田晉躍，陳治領(lǐng)，韓 順，王新成

（1.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鎮(zhèn)江寶華半掛車(chē)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的發(fā)展，半掛汽車(chē)列車(chē)充分發(fā)揮甩掛運(yùn)輸、區(qū)段運(yùn)輸和滾裝運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)公路物流運(yùn)輸?shù)闹饕问?。為提高半掛汽?chē)列車(chē)的運(yùn)輸生產(chǎn)率，同時(shí)滿(mǎn)足道路法規(guī)和軸荷要求，汽車(chē)廠家大多采用增加半掛車(chē)車(chē)軸的方法，但純粹增加半掛車(chē)剛性軸，半掛車(chē)的機(jī)動(dòng)性、通過(guò)性及操縱穩(wěn)定性將會(huì)降低，輪胎非正常磨損加劇[1-2]。隨動(dòng)橋是提高半掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性和減輕輪胎磨損的一種有效技術(shù)路線，根據(jù)轉(zhuǎn)向控制原理不同，隨動(dòng)橋可分為主動(dòng)控制式和被動(dòng)控制式兩類(lèi)[3]。目前國(guó)外主要對(duì)主動(dòng)式隨動(dòng)橋進(jìn)行研究，對(duì)于被動(dòng)式隨動(dòng)橋的研究較少。而國(guó)內(nèi)對(duì)兩種隨動(dòng)橋的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)特性均缺乏相關(guān)深入的研究，國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)采用的隨動(dòng)橋產(chǎn)品大都依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)。

2 隨動(dòng)橋的基本結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向原理

2.1 隨動(dòng)橋的基本結(jié)構(gòu)

德國(guó)某公司的LL系列被動(dòng)式隨動(dòng)橋，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)最大27°轉(zhuǎn)角。該隨動(dòng)橋總成主要包括軸梁、轉(zhuǎn)向節(jié)總成、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向減震器、鎖止氣缸、空氣懸架和鼓式制動(dòng)器等。

相對(duì)于普通半掛車(chē)剛性橋，該隨動(dòng)橋的關(guān)鍵技術(shù)是轉(zhuǎn)向節(jié)總成，局部視圖，如圖1所示。包括一對(duì)波形壓力軸承，如圖2所示、軸襯、主銷(xiāo)和預(yù)緊彈簧等部件。上下波形壓力軸承均先通過(guò)彈性柱銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)定位，然后分別焊接在車(chē)軸和轉(zhuǎn)向節(jié)上。主銷(xiāo)頂部加工一段盲孔，孔中安裝一個(gè)預(yù)緊彈簧，可確保兩個(gè)波形壓力軸承始終嚙合。其中主銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)過(guò)盈配合，主銷(xiāo)與車(chē)軸為間隙配合。

當(dāng)半掛汽車(chē)列車(chē)倒車(chē)或高速行駛時(shí)，為保證行駛方向的穩(wěn)定性，隨動(dòng)橋必須被鎖止[4]?？刂茊卧狤CU接收并分析車(chē)輪輪速傳感器傳遞的信號(hào)，將控制指令傳遞給鎖止氣缸，活塞桿推動(dòng)鎖止塊進(jìn)入鎖止氣缸支座的卡槽中，使轉(zhuǎn)向橫拉桿鎖止。

圖1 隨動(dòng)橋轉(zhuǎn)向節(jié)局部圖Fig.1 The Local Image of Self-Steer Axle Knuckle

圖2 波形壓力軸承三維模型Fig.2 The 3D Model of Thrust Washers

由于不平路面或側(cè)向風(fēng)的影響，車(chē)輛直線行駛時(shí)，車(chē)輪會(huì)受到來(lái)自地面的側(cè)向力的作用。為保持行駛的穩(wěn)定性，隨動(dòng)橋配有轉(zhuǎn)向減振器。其作用有兩方面，第一是作為穩(wěn)定裝置，衰減車(chē)輪的抖動(dòng)；第二由于減震器阻尼的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)向力矩小于穩(wěn)定力矩，可以使車(chē)輪及時(shí)回正[5]。

2.2 隨動(dòng)橋的轉(zhuǎn)向原理

隨動(dòng)橋和前橋一樣，具有相應(yīng)的車(chē)輪定位參數(shù)，最關(guān)鍵的是主銷(xiāo)后傾角，若主銷(xiāo)后傾角較小，則轉(zhuǎn)向主力矩會(huì)無(wú)法克服摩擦阻力矩，使得隨動(dòng)橋轉(zhuǎn)向困難，轉(zhuǎn)向靈敏度降低；過(guò)大的主銷(xiāo)后傾角將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向力矩，使其在恢復(fù)直線行駛時(shí)回正困難，通常主銷(xiāo)后傾角取為8°。

假設(shè)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)在行駛過(guò)程中，前轉(zhuǎn)向橋向左轉(zhuǎn)向，如圖3所示。駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)使前橋車(chē)輪向左轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，為保證前橋和隨動(dòng)橋的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向軸線相交同一點(diǎn)O，半掛車(chē)第三軸車(chē)輪應(yīng)向右轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。車(chē)輪轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心O的離心力，其方向指向外側(cè)車(chē)輪，同時(shí)在地面與車(chē)輪的接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生作用于車(chē)輪的側(cè)向反力，與離心力大小相等，方向相反。由于主銷(xiāo)向后傾斜，側(cè)向反力與主銷(xiāo)軸線會(huì)存在力臂，故側(cè)向反力可使車(chē)輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)向力矩克服波形壓力軸承摩擦阻力矩和輪胎摩擦阻力矩后，波形壓力軸承與間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，車(chē)輪會(huì)繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)輛恢復(fù)直線行駛時(shí)，車(chē)輪受到的側(cè)向反力消失，下波形壓力軸承在車(chē)輛重力作用下恢復(fù)到直線行駛對(duì)應(yīng)的位置，配對(duì)波形壓力軸承再次保持緊密?chē)Ш蠣顟B(tài)[6]。

圖3 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)向示意圖Fig.3 Turning Diagram of Self-Steering Semi-Trailer Truck

3 整車(chē)模型的搭建

根據(jù)半掛汽車(chē)列車(chē)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在ADAMS/Car中建立動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、駕駛室、前懸架、牽引車(chē)導(dǎo)向桿式平衡懸架、隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛車(chē)平衡懸架和普通半掛車(chē)平衡懸架等模型。鋼板彈簧均采用間接離散梁法構(gòu)建，輪胎模型采用FTire模型。半掛車(chē)和牽引車(chē)通過(guò)牽引座連接，在牽引車(chē)車(chē)架模型中建立相應(yīng)的牽引座部件。

根據(jù)建立的隨動(dòng)橋總成三維模型，建立其虛擬樣機(jī)模型。為模擬波形壓力軸承間的摩擦，建立一個(gè)基于運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)制動(dòng)器，其作用于轉(zhuǎn)向節(jié)和車(chē)軸間的旋轉(zhuǎn)副。由于半掛車(chē)的第三軸輪胎磨損最為嚴(yán)重，應(yīng)優(yōu)先改善半掛車(chē)第三軸質(zhì)心對(duì)牽引座中心的軌跡跟隨性，減輕轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎的側(cè)滑，如圖4所示。將普通三軸半掛車(chē)的第三軸設(shè)計(jì)為隨動(dòng)橋。

圖4 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛車(chē)懸架模型Fig.4 Suspension Model of Self-Steering Semi-Trailer

在Adams/Car標(biāo)準(zhǔn)模式下，將建立各個(gè)子系統(tǒng)和整車(chē)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行裝配，分別建立普通半掛汽車(chē)列車(chē)和隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)整車(chē)模型（俯視圖隱藏半掛車(chē)幾何體），如圖5、圖6所示。

圖5 普通半掛汽車(chē)列車(chē)整車(chē)模型俯視圖Fig.5 Plan View of Common Semi-Trailer Truck

圖6 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)整車(chē)模型俯視圖Fig.6 Plan View of Self-Steering Semi-Trailer Truck

4 仿真結(jié)果與分析

參考國(guó)內(nèi)外半掛汽車(chē)列車(chē)低速機(jī)動(dòng)性仿真試驗(yàn)和樣車(chē)試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)建立的兩個(gè)整車(chē)模型進(jìn)行滿(mǎn)載低速轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性分析，包括低速360°轉(zhuǎn)彎和角階躍轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。由當(dāng)車(chē)速超過(guò)35km/h時(shí)，鎖止機(jī)構(gòu)會(huì)將轉(zhuǎn)向橫拉桿鎖住，故僅考慮低速10km/h。

4.1 低速360°轉(zhuǎn)彎

對(duì)于低速360°轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)，不同國(guó)家要求半掛汽車(chē)列車(chē)滿(mǎn)足的通道圓的內(nèi)外徑不同，且不同標(biāo)準(zhǔn)采用的最低行駛車(chē)速不同[7-9]。主要研究隨動(dòng)橋和剛性橋?qū)Π霋炱?chē)列車(chē)的機(jī)動(dòng)性影響，對(duì)于路徑和車(chē)速可以根據(jù)軟件要求和車(chē)型選擇，通過(guò)修改Adams/Car共享數(shù)據(jù)庫(kù)中現(xiàn)有的駕駛員控制文件和駕駛員控制參數(shù)文件，建立行駛軌跡和設(shè)置仿真車(chē)速。

通過(guò)取曲線若干數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用作圖法，如圖7、圖8所示?？汕笃胀ò霋炱?chē)列車(chē)的偏移距為1295mm，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)的偏移距為1110mm，偏移距約減少14.3%。同理可作牽引車(chē)前橋外輪和半掛車(chē)第三軸內(nèi)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，可求普通半掛汽車(chē)列車(chē)的通過(guò)寬度為3801mm，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)的通過(guò)寬度為3516mm，故通過(guò)寬度約減小7.5%，即隨動(dòng)橋減小了半掛汽車(chē)列車(chē)360°轉(zhuǎn)彎所需場(chǎng)地，提高了半掛汽車(chē)列車(chē)的機(jī)動(dòng)性。

圖7 普通半掛汽車(chē)列車(chē)前橋和半掛車(chē)第三軸質(zhì)心軌跡Fig.7 CG Path of Front Axle and Trailer Third Axle of Common Semi-Trailer Truck

在360°轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)中，折疊角從第5.3s開(kāi)始增加，25s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，普通半掛汽車(chē)列車(chē)的穩(wěn)定折疊角為14.7°，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)的穩(wěn)定折疊角為12.7°，折疊角約減小13.6%，如圖9所示。故隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛車(chē)行駛軌跡更靠近牽引車(chē)的軌跡，其第三軸向轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的側(cè)滑較小，質(zhì)心軌跡與牽引車(chē)軌跡重合度更高。

圖9 360°轉(zhuǎn)彎半掛汽車(chē)列車(chē)折疊角變化Fig.9 Folding Angle Change of Semi-Trailer Truck in 360°Turning

4.2 低速角階躍轉(zhuǎn)向

360°轉(zhuǎn)向?yàn)槎窂皆囼?yàn)，為評(píng)價(jià)半掛汽車(chē)列車(chē)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常進(jìn)行低速角階躍轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)仿真[10]。仿真設(shè)置如下：在（2～2.4）s轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角從 0°階躍至 100°，仿真時(shí)間為20s，固定轉(zhuǎn)向盤(pán)至仿真結(jié)束，如圖10、圖11所示。

由圖10和圖11可知，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛車(chē)第三軸質(zhì)心與牽引車(chē)牽引座中心軌跡偏差最大值為814 mm，普通半掛車(chē)第三軸質(zhì)心與第五輪中心軌跡偏差最大值為984 mm，軌跡偏差最大值約減小17.3%，故安裝隨動(dòng)轉(zhuǎn)向橋后，半掛車(chē)第三軸的跟隨性能得到明顯改善。安裝隨動(dòng)橋后半掛車(chē)的橫擺角速度穩(wěn)定值較小，表明隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛車(chē)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎半徑大，如圖12所示。半掛車(chē)向轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)偏移量較小，隨動(dòng)橋質(zhì)心的軌跡更接近牽引座中心軌跡。

圖10 角階躍轉(zhuǎn)向普通半掛汽車(chē)列車(chē)跟隨軌跡Fig.10 Path-Following of Common Semi-Trailer Truck in Step Turning Test

圖11 角階躍轉(zhuǎn)向隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)跟隨軌跡Fig.11 Path-Following of Self-Steering Semi-Trailer Truck in Step Turning Test

圖12 普通半掛車(chē)和隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛車(chē)的橫擺角速度響應(yīng)Fig.12 The Yaw Rate of Common Semi-Trailer and Self-Steering Semi-Trailer

在角階躍轉(zhuǎn)向開(kāi)始時(shí)，隨動(dòng)橋的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)零線略向外偏移，偏移量最大值約為40 mm，如圖13所示。偏移量較小，不會(huì)對(duì)整車(chē)的機(jī)動(dòng)性造成過(guò)多影響，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)會(huì)逐漸進(jìn)入等速圓周行駛。

圖13 隨動(dòng)橋初始軌跡偏移局部放大圖Fig.13 The Local Image of Trajectory Outward of Self-Steering Axle

5 結(jié)論

利用Adams/Car模塊分別建立了普通半掛汽車(chē)列車(chē)和隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)整車(chē)模型，選取半掛車(chē)第三軸質(zhì)心和牽引座中心作為軌跡跟隨目標(biāo)，轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)表明：（1）在360°定路徑轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中，安裝隨動(dòng)橋后，半掛汽車(chē)列車(chē)的偏移距、通過(guò)寬度和折疊角分別減小了14.3%，7.5%和13.6%，即隨動(dòng)橋減小了半掛車(chē)向牽引車(chē)轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)的偏移量，減輕了輪胎側(cè)滑引起的非正常磨損，同時(shí)減小了半掛汽車(chē)列車(chē)轉(zhuǎn)彎所需場(chǎng)地尺寸。（2）角階躍轉(zhuǎn)向試驗(yàn)中，當(dāng)牽引車(chē)前橋轉(zhuǎn)向時(shí)，隨動(dòng)橋車(chē)輪在地面反作用力的激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向半掛汽車(chē)列車(chē)軌跡偏差值最大值約減小17.3%，故隨動(dòng)橋可顯著提高了半掛車(chē)第三軸的跟隨性能。雖然隨動(dòng)橋在初始轉(zhuǎn)向時(shí)刻有向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但其軌跡偏移量較小。

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