轉彎制動工況下某拖掛式房車行駛穩定性分析

張劍罡，徐希翼，許梁，張允明，苗立東

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博255049)

近年來，隨著社會的發展和人們生活水平的提高，國內也出現了各式各樣的房車，主要分為自行式房車和拖掛式房車[1]。拖掛式房車在轉彎制動工況下行駛時出現的安全隱患較多，如：掛車的折疊、轉彎的側傾等現象，給人們出游帶來了極大的安全隱患。學者對半掛汽車列車的制動性能、穩態轉向性能進行了仿真分析[2-5]，在此研究的基礎上對某拖掛式房車在轉彎制動工況下的行駛穩定性進行分析。

本文利用虛擬樣機技術軟件ADAMS建立某種型號的牽引車-拖掛式房車的多體動力學模型，并通過實車實驗測得的數據與仿真分析獲得的數據對比來驗證所建立模型的準確性，通過設計ADAMS/Car軟件中仿真實驗，分析某拖掛式房車的整車質量、質心位置、質心與鉸接點之間的距離等結構參數對其轉彎制動工況行駛穩定性的影響。

1 模型的建立

1.1 數學模型的建立

分別在牽引車和拖掛式房車的質心處建立車輛坐標系O1x1y1、O2x2y2，牽引車-拖掛式房車轉彎制動時受力分析[6]如圖1所示。

圖1 牽引車-拖掛式房車轉彎制動受力分析

牽引車動力學微分方程為

(1)

拖掛式房車動力學微分方程為

(2)

圖1及式(1)、式(2)中各符號含義見表1。

表1 各符號名稱及含義

1.2 ADAMS多體動力學模型的建立

1.2.1 模型的簡化

在建立牽引車-拖掛式房車多體動力學模型時做如下簡化：簧上質量看作一個整體，是具有六個自由度的剛體；除輪胎、阻尼、彈簧及橡膠元件外，其他零件看做剛體，在仿真分析時認為它們不變形；采用線性彈性橡膠襯套來模擬剛體之間的柔性連接；忽略各個運動副內部的摩擦[7-8]。

1.2.2 輪胎模型

輪胎是整個汽車唯一與路面直接接觸的部件，不僅支承著整個汽車質量，保證整個車輛與路面具有良好的附著性能，提高動力性能、制動性能，而且還能與懸架共同吸收來自地面的沖擊，并衰減由此產生的振動。因此，輪胎模型對行駛穩定性具有很大的影響。本文分析采用的輪胎模型為魔術公式(magic-formula,MF)[9]輪胎模型。

魔術公式的一般表達式為

Y(x)=Dsin[Carctan{Bx-

E(Bx-arctanBx)}]，

式中:Y(x)可以表示側向力、縱向力，也可以表示回正力矩；x可以表示輪胎的側偏角或者縱向滑移率；B、C、D、E是常數，由輪胎的垂直載荷和外傾角確定。

1.3 整車模型的建立

本文分析所用的牽引車、拖掛式房車部分結構參數見表2、表3，建立的牽引車-拖掛式房車動力學模型如圖2所示。

表2 牽引車部分結構參數

表3 拖掛式房車部分結構參數

圖2 牽引車-拖掛式房車動力學模型

2 模型準確性的驗證

為了檢驗所建牽引車-拖掛式房車動力學模型的準確性，采用實車實驗數據與仿真分析數據相比較的方法，該方法能夠直觀反映實車模型與動力學模型的差別。

2.1 實車實驗數據獲取

2.1.1 實車實驗

在平坦、寬闊的場地上對實驗樣車做蛇形穿越實驗，具體設定的實驗條件：樣車在實驗場地上，以30km/h的車速，穿越中線間距20m的蛇形路徑，獲得拖掛式房車的側傾角、橫擺角、橫擺角速度。

2.1.2 實驗數據的獲取

如圖3所示，采用德國IMC公司的IMCCS-7008-N型數據采集設備采集數據，利用XW-GI7660 高精度姿態方位儀測量拖掛式房車的側傾角、橫擺角、橫擺角速度等數據。

圖3 數據獲取儀器

2.2 準確性驗證

將實車實驗條件作為動力學仿真的輸入，可以得到仿真結果。

如圖4所示，蛇形穿越實驗中拖掛式房車的側傾角、橫擺角速度變化趨勢一致，仿真實驗中的數值略小于實車實驗。仿真實驗是在理想條件下進行的，沒有受到外界因素干擾，所以數值相對較小，曲線變化比實車實驗平緩。綜合來看，所建立的牽引車-拖掛式房車模型比較準確。

(a)蛇形穿越實驗側傾角對比

3 轉彎制動工況下行駛穩定性分析

如圖2所示，對建立的牽引車-拖掛式房車動力學模型進行轉彎制動工況下的仿真實驗，設置轉彎制動事件構造文件，驅動所建的動力學模型進行仿真。改變房車質量、質心位置、輪胎側偏剛度等結構參數進行仿真實驗，分析這些結構參數對牽引車-拖掛式房車在轉彎制動工況下行駛穩定性的影響。

仿真條件：牽引車-拖掛式房車模型首先在設定的路面上直線行駛，直至速度達到50km/h，當縱向加速度與側向加速度均為0時，此時所用時間為2.5s；維持速度不變右轉彎駛入一個曲率半徑為120m的彎道，進入彎道1s后以3.0m/s2的加速度開始制動至車速為2km/h。

3.1 拖掛式房車質量的影響

將拖掛式房車質量m2設置為1 600、1 800、2 000kg，通過仿真，得到側傾角、橫擺角、橫擺角速度的曲線，如圖5所示。

由圖5(a) 可知，隨著拖掛式房車質量的減小，拖掛式房車側傾角也隨之減??；由圖5(b)可知，拖掛式房車的質量改變，仿真后的橫擺角幾乎不變；由圖5(c)可知，拖掛式房車的質量減小，仿真后的橫擺角速度峰值減小。拖掛式房車的質量直接影響轉彎制動工況下行駛的側傾角，從而對橫擺角、橫擺角速度產生較小的影響。因此，減小拖掛式房車的質量有利于提高拖掛式房車的行駛穩定性。

3.2 拖掛式房車質心位置的影響

3.2.1 質心高度的影響

將拖掛式房車的質心高度設置為800、900、1 000 mm，通過仿真，得到側傾角、橫擺角、橫擺角速度的曲線，如圖6所示。

由圖6(a)可知，隨著拖掛式房車質心高度的減小，拖掛式房車側傾角也隨之減??；由圖6(b)可知，改變拖掛式房車的質心高度，仿真后的橫擺角幾乎不變；由圖6(c)可知，拖掛式房車的質心高度減小，橫擺角速度峰值減小。拖掛式房車的質心高度直接影響轉彎制動工況下行駛的側傾角，從而對橫擺角、橫擺角速度產生一定的影響。因此，減小拖掛式房車的質心高度有利于提高拖掛式房車的行駛穩定性。

3.2.2 質心到鉸接點距離的影響

將拖掛式房車的質心到鉸接點的距離設置為3 800、3 900、4 000 mm，通過仿真，得到側傾角、橫擺角、橫擺角速度的曲線，如圖7所示。

由圖7可知，減小拖掛式房車的質心到鉸接點的距離，拖掛式房車的側傾角、橫擺角、橫擺角速度均有小幅度的減小。拖掛式房車質心到鉸接點的距離直接影響轉彎制動工況下行駛的橫擺角速度，從而對橫擺角、側傾角產生一定的影響。因此，減小拖掛式房車的質心到鉸接點的距離，有利于提高拖掛式房車的行駛穩定性。

3.3 拖掛式房車輪胎側偏剛度的影響

將拖掛式房車輪胎的側偏剛度k設置為40 000、60 000、80 000 N/rad，通過仿真，得到側傾角、橫擺角、橫擺角速度的曲線，如圖8所示。

由圖8可知，當拖掛式房車輪胎的側偏剛度由40 000 N/rad增大到60 000 N/rad時，拖掛式房車的側傾角幾乎不變而橫擺角、橫擺角速度明顯減??；當拖掛式房車輪胎的側偏剛度由60 000 N/rad增大到80 000 N/rad時，拖掛式房車的側傾角、橫擺角、橫擺角速度明顯減小。拖掛式房車輪胎的側偏剛度直接影響轉彎制動工況下行駛的橫擺角速度，從而對橫擺角、側傾角產生一定的影響。因此，增大拖掛式房車輪胎的側偏剛度有利于提高拖掛式房車的行駛穩定性。

4 結束語

通過建立牽引車-拖掛式房車的動力學模型，并設計了仿真驅動條件，使其在一定條件下進行轉彎制動工況仿真。仿真結果表明：拖掛式房車的質量、質心高度直接影響在轉彎制動工況下行駛的側傾角，質心到鉸接點的距離、輪胎的側偏剛度直接影響在轉彎制動工況下行駛的橫擺角速度；減小拖掛式房車的質量、增加輪胎的側偏剛度、減小質心的高度、減小質心到鉸接點的距離都有利于提高拖掛式房車在轉彎制動工況下的行駛穩定性。