在TruckSim中對穩態回轉試驗進行設置，初始圓周半徑設置為25 m，轉向盤轉角固定為330°，以0.25 m/s2的縱向加速度由靜止開始加速，試驗時長設置為60 s。試驗結果見圖11～14。

從圖11～14可看出：隨著車速的增加，雙半掛汽車列車各單元的行駛軌跡不斷增大，表明該樣車具有一定的不足轉向特性；試驗過程中，牽引車、第一節掛車、第二節掛車的質心側向加速度數據接近，最大值在3.14 m/s2左右；牽引車、第一節掛車、第二節掛車的質心側傾角之差在初始階段呈增大狀態，在后段差值基本穩定，但各車輛單元質心側傾角數值仍呈增大趨勢。

圖11 穩態回轉試驗軌跡

圖12 穩態回轉試驗中車速變化曲線

圖13 穩態回轉試驗中質心側向加速度變化曲線

圖14 穩態回轉試驗中質心側傾角變化曲線

3.3 轉向盤角階躍輸入試驗

轉向盤角階躍輸入試驗是在試驗車輛直線行駛一段時間后，迅速轉動轉向盤至預設值并固定數秒的過程。在給轉向盤角階躍輸入后，試驗車輛進入瞬態響應階段，一段時間后逐步趨于穩態，主要考核車輛的時域響應特性。根據GB/T 6323—2014，仿真試驗中車速設置為60 km/h，直線行駛時間設置為5 s，起躍時間為0.2 s，轉向盤轉角為90°。試驗結果見圖15～18。

圖15 轉向盤角階躍輸入試驗中轉向盤轉角變化曲線

圖16 轉向盤角階躍輸入試驗中質心橫擺角速度變化曲線

圖17 轉向盤角階躍輸入試驗中質心側向加速度變化曲線

圖18 轉向盤角階躍輸入試驗中質心側偏角變化曲線

從圖15～18可看出：在給轉向盤一個90°階躍輸入后，橫擺角速度、側向加速度、質心側偏角等迅速增大，經過一段時間波動后逐漸趨于穩態；第一節掛車相對于牽引車、第二節掛車相對于第一節掛車，各項參數后部放大效應明顯。

根據GB/T 6323—2014對試驗數據進行進一步處理，主要計算參數如下：1) 橫擺角速度響應時間，為橫擺角速度首次達到90%穩態值的時間與轉向盤轉角達到50%預設值的時間之差。2) 橫擺角速度峰值響應時間，為橫擺角速度達到最大值的時間與轉向盤轉角達到50%預設值的時間之差。3) 橫擺角速度超調量σ，按式(1)計算。4) 側向加速度響應時間，為側向加速度首次達到90%穩態值的時間與轉向盤轉角達到50%預設值的時間之差。5) 橫擺角速度總方差Er，按式(2)計算。6) 側向加速度總方差Eay，按式(3)計算。7) 汽車因素，為橫擺角速度峰值響應時間與質心側偏角穩態值的乘積。計算結果見表5。

表5 轉向盤角階躍輸入試驗結果

(1)

式中：rmax為橫擺角速度最大值[(°)/s]；r0為橫擺角速度穩態值[(°)/s]。

(2)

式中：n為樣本數量，采樣時間截止到橫擺角速度重新達到穩態；δswk為轉向盤轉角瞬態值(°)；δsw0為轉向盤轉角預設值(°)；rk為橫擺角速度瞬態值[(°)/s]；Δt為樣本點的時間間隔，Δt≤0.2 s。

(3)

式中：ayk為側向加速度瞬態值(m/s2)；ay0為側向加速度穩態值(m/s2)。

表5中，橫擺角速度響應時間為基本評價指標，其余參數均為建議獲取指標。響應時間主要考核車輛的轉向靈敏度，牽引車、第一節掛車、第二節掛車的橫擺角速度響應時間分別為0.20 s、0.61 s、1.03 s，橫擺角速度峰值響應時間分別為0.33 s、1.00 s、1.55 s，側向加速度響應時間分別為0.43 s、0.90 s、1.28 s，各項響應時間較短，車輛對轉向盤轉角輸入反應迅速，隨動車輛單元相對于前一車輛單元的橫擺角速度、側向加速度響應時間滯后0.4 s左右，橫擺角速度峰值響應時間滯后0.6 s左右。超調量和總方差主要考核車輛執行輸入指令的精度，汽車因素側重于綜合評價。橫擺角速度超調量、橫擺角速度和側向加速度總方差均表明，在轉向盤90°階躍輸入工況下，各車輛單元橫擺角速度都經歷了較大波動，隨動車輛單元波動幅度增長明顯。

4 結論

在TruckSim中建立雙半掛汽車列車仿真模型，選取單車道變換試驗進行仿真分析并與實車試驗數據進行對比，驗證仿真模型的有效性。在此基礎上，對樣車進行典型或極限工況仿真分析，得到如下結論：

(1) 蛇形試驗中，在較低車速下，橫擺角速度、側向加速度未出現明顯的后部放大現象，發生折疊、甩尾、側滑等事故的可能性較小；側傾角后部放大明顯，第二節掛車更易提前發生側翻。隨著試驗車速的增高，各車輛單元的參數增長速率明顯增大，均出現后部放大現象，車輛發生失穩的可能性大大增加。在試驗車速為65 km/h時，試驗過程中部分輪胎發生嚴重離地現象。在雙掛汽車列車實際行駛特別是轉向變道過程中應嚴格控制車速。

(2) 穩態回轉試驗中，樣車具有一定的不足轉向特性，各車輛單元的側向加速度最大值在3.14 m/s2左右，質心側傾角之差在初始階段呈增大狀態，在后段差值基本穩定，但質心側傾角數值仍呈增大趨勢。

(3) 轉向盤角階躍輸入試驗中，車輛對轉向盤轉角輸入反應迅速，隨動車輛單元相對于前一車輛單元的參數響應滯后0.38～0.67 s；各項參數波動幅度較大，掛車擺動明顯。在雙掛汽車列車實際行駛過程中應避免急打方向，防止車輛失穩。