李慧勇

摘 ?要：為了提升營運(yùn)車輛安全性能，有效遏制和減少因車輛主動(dòng)安全性能不足導(dǎo)致的道路運(yùn)輸事故，中華人民共和國交通運(yùn)輸部于2018年2月26日發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1178.1-2018《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車》，標(biāo)準(zhǔn)中第4.9項(xiàng)要求：載貨汽車在空載狀態(tài)下按照附錄B規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)彎通道最大寬度應(yīng)小于等于5.0m。本文以標(biāo)準(zhǔn)中附錄B《車輛直角彎道通過性試驗(yàn)方法》為基礎(chǔ)，根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向原理，利用數(shù)學(xué)建模的方式，研究載貨車直角彎道通過性仿真的方法。最后，利用Visual Basic語言設(shè)計(jì)程序?qū)d貨車直角彎道通過性進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明該仿真方法是有效的。

關(guān)鍵詞：直角彎道;通過性;載貨車;數(shù)學(xué)建模;迭代計(jì)算

中圖分類號(hào)：U467.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）06-0046-06

Abstract： In order to improve the safety performance of operating vehicles and effectively curb and reduce road transport accidents caused by Active safety performance of vehicles， the Ministry of transport of the people's Republic of China issued the industry standard JT / T 1178. 1-2018 Technical Conditions for Operating Trucks Safety Part 1： Trucks on February 26， 2018. In which item 4.9 requests： the truck shall be tested in no-load state according to the test method specified in Appendix B， and the maximum width of turning channel shall be less than or equal to 5.0m. On the basis of Appendix B of the standard， Test Method of Passing Through Right Angle Bend of Vehicle， according to the principle of vehicle steering， using the method of mathematical modeling， this paper studies the simulation method of passing through right angle bend of truck. Finally， using Visual Basic programming language to simulate the right angle bend trafficability of the truck， and by comparing the simulation results with the test results， the results show that the simulation method is effective.

Key Words： Right Angle Bend; Trafficability; Truck; Mathematical Modeling; Iterative Calculation

1 ? ?背景介紹

近年來，道路貨物運(yùn)輸在綜合交通運(yùn)輸體系中一直占據(jù)著十分重要的位置，在給大家生產(chǎn)生活帶來極大便利的同時(shí)，也帶來了諸多問題，尤其是安全事故頻發(fā)導(dǎo)致了大量人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。依據(jù)《中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)》的相關(guān)數(shù)據(jù)，2011年～2016年間共發(fā)生死亡3～9人較大級(jí)道路交通事故525起，導(dǎo)致死亡2284人、受傷2654人。其中營運(yùn)貨車肇事產(chǎn)生的交通事故354起，導(dǎo)致死亡1513人、受傷1320人，分別占事故總量的67.4%、66.2%和49.7%。按照營運(yùn)貨車車輛類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，普通貨車是肇事車輛的主要車型。由營運(yùn)貨車引發(fā)的交通事故極其慘烈，對人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了極其嚴(yán)重的損失，人們戲稱大貨車為“大禍車”。

為提升營運(yùn)車輛安全性能，有效遏制和減少因車輛主動(dòng)安全性能不足導(dǎo)致的道路運(yùn)輸事故，中華人民共和國交通運(yùn)輸部于2018年2月26日發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1178.1-2018《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車》，標(biāo)準(zhǔn)對車輛的穩(wěn)定性、通過性、安全防護(hù)性等性能都提出了較高要求，其中第4.9項(xiàng)要求：載貨汽車在空載狀態(tài)下按照附錄B規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)彎通道最大寬度應(yīng)小于等于5.0m。為了提高車輛本質(zhì)安全性能、滿足新的法規(guī)要求，節(jié)省研發(fā)、試驗(yàn)的費(fèi)用及時(shí)間投入，那么研發(fā)初期就必須判斷車輛直角彎道通過性，所以建立一套行之有效的載貨車直角彎道通過性仿真計(jì)算方法十分必要。

2 ? ?車輛直角彎道通過性試驗(yàn)方法

JT/T 1178.1-2018《營運(yùn)貨車安全技術(shù)條件 第1部分：載貨汽車》附錄B中規(guī)定的試驗(yàn)方法如下：

2.1 ? 試驗(yàn)道路要求

試驗(yàn)路面應(yīng)為平坦、干燥、整潔的鋪裝路面。試驗(yàn)規(guī)定的路線由三部分組成：直線駛?cè)肼范?、半徑?2.5m的90°圓弧路段以及直線駛出路段，兩直線路段分別在與圓弧路段的交點(diǎn)處與圓弧相切，如圖1-1所示：

2.2 ? 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)操作步驟如下：

（a）車輛空載、以直線狀態(tài)停于試驗(yàn)路面上。沿車輛最外側(cè)部位向地面做投影，該投影線為試驗(yàn)規(guī)定路線中直線駛?cè)肼范巍?/p>

（b）車輛起步，以不超過5km/h的車速由直線行駛過渡到圖1-1所述的直角彎道。

（c）轉(zhuǎn)彎結(jié)束后，試驗(yàn)車輛應(yīng)沿直線路段繼續(xù)行駛一段距離，以保證試驗(yàn)?zāi)軌驕y得車輛的轉(zhuǎn)彎通道最大寬度。

（d）在駛?cè)搿⑥D(zhuǎn)彎和駛出過程中應(yīng)保證車輛前外側(cè)在地面上的參考點(diǎn)與規(guī)定路線一致，軌跡偏差不應(yīng)超過50mm。

（e）記錄車輛內(nèi)側(cè)在地面投影的運(yùn)動(dòng)軌跡。上述過程順逆時(shí)針各進(jìn)行一次。

2.3 ? 試驗(yàn)結(jié)果

測量車輛在試驗(yàn)過程中的轉(zhuǎn)彎通道最大寬度，試驗(yàn)結(jié)果取順時(shí)針和逆時(shí)針兩次測試結(jié)果的平均值，按GB/T8170修約到小數(shù)點(diǎn)后一位，單位為m。

3 ? ?車輛直角彎道通過性仿真計(jì)算

3.1 ? 車輛轉(zhuǎn)向原理

汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是基于阿克曼理論，其核心是汽車轉(zhuǎn)向時(shí)所有車輪的軸線都相交于一點(diǎn)，各車輪圍繞一個(gè)共同的圓心運(yùn)動(dòng)，如圖2-1所示。這個(gè)共同的圓心即汽車的轉(zhuǎn)向中心。汽車的轉(zhuǎn)向中心不是固定不變的，而是隨著轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化。但是不管汽車的轉(zhuǎn)向中心如何變化，汽車后輪（非轉(zhuǎn)向輪）的瞬時(shí)行駛方向永遠(yuǎn)垂直于其軸線，如圖2-1中H所示：

3.2 ? 仿真計(jì)算方法

因?yàn)槠囖D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是左右對稱的，且仿真計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生左右轉(zhuǎn)向的偏差問題，所以只需要仿真計(jì)算向左或向右轉(zhuǎn)向即可，以下計(jì)算方法選取向左轉(zhuǎn)向的情況進(jìn)行仿真研究。另外，該直角轉(zhuǎn)彎通道外徑與GB 1589中規(guī)定的通道圓外徑一致，所以本文認(rèn)為該仿真車輛的車輪最小轉(zhuǎn)向角可以滿足直角轉(zhuǎn)彎通道的試驗(yàn)要求。特別說明，本仿真計(jì)算方法是基于前輪轉(zhuǎn)向的載貨汽車建立的。

3.2.1 整車基礎(chǔ)參數(shù)

以驅(qū)動(dòng)形式為8×4的載貨汽車為例，將貨箱及駕駛室都簡化為矩形，將整車簡化為圖3-2所示的基本樣式。根據(jù)本文2.1.2所述的試驗(yàn)方法，車輛前外側(cè)在地面上的參考點(diǎn)A一定是在車輛最外側(cè)部位向地面做的投影線上，所以駕駛室需要簡化為與整車寬度一致的矩形。該基本樣式中的參數(shù)L1取0即可表示驅(qū)動(dòng)形式為6×4的載貨汽車，參數(shù)L3取0即可表示驅(qū)動(dòng)形式為6×2的載貨汽車，參數(shù)L1、L3都取0即可表示驅(qū)動(dòng)形式為4×2的載貨汽車，所以以圖3-2所示的驅(qū)動(dòng)形式為8×4的載貨汽車為基本樣式可以代表當(dāng)前所有的主流載貨汽車。

3.2.2 全局坐標(biāo)系建立

根據(jù)本文第2章所述的車輛直角彎道通過性試驗(yàn)方法，以圓弧路段最外側(cè)的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以進(jìn)入圓弧的切線方向?yàn)閄方向，以從原點(diǎn)指向圓弧圓心的方向?yàn)閅方向，建立全局坐標(biāo)系。車輛在初始位置時(shí)，車輛前外側(cè)在地面上的參考點(diǎn)A與坐標(biāo)系原點(diǎn)O重合，車輛行駛方向指向X方向，如圖3-3所示：

3.2.3 求取參考點(diǎn)的位置

假設(shè)車輛在按照本文第2章所述的車輛直角彎道通過性試驗(yàn)方法在全局坐標(biāo)系中行進(jìn)，在某一狀態(tài)時(shí)，車輛前外側(cè)在地面上的參考點(diǎn)A的在全局坐標(biāo)中的坐標(biāo)為（Xi，Yi）。則根據(jù)圖3-3中的幾何關(guān)系可得出以下結(jié)果：

3.2.4 車輛自身轉(zhuǎn)向角計(jì)算

假設(shè)車輛在按照本文第2章所述的車輛直角彎道通過性試驗(yàn)方法在全局坐標(biāo)系中行進(jìn)，在某一狀態(tài)時(shí)，車輛自身與初始狀態(tài)時(shí)相比轉(zhuǎn)過的角度，我們定義為車輛自身轉(zhuǎn)向角（或車輛姿態(tài)）。此時(shí)我們以車輛后橋中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系OiXiYi，如圖3-4所示，其中 ? ?就是車輛在狀態(tài)i時(shí)的車輛自身轉(zhuǎn)向角。

車輛自身轉(zhuǎn)向角的求取需要借助兩個(gè)上述局部坐標(biāo)系，如圖3-5所示，狀態(tài)2是車輛由狀態(tài)1按規(guī)定路線在全局坐標(biāo)系中向前行駛了一定距離d（即A1到A2的距離）后的車輛姿態(tài)。根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向原理，當(dāng)行駛的距離d趨于0時(shí)，點(diǎn)O1與點(diǎn)O2的連線會(huì)趨于與狀態(tài)1的前進(jìn)方向重合。根據(jù)有限元分析思路，我們將整個(gè)試驗(yàn)路段分成若干個(gè)小段，這樣每一小段都可以看作是由圖3-5中的狀態(tài)1行駛到狀態(tài)2，而且段數(shù)分的越多則越接近真實(shí)狀態(tài)。再根據(jù)本文3.2.3中的公式（4）或（5）可以求得點(diǎn)A1與點(diǎn)A2在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（X1，Y1）（X2，Y2）。

綜上所述，我們可以根據(jù)初始車輛位置、初始車輛姿態(tài)及以上公式逐次迭代計(jì)算求得整個(gè)仿真試驗(yàn)過程中車輛在全局坐標(biāo)系中的所有位置及自身轉(zhuǎn)向角（或車輛姿態(tài)）。

3.2.5 轉(zhuǎn)彎通道寬度計(jì)算

根據(jù)上述方法，我們得到了車輛行駛到任意一點(diǎn)時(shí)的車輛位置及車輛姿態(tài)，然后將車輛行駛到某一狀態(tài)時(shí)的車輛位置及車輛姿態(tài)繪制于全局坐標(biāo)系中，可得到圖3-6。根據(jù)圖3-6中的幾何關(guān)系即可求得車輛行駛到該點(diǎn)時(shí)車輛最內(nèi)側(cè)與道路最外側(cè)之間的距離，即車輛行駛到該點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)彎通道寬度Wi。

根據(jù)上述公式可求得整個(gè)仿真試驗(yàn)過程中車輛在全局坐標(biāo)系中所有位置的轉(zhuǎn)彎通道寬度，而其中數(shù)值最大的一個(gè)即是該車輛的轉(zhuǎn)彎通道最大寬度。

4 ? ?載貨車直角彎道通過性仿真程序

本文第3章所述的仿真計(jì)算方法需要大量的迭代計(jì)算，采用人工計(jì)算工作量巨大，因此利用Visual Basic語言設(shè)計(jì)了程序進(jìn)行載貨車直角彎道通過性的仿真計(jì)算。

4.1 ? 程序簡介

根據(jù)上述計(jì)算方法設(shè)計(jì)載貨車直角彎道通過性仿真程序，界面如圖4-1所示。程序界面分為整車參數(shù)輸入、精度設(shè)置、演示設(shè)置、計(jì)算結(jié)果、操作按鈕五個(gè)部分。

整車參數(shù)輸入部分用于輸入整車的基本參數(shù)及修正系數(shù)。考慮到試驗(yàn)中車輛前外側(cè)參考點(diǎn)的選取和車輛的行駛軌跡都有一定的偏差，而仿真是沒有任何偏差的。為了使計(jì)算結(jié)果更接近于試驗(yàn)結(jié)果，通過對大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在計(jì)算程序中增加了修正算法和修正系數(shù)。

精度設(shè)置部分用于設(shè)置程序的計(jì)算精度和直線駛出路段長度。計(jì)算精度定義為整車前外側(cè)參考點(diǎn)A沿圓弧路段行駛時(shí)的位置每次在圓弧上變化的角度，無單位，取值范圍為0.01～1。當(dāng)車輛在圓弧路段行駛時(shí)，每次變化的角度θ=計(jì)算精度×1°;當(dāng)車輛在直線駛出路段行駛時(shí)，每次變化的長度n=計(jì)算精度×100 mm。

演示設(shè)置部分用于設(shè)置AutoCAD演示車輛仿真試驗(yàn)過程時(shí)是否保留軌跡及顯示軌跡的間隔。軌跡間隔定義為間隔幾個(gè)計(jì)算精度顯示一次。如圖4-2為保留軌跡時(shí)的載貨車直角彎道行駛仿真試驗(yàn)演示結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果部分用于顯示轉(zhuǎn)彎通道最大寬度的計(jì)算結(jié)果及修約值結(jié)果，并判斷是否滿足法規(guī)要求。程序還顯示了車輛在轉(zhuǎn)彎通道最大寬度時(shí)的位置及姿態(tài)，同時(shí)計(jì)算了整個(gè)試驗(yàn)過程中車輛尾部的最大外擺值。

操作按鈕部分的四個(gè)按鈕分別執(zhí)行校核計(jì)算、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、利用AutoCAD演示、利用AutoCAD繪制車輛在轉(zhuǎn)彎通道最大寬度時(shí)的位置及姿態(tài)這四個(gè)功能。

4.2 ? 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

利用上述程序?qū)卓顦颖拒囆偷霓D(zhuǎn)彎通道最大寬度進(jìn)行仿真計(jì)算，并經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)果如表1所示。

通過對表1中各車型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較，可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相同，有少數(shù)車型偏差為0.1m。因此，該仿真方法可以在載貨車研發(fā)初期判斷車輛的直角彎道通過性。

5 ? ?結(jié)論

車型開發(fā)初期必須對車輛某些性能的進(jìn)行判斷，以便及時(shí)調(diào)整車型參數(shù)及配置，預(yù)防車型開發(fā)后期調(diào)整參數(shù)及配置帶來的損失。本文通過建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)VB程序仿真計(jì)算車輛的直角轉(zhuǎn)彎通道最大寬度，并通過與試驗(yàn)結(jié)果的對比證明該仿真方法是有效的，為車型開發(fā)初期判斷車輛的直角彎道通過性提供了一種有效方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞. 汽車構(gòu)造（第3版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]王望予. 汽車設(shè)計(jì)（第4版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]羅朝盛. Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)實(shí)用教程 [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]張晉西. Visual Basic與AutoCAD二次開發(fā) [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.