转向型半挂车发展趋势展望

张雪瑶，马国栋，顾佳超，金晓华

转向型半挂车发展趋势展望

张雪瑶1，马国栋2，顾佳超1，金晓华1

（1.长春汽车工业高等专科学校机械工程学院，吉林 长春 130000；2.长春富奥石川岛增压器有限公司，吉林 长春 130000）

因为半挂车运输具有灵活高效特点，在我国公路运输总量占比逐年增大。国内半挂车发展仍与发达国家存在技术上差距，基于国内半挂车大多数以载重为主，缺乏独立转向的情况，文章在现有量产转向型半挂车结构基础上，加以运动学分析，并对比不同速度下的转弯特性，总结不同种类转向型半挂车特点，为今后半挂车转型发展提供参考。

半挂车；主动转向；性能；商用车

前言

半挂车汽车运输具有高效、经济性好、维护简单等特点，在我国公路运输行业越来越受到客户与公司的青睐，目前我国公路运输使用半挂汽车完成的货物周转量逐年以10%的同比速度递增，有力地支持了我国的经济建设发展。随着半挂汽车的广泛应用，一些由半挂汽车自身特性带来的问题也日益突出。例如半挂汽车载重大，车体长，驾驶员视野有限，横风效应明显，转弯过程容易干涉其它车道等问题亟待解决。纵观半挂汽车发展历程，国外发展半挂汽车起步早，在技术上有一定的优势，在生产和使用中美国和欧盟逐步出台了一系列标准，来对半挂汽车做出配件和尺寸上的限制。因此欧美半挂车在标准的限制内，对其整体结构不断改善，尤其是以提高转向特性为目的的转向型底盘的提出，有效地减小了转弯过程中挂车尾部的轨迹偏移和重心偏移引起的侧翻倾向。

本文在现有转向型挂车工作原理基础上，分析转向工况下，对比不同类型转向型挂车技术特点以及最优适用环境，为今后挂车行业转型发展以及标准制定提供参考。

1 转向型半挂车原理

由于我国目前标准尚不明确，无法做出明确且统一的分类，因而业内普遍认为半挂车至少有一轴具体转向能力的半挂车为转向型半挂车。根据半挂车是否存在刚性轴（一般为半挂车前轴）作为转向轴可以将半挂车分为随动转向型半挂车和主动转向型半挂车，其中随动转向型半挂车根据控制方式的不同分为被动式随动转向和主动式随动转向。半挂车转向的主动力由第五轴提供，主动转向型半挂车的所有车轴均参与到转向的过程中，相应地，随动转向型半挂车只有转向轴参与转向过程，其它轴起到承载作用。

最早挂车尾部偏移问题的提出在1988年密西根大学的一项研究中[1]，在此之后，很多科研机构和公司都进行了深入的研究。理论研究方面，1989年，Hata等人提出刚性主动转向系统的概念，并设计验证了一个控制器，试验结果表明对半挂车进行控制可以有效减少占道[2]；2008年，Odhams提出一个旨在提高转向安全性的挂车主动转向系统，并与2011年进行试验验证系统行之有效[3][4]；2018年剑桥大学de Saxe等人利用最新的虚拟场景建模与现实场景耦合技术，将半挂车车尾轨迹偏差降低到1米以下[5]。在应用方面以ZF，Neoplan，MAN，BPW，Volvo，Kassbohrer等公司均有成熟的转向型半挂车技术。

2 转向型半挂车分类

2.1 随动转向型半挂车

随动型半挂车至少有一轴为刚性轴（一般为半挂车前轴）且此轴一般为转向轴。有效地起到过渡转弯的作用，避免牵引车与半挂车运动发生干涉，出现拖滑前进的现象，减小轮胎磨损。被动式随动转向半挂车使用机械结构达到随动转向的目的，主动式随动转向半挂车使用电子控制半挂车转向轴转向的方式达到转弯目的。

2.1.1被动式随动转向

被动式随动转向结构较为典型的有自转向系统（self- steer system）。自转向轴机构的工作原理基于主销的力矩平衡特性实现随动转向。主要代表生产厂商有ZF，和MAN，以及BPW的LL系列转向桥。

如图1所示，为BPW公司LL系列转向轴。其实现随动转向功能主要依赖于主销内的相互啮合的波浪型压力板。在直行时波浪形压力板上下啮合，当开始转弯后由于两片发生相对转动，从而带动车轮转向。被动式随动转向半挂车具有最大的转动角度限制，一般不超过22°。

图1 BPW公司LL系列转向轴

2.1.2主动式随动转向

主动式随动转向又可分为指令转向型（Command steer system）和转向架型（Pivotal Bogie Systems）。

其中指令转向型随动半挂车的后两轴由原来的承载轴替换为可转动轴，转弯过程中轮胎转角由牵引车和半挂车的铰接角决定在一定范围内，可以认为后两轴轮胎的转角与铰接角存在线性关系，公式如下。

其中δ为半挂车第二轴轮胎转角，a为半挂车铰接点到第一轴距离，b为半挂车三轴分别间距，为转弯过程中铰接角，δ为半挂车第三轴轮胎转角。由上述关系式可见，指令转向型半挂车对传感器，执行器等元器件要求较高。在驶出弯道后，铰接角不断减小到0°，轮胎转角也随之变为0°。

转向架型随动半挂车的转向架与车体分离，通过球型约束副连接，同时兼顾了水平运动和俯仰运动，能够使得转动架与车身紧密接触。转动架前轴固定，后两轴具有转向功能，因此，可以根据公式（1），推导出一定范围内转向架型半挂车轮胎转角和转向架角度的公式，如下：

主动转向型半挂车又称全轮转向半挂车，即半挂车上所有轮胎都可以根据指令做出相互独立的轮胎转向动作。再具体实施过程中，电子系统根据驾驶员指令，结合实时路况、车速等信息，向机械液压系统输出信号，机械液压系统再根据信号类别分别控制各个轮胎转向液压缸的输出压力，使半挂车轮胎发生不同角度的转动，在转弯过程中最大限度地减小半挂车尾部的偏移，减少轮胎拖滑引起的磨损，降低行驶阻力。如图2所示kassbohrer的K.sLL3主动转向型半挂车，转弯过程中每个轮胎转向角不同，轮胎转角向后依次增大，第三轴的轮胎在转弯过程中获得最大的转角以消除半挂车尾部偏移[6]。

3 转向型半挂车发展趋势

随着物流行业的逐渐发展完善和5G网络的逐步投入使用，在未来V2X技术、高精度地图技术的推广，我国传统半挂车行业可以在这个机遇期进行自身的转型。传统的半挂车虽然在未来一段时间内仍然会在我国大范围使用，但是随着如GB1589/GB7258等国家标准逐步实施后，势必要求半挂车生产商向技术创新型、研发主导型靠拢。

半挂车的发展也可以学习外国经验，根据自身情况，分机械化、信息化、智能化三部走。机械化是指传统三轴载重式半挂车加入随动式转向轴，实现被动式随动转向；信息化是指在机械化的基础上，增加传感器来对行驶信息实现实时监控，对侧翻、折叠等事故作出预警；智能化是指在高度信息化的基础上，半挂车可以根据牵引车的路径信息主动进行路面动态识别、最优路径轨迹选取等。

4 结论

随着我国交通运输行业进一步增长，半挂车的运输量会进一步上升；另一方面，随着国家逐步施行更加严格的半挂车标准，势必进一步推动半挂车生产行业的转型，纵观国外几十年的技术摸索与积累，随动型转向半挂车与主动型转向半挂车在从生产到使用一系列环节中，各有优劣。鉴于目前国内对转向型半挂车研究不系统、不成熟的现状，我国在发展转向型半挂车过程中，以政策为主导，产学研结合道路会更加有效。

[1] P.S.Fancher,L.Segel.Tracking and Stability Of Multi-Unit Truck Combinations[M].The University Of Michigan Transportation Rese -arch Institute.37-42.

[2] Hata, N., Hasegawa, S., Takahashi, S., Ito, K., and Fujishiro, T., 1989, “A Control Method for4WS Truck to Suppress Excursion of a Body Rear Overhang,” Society of Automobile Engineers, Technical Paper No. 892521.

[3] A.Odhams,R.Roebuck,D.Cebon et al.Dynamic safety of active trailer steering system[J]Proceedings of the Institution of Mechanical Engi -neers,Part K:Journal of Multi-Body Dynamics,2008(4), 367~ 380.

[4] A.Odhams,R.Roebuck,B.Jujnovichet al.Active steering of a tractor- semi-trailer[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engine -ers,Part D:Journal of Automobile Engineering. 2011(7). 847~869.

[5] C.de Saxe,DCebon.Estimation of trailer off-tracking using visual odometry.[J]Vehicle System Dynamics.2018(0)1~25.

[6] 肖棒.重型半挂车主动转向安全控制的仿真研究[D].江苏大学,2016.

Development Trend of Steering Semi-trailer

Zhang Xueyao1, Ma Guodong2, Gu Jiachao1, Li Xiaohua1

（1.College of Mechanical Engineering, Changchun Automobile Industry College, Jilin Changchun 130000; 2.Changchun FuaoShichuan Island Supercharger Co., Ltd., Jilin Changchun 130000）

Because of the flexible and efficient characteristics of semi-trailer transportation, the proportion of total highway transportation in China is increasing year by year. The development of domestic semi-trailer still lags behind that of developed countries in technology. Based on the fact that most domestic semi-trailers are mainly loaded and lack of indepen -dent steering, this paper makes kinematics analysis on the basis of existing mass-produced steering semi-trailer structure, compares the turning characteristics at different speeds, summarizes the characteristics of different types of steering semi-trailer, and provides reference for the future transformation and development of semi-trailer.

Semitrailer; Steering; Performance; Commercial Vehicle

U469.6

A

1671-7988(2019)14-247-03

U469.6

A

1671-7988(2019)14-247-03

张雪瑶（1991.1-），女，长春理工大学硕士，教师，就职于长春汽车工业高等专科机械工程学院，研究方向：机械制造、机械精密加工。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.085