基于TruckSim的半挂汽车列车转向特性的仿真分析

龙佳庆， 韦超毅

(1.柳州职业技术学院　汽车工程系， 广西　柳州　545005；2.广西大学　机械工程学院， 广西　南宁　530004)



基于TruckSim的半挂汽车列车转向特性的仿真分析

龙佳庆1， 韦超毅2

(1.柳州职业技术学院汽车工程系， 广西柳州545005；2.广西大学机械工程学院， 广西南宁530004)

通过TruckSim软件建立半挂汽车列车整车仿真模型，分别改变半挂汽车列车参数对车辆进行稳态回转仿真试验，以研究不同结构参数对半挂汽车列车转向特性的影响。结果表明：适当的增加牵引车的质量、加长牵引车轴距、加长挂车车轴距牵引车前轴距离、降低挂车质量、缩短牵引车铰接点到前轴的距离，会增加不足转向特性的趋势。

半挂汽车列车；TruckSim软件；稳态回转试验；转向特性

半挂汽车列车在现代中长距离公路运输中的作用日益增加，但其具有纵向尺寸长、轮距小、整车质心高、载重量大的特点，在行驶过程中，其操纵稳定性极限较低。半挂汽车列车在高速时，极易受转弯、超车、变道、路面不平等状况的影响，形成很大的横向垂直载荷转移状况，这种情况发生的时侯，半挂汽车列车的操纵稳定性会急剧下降，极易发生交通事故[1-3]。

因此，对半挂汽车列车的操纵稳定性进行研究越来越重要。由于半挂汽车列车自身的特点，以及场地、设备等试验条件的限制，很难对半挂汽车列车进行实车试验，而且实车试验的危险性较大。对于半挂汽车列车来说，更多的是用计算机仿真分析，从而得到一些在实车试验中无法测量，又能评价其操纵稳定性的重要指标。

1　半挂汽车列车整车建模

在Trucksim软件中，构建集整车外形，转向、动力传动、制动系和行驶系三大部分组成整车动力学模型，结合半挂汽车列车的操纵稳定性的试验方法，设置环境参数和路面参数。

表1　主要车体参数的组成

2　稳态回转试验的仿真

稳态回转试验的主要目的是测试车辆的稳态特性，即所谓的稳态转向特性。根据不同的稳态特性，可以分为不足转向、中性转向和过度转向。由于过度转向会有失去稳定性的危险，而中性转向在行驶条件稍微有变化的情况下容易变成过度转向，所以汽车都应该具有适度的不足转向特性。

通过TruckSim软件建立半挂汽车列车仿真模型，固定方向盘转角，即给定方向盘一个恒定的转角，模拟车速先从较低的稳定车速5 km/h运行，然后以纵向加速度不超过0.25 m/s2的速度递增，一直到侧向加速度达到6.5 m/s2或出现不稳定状态。稳态回转试验的行驶速度随时间的递增关系如图1所示，运动轨迹如图2所示。

图1　稳态回转试验目标速度曲线　　　　　　　　　　　　图2　牵引车质心行驶轨迹曲线

3　分析不同参数对车辆转向特性的影响

为了分析车辆质量、牵引车的轴距、牵引车铰接点到前轴的距离、挂车车轴距牵引车前轴的距离的变化对半挂汽车列车转向特性的影响，稳态回转仿真试验中保持其他参数不变，分别变动车辆质量、改变牵引车的轴距、调整牵引车铰接点到前轴的距离和变化挂车车轴距牵引车前轴的距离，根据仿真得到的车辆行驶轨迹，分析以上四个参数变化对转向特性的影响。

3.1质量的影响

为了研究质量对半挂汽车列车转向特性的影响，分别改变牵引车质量和挂车质量，保持其他参数不变，使用TruckSim软件对其进行稳态回转仿真试验，仿真试验条件与初始稳态回转试验一致。

首先，保持挂车质量不变，只改变牵引车质量，分别设定牵引车质量为4 500 kg、6 500 kg、8 500 kg，通过稳态回转试验得到仿真试验结果曲线进行对比，分析牵引车质量对半挂汽车列车转向特性的影响，其仿真结果如图3所示。

图3不同牵引车质量下牵引车质心行驶圆周轨迹曲线图4不同挂车质量下的牵引车质心行驶圆周轨迹曲线

分析图3可知，稳态回转试验中，在同样的仿真条件下，牵引车的质量从4 500 kg增加到6 500 kg、8 500 kg，车辆的转弯半径会不同程度的变大，说明随着牵引车质量增加，会一定程度上增加车辆的不足转向特性。

继而保持牵引车的质量不变，只改变挂车质量，分别设定为15 000 kg、18 000 kg、22 000 kg，通过仿真试验结果曲线进行对比，剖析挂车质量对转向特性的影响。仿真数据如图4所示。

图4数据表明，挂车的质量从15 000 kg增加到18 000 kg、22 000 kg，车辆的转弯半径会不同程度的减小，即随着挂车质量的增加，会在一定程度上降低车辆的不足转向特性。

因此，适当的增加牵引车质量或减少挂车质量，有助于增加半挂汽车列车的不足转向特性[4-5]。

3.2牵引车轴距的影响

分别改变牵引车第二轴和第三轴到第一轴的距离，进行稳态回转试验，仿真试验条件与初始稳态回转试验保持一致。分别设定第二轴到第一轴的距离为3.5 m、4 m、4.5 m，第三轴到第一轴的距离为4.5 m、5 m、5.5 m，通过稳态回转试验得到仿真试验结果曲线进行对比，分析牵引车的轴距对半挂汽车列车转向特性的影响。

图5是仿真试验结果，图中a12表示第二轴到第一轴距离，a13表示第三轴到第一轴距离。

从图5可以看出，在其他条件相同的情况下，随着牵引车轴距的增加，稳态回转试验的行驶轨迹圆半径变大的趋势增大，从一定程度上说明，牵引车轴距的增加，提高了半挂车汽车列车的不足转向特性，对操纵稳定性的提高有明显影响。

3.3牵引车铰接点到前轴距离的影响

保持仿真试验条件与初始稳态回转试验一致，进行半挂车汽车列车的稳态回转试验，设定牵引车第二轴至前轴的距离为3.5 m，第三轴至前轴距离为4.77 m。只改变牵引车铰接点到前轴距离，记为L1，分别设定为3.5 m、4 m、4.5 m。仿真结果见图6。

图5　不同牵引车轴距下牵引车质心行驶圆周轨迹曲线

图6　不同牵引车铰接点到前轴距离下的牵引车质心行驶圆周轨迹曲线

从图6可以看出：在其他条件相同的情况下，牵引车铰接点到前轴距离从3.5 m增加到4 m、4.5 m，稳态回转试验的行驶轨迹圆半径在变小。从一定程度上说明，牵引车铰接点到前轴距离的增加，降低了半挂汽车列车的不足转向特性，呈现了过度转向特性。因此适当减少牵引车铰接点到前轴距离对提高其操纵稳定性有帮助。

图7　不同挂车车轴距前轮距离下牵引车质心行驶圆周轨迹曲线

3.4挂车车轴距牵引车前轴距离的影响

仿真条件与初始稳态回转试验一致，只改变挂车车轴距前轮的距离，其他参数不变。挂车第一轴到牵引车前轴的距离记为A1，分别取值6.5 m、7 m、7.5 m；第二轴距其距离记为A2，分别取值7 m、8.2 m、9.4 m；第三轴距其距离记为A3，分别取值7.5 m、8.7 m、9.9 m。通过稳态回转试验得到仿真试验结果曲线进行对比，分析挂车车轴距牵引车前轴的距离对半挂汽车列车转向特性的影响。试验结果见图7。

分析图7，在其他条件相同的情况下，随着挂车车轴距前轮的距离A1、A2、A3的值不断增加，稳态回转试验的行驶轨迹圆半径从98.10 m增加到99.82 m和101.48 m，可见其半径在逐渐变大，从一定程度上说明，挂车车轴距牵引车前轴距离的增加，增加了半挂汽车列车的不足转向特性。

4　结论

车辆质量、牵引车的轴距、牵引车铰接点到前轴的距离、挂车车轴距牵引车前轴距离的改变都不同程度的对半挂汽车列车稳态转向特性有影响，其中，增加牵引车质量、降低挂车质量，适当的增大牵引车轴距、加长挂车车轴距牵引车前轴的距离，减少牵引车铰接点到前轴的距离，可增加半挂汽车列车的不足转向特性。这给半挂汽车列车的操纵稳定性提供了明确的设计思路。

[1]杨秀建，康南，李西涛．半挂汽车列车横向失稳的非线性动力学机制[J]．机械工程学报，2012，48(8)：79-89.

[2]Adrian Simms,David Crolla.The Influence of Damper Properties on Vehicle Dynamic Behaviour[R].SAE Technical Paper，2002-03-04.

[3]王德杉，谢进荣．半挂汽车列车稳态转向特性的研究[J]．汽车工程，1989(3)：67-73.

[4]王伟，唐应时，李俊伟等．应用ADAMS的半挂牵引车操稳性研究[J]．现代制造工程，2013(9)：7-11.

[5]朱天军，李飞，宗长富．等重型半挂车多目标稳定性控制策略[J]．农业机械学报，2011，42(12)：32-37.

[Abstract]the model of the semi-dragging trucks was built by the software called TruckSim, and different parameters of the semi-dragging trucks were used to do the simulation of the steady static circular test in order to research the influence of the semi-dragging trucks by changing different structure parameters. The results show that it can improve the lack of the steering characteristic by properly adding the weight of the tractor, lengthening the wheel base of the tractor, lengthening the distance between the car axle and the front wheel of the trailer, reducing the weight of the trailer, and reducing the distance between the hinged joint and the front wheel of the tractor.

[Key words]the semi-dragging trucks; TruckSim; the steady static circular test; the steering characteristic

[责任编辑刘景平]

Simulation Analysis of the Steering Characteristics of Semi-dragging Trucks Based on TruckSim

LONG Jia-qing1， WEI Chao-yi2

(1.Department of Automotive Engineering, Liuzhou Vocational & Technical College, Liuzhou,Guangxi 545005, China;2.School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China)

U463.4；U469.5

A

1672-9021(2016)02-0079-05

龙佳庆(1983-)，女，广西柳州人，柳州职业技术学院汽车工程系讲师，主要研究方向：汽车运用技术。

广西高校科学技术研究基金重点资助项目(2013ZD002)。

2016-03-15