基于Trucksim的下坡路段制动距离仿真与分析

曹龙　刘革

摘 要：为探究道路附着系数和车辆载重与坡度的交互作用对载重货车制动距离的影响，以下坡路段为研究对象，通过Trucksim建立人—车—路耦合系统，进行了不同工况的仿真实验，采用最小二乘法建立了坡度路段制动距离预测模型。最后，在某特定工况下验证了该模型的合理性。结果表明：与传统理论模型相比，该模型计算结果趋于保守，以此作为坡度路段最小跟驰距离更有利于行车安全。关键词：制动距离;载重;坡度;附着系数;Trucksim中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：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

隨着我国社会经济的不断发展，公路运输网络也日益完善，公路的货运能力也得到了加强。在我国货物运输体系中，公路货物运输量在2018年末已超过390亿吨，同比2013 年货物运输量增加接近90亿吨，公路货物运输量比重高于70%，相比其它货物运输方式明显领先[1]。但随之而来的是交通事故的与日俱增。载重货车由于在装载货物的情况下总重量更大，制动更加困难，更易引发追尾事故。特别是在下坡路段，若前方车辆因故障等原因突然制动，则后方车辆极易因为跟车太近、制动距离不足而引发追尾事故。路面坡度、货车的载重和轮胎与路面间的附着系数对制动距离有着较大的影响，也对安全车距得选择起到了重要的作用。

1 基于Trucksim的仿真模型建立

Trucksim 是由美国机械仿真公司（Mechanical Simula -tion Corporation，即MSC），在密歇根大学公路交通研究所UMTRI多年的试验及车辆动态研究经验基础之上，开发的一种动态模拟汽车整车动力学的仿真软件[2]。该软件可对中型到重型的卡车、客车和挂车进行动力学特性的仿真和分析。在进行整车性能仿真时，可根据初始理论设计参数，进行参数化模型搭建，而不用搭建实体模型，同时能够在所做的不同仿真之间进行迅速地切换，快速便捷且具有较高的可靠性。

1.1 车辆动力学模型建立

参考《公路路线设计规范》[3]中规定的设计车型—6轴铰接列车，由 Trucksim整车动力学模块建立由6×4牵引车和3轴挂车组成的仿真试验车型，见图1，其主要参数设置：外廓尺寸为6800 mm×2500mm×3700mm，发动机最大功率为270kW，最大扭矩为900N/m，比功率为5.51kw/t，牵引总质量为49000 kg，轮胎半径为538mm，其余未知参数采用默认设置。

1.2 驾驶员模型建立

Trucksim驾驶员模型主要是对车辆行驶过程中的节气门、转向、制动、离合器和变速器的控制。驾驶员以80km/h恒定车速行驶，运行10s后采取制动操作，直至车辆停止，最大制动压力为3Mpa，制动器起作用时间设定为2s，期间不采取任何加速、转向和换挡操作。

1.3 道路场景模型建立

道路场景模型的构建主要考虑道路的几何特征、路面附着系数和道路超高3个因素。实验选取纵坡路段，双向2车道，设定车道宽度为3.75 m，沥青混凝土路面，路面附着系数为0.7，路拱横坡为2%，道路场景模型如图2所示。

2 坡度路段制动距离仿真实验

2.1 坡度和载重交互作用对制动距离的影响

制动距离影响因素众多，本节通过仿真实验，分析了在不同坡度和载重质量的双因素影响下，制动距离的变化，如表1所示。根据表1结果绘制双因素影响下制动距离的三维曲面图，如图3所示。

运用Matlab软件基于最小二乘法对双因素影响下的制动距离进行拟合，坡度为x，载重为y，制动距离为z，拟合方程为：

拟合可靠度R2为0.94391，拟合程度较高，能运用此式求解不同载重和不同坡度时车辆的制动距离。

2.2 坡度和附着系数交互作用对制动距离的影响

本节通过仿真实验，分析了在不同坡度和附着系数的双因素影响下，制动距离的变化，如表2所示。根据表2结果绘制双因素影响下制动距离的三维曲面图，如图4所示。

对双因素影响下的制动距离进行拟合，坡度为x，附着系数为y，制动距离为z，拟合方程为：

（2）

其相关系数R2 = 0.9997。数值接近1，说明该数学模型计算精度高。

3 模型可靠性验证

3.1 坡度和載重交互作用下的制动距离模型验证

考虑到实车实验危险性，故仍采用仿真实验法对模型进行可靠性验证。设置坡度为2.5%的纵坡，载重质量为3185 Kg，其他条件不变。实验结果如表3所示：

从表3可以看出，本文模型计算值最小，相比于传统理论模型[4]更趋于保守，计算误差从传统理论模型的8.59%降至0.54%，精确度提升。

3.2 坡度和附着系数交互作用下的制动距离模型验证

同理，设置坡度为2.5%的纵坡，附着系数为0.65，其他条件不变。实验结果如表4所示：

从表4可以看出，本文模型计算误差为3.34%，而传统理论模型有1.38%的误差，但本文模型计算结果更趋于保守。

4 结论

本文以坡度路段为研究对象，分析了道路附着系数和车辆载重与坡度的交互作用对载重货车制动距离的影响，建立了各因素交互作用下制动距离预测模型。与传统理论模型相比，本文模型计算误差小，且计算结果更趋于保守。本研究结果为坡度路段最小跟驰距离的确定提供了一种安全、有效的方法，但所建模型仅适用6轴铰接列车，具有一定的局限性，后续研究可适当扩展车型进一步提高模型的通用性。

参考文献

[1] 张岩.高速公路弯坡组合路段载重车最小安全行车间距研究[D]. 西安：长安大学，2019.

[2] 唐歌腾，任春晓，李臣.基于Trucksim的不同弯道半径安全车速确定方法[J].公路交通科技，2016，33（6）：135-139.

[3] 中华人民共和国交通部.公路路线设计规范：JTG D20-2017[S].北京：人民交通出版社，2017.

[4] 陈焕江.汽车运用工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2016， 67-68.