張劍罡，徐希翼，許梁，張?jiān)拭?，苗立東

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博255049)

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)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(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛時(shí)出現(xiàn)的安全隱患較多，如：掛車的折疊、轉(zhuǎn)彎的側(cè)傾等現(xiàn)象，給人們出游帶來(lái)了極大的安全隱患。學(xué)者對(duì)半掛汽車列車的制動(dòng)性能、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了仿真分析[2-5]，在此研究的基礎(chǔ)上對(duì)某拖掛式房車在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

本文利用虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件ADAMS建立某種型號(hào)的牽引車-拖掛式房車的多體動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)車實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與仿真分析獲得的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)設(shè)計(jì)ADAMS/Car軟件中仿真實(shí)驗(yàn)，分析某拖掛式房車的整車質(zhì)量、質(zhì)心位置、質(zhì)心與鉸接點(diǎn)之間的距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況行駛穩(wěn)定性的影響。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

分別在牽引車和拖掛式房車的質(zhì)心處建立車輛坐標(biāo)系O1x1y1、O2x2y2，牽引車-拖掛式房車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)受力分析[6]如圖1所示。

圖1 牽引車-拖掛式房車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)受力分析

牽引車動(dòng)力學(xué)微分方程為

(1)

拖掛式房車動(dòng)力學(xué)微分方程為

(2)

圖1及式(1)、式(2)中各符號(hào)含義見(jiàn)表1。

表1 各符號(hào)名稱及含義

1.2 ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.2.1 模型的簡(jiǎn)化

在建立牽引車-拖掛式房車多體動(dòng)力學(xué)模型時(shí)做如下簡(jiǎn)化：簧上質(zhì)量看作一個(gè)整體，是具有六個(gè)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(shí)認(rèn)為它們不變形；采用線性彈性橡膠襯套來(lái)模擬剛體之間的柔性連接；忽略各個(gè)運(yùn)動(dòng)副內(nèi)部的摩擦[7-8]。

1.2.2 輪胎模型

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

魔術(shù)公式的一般表達(dá)式為

Y(x)=Dsin[Carctan{Bx-

E(Bx-arctanBx)}]，

式中:Y(x)可以表示側(cè)向力、縱向力，也可以表示回正力矩；x可以表示輪胎的側(cè)偏角或者縱向滑移率；B、C、D、E是常數(shù)，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(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2、表3，建立的牽引車-拖掛式房車動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

表2 牽引車部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 拖掛式房車部分結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 牽引車-拖掛式房車動(dòng)力學(xué)模型

2 模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)所建牽引車-拖掛式房車動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，采用實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)相比較的方法，該方法能夠直觀反映實(shí)車模型與動(dòng)力學(xué)模型的差別。

2.1 實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 實(shí)車實(shí)驗(yàn)

在平坦、寬闊的場(chǎng)地上對(duì)實(shí)驗(yàn)樣車做蛇形穿越實(shí)驗(yàn)，具體設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件：樣車在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(cè)傾角、橫擺角、橫擺角速度。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

如圖3所示，采用德國(guó)IMC公司的IMCCS-7008-N型數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集數(shù)據(jù)，利用XW-GI7660 高精度姿態(tài)方位儀測(cè)量拖掛式房車的側(cè)傾角、橫擺角、橫擺角速度等數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)獲取儀器

2.2 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

將實(shí)車實(shí)驗(yàn)條件作為動(dòng)力學(xué)仿真的輸入，可以得到仿真結(jié)果。

如圖4所示，蛇形穿越實(shí)驗(yàn)中拖掛式房車的側(cè)傾角、橫擺角速度變化趨勢(shì)一致，仿真實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值略小于實(shí)車實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)是在理想條件下進(jìn)行的，沒(méi)有受到外界因素干擾，所以數(shù)值相對(duì)較小，曲線變化比實(shí)車實(shí)驗(yàn)平緩。綜合來(lái)看，所建立的牽引車-拖掛式房車模型比較準(zhǔn)確。

(a)蛇形穿越實(shí)驗(yàn)側(cè)傾角對(duì)比

3 轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛穩(wěn)定性分析

如圖2所示，對(duì)建立的牽引車-拖掛式房車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下的仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置轉(zhuǎn)彎制動(dòng)事件構(gòu)造文件，驅(qū)動(dòng)所建的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真。改變房車質(zhì)量、質(zhì)心位置、輪胎側(cè)偏剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)牽引車-拖掛式房車在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛穩(wěn)定性的影響。

仿真條件：牽引車-拖掛式房車模型首先在設(shè)定的路面上直線行駛，直至速度達(dá)到50km/h，當(dāng)縱向加速度與側(cè)向加速度均為0時(shí)，此時(shí)所用時(shí)間為2.5s；維持速度不變右轉(zhuǎn)彎駛?cè)胍粋€(gè)曲率半徑為120m的彎道，進(jìn)入彎道1s后以3.0m/s2的加速度開始制動(dòng)至車速為2km/h。

3.1 拖掛式房車質(zhì)量的影響

將拖掛式房車質(zhì)量m2設(shè)置為1 600、1 800、2 000kg，通過(guò)仿真，得到側(cè)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(zhì)量的減小，拖掛式房車側(cè)傾角也隨之減??；由圖5(b)可知，拖掛式房車的質(zhì)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(zhì)量減小，仿真后的橫擺角速度峰值減小。拖掛式房車的質(zhì)量直接影響轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛的側(cè)傾角，從而對(duì)橫擺角、橫擺角速度產(chǎn)生較小的影響。因此，減小拖掛式房車的質(zhì)量有利于提高拖掛式房車的行駛穩(wěn)定性。

3.2 拖掛式房車質(zhì)心位置的影響

3.2.1 質(zhì)心高度的影響

將拖掛式房車的質(zhì)心高度設(shè)置為800、900、1 000 mm，通過(guò)仿真，得到側(cè)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(zhì)心高度的減小，拖掛式房車側(cè)傾角也隨之減??；由圖6(b)可知，改變拖掛式房車的質(zhì)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(zhì)心高度減小，橫擺角速度峰值減小。拖掛式房車的質(zhì)心高度直接影響轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛的側(cè)傾角，從而對(duì)橫擺角、橫擺角速度產(chǎn)生一定的影響。因此，減小拖掛式房車的質(zhì)心高度有利于提高拖掛式房車的行駛穩(wěn)定性。

3.2.2 質(zhì)心到鉸接點(diǎn)距離的影響

將拖掛式房車的質(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離設(shè)置為3 800、3 900、4 000 mm，通過(guò)仿真，得到側(cè)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(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離，拖掛式房車的側(cè)傾角、橫擺角、橫擺角速度均有小幅度的減小。拖掛式房車質(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離直接影響轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛的橫擺角速度，從而對(duì)橫擺角、側(cè)傾角產(chǎn)生一定的影響。因此，減小拖掛式房車的質(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離，有利于提高拖掛式房車的行駛穩(wěn)定性。

3.3 拖掛式房車輪胎側(cè)偏剛度的影響

將拖掛式房車輪胎的側(cè)偏剛度k設(shè)置為40 000、60 000、80 000 N/rad，通過(guò)仿真，得到側(cè)傾角、橫擺角、橫擺角速度的曲線，如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)拖掛式房車輪胎的側(cè)偏剛度由40 000 N/rad增大到60 000 N/rad時(shí)，拖掛式房車的側(cè)傾角幾乎不變而橫擺角、橫擺角速度明顯減小；當(dāng)拖掛式房車輪胎的側(cè)偏剛度由60 000 N/rad增大到80 000 N/rad時(shí)，拖掛式房車的側(cè)傾角、橫擺角、橫擺角速度明顯減小。拖掛式房車輪胎的側(cè)偏剛度直接影響轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛的橫擺角速度，從而對(duì)橫擺角、側(cè)傾角產(chǎn)生一定的影響。因此，增大拖掛式房車輪胎的側(cè)偏剛度有利于提高拖掛式房車的行駛穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立牽引車-拖掛式房車的動(dòng)力學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了仿真驅(qū)動(dòng)條件，使其在一定條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況仿真。仿真結(jié)果表明：拖掛式房車的質(zhì)量、質(zhì)心高度直接影響在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛的側(cè)傾角，質(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離、輪胎的側(cè)偏剛度直接影響在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下行駛的橫擺角速度；減小拖掛式房車的質(zhì)量、增加輪胎的側(cè)偏剛度、減小質(zhì)心的高度、減小質(zhì)心到鉸接點(diǎn)的距離都有利于提高拖掛式房車在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況下的行駛穩(wěn)定性。