牵引车-半挂车列车转向性能仿真分析

黄继刚 李琳 顾信忠

南京航空航天大学金城学院 江苏南京 211156

牵引车-半挂车列车转向性能仿真分析

黄继刚 李琳 顾信忠

南京航空航天大学金城学院 江苏南京 211156

1 前言

随着社会的发展，越来越多的大型货物及设备都需采用超长半挂列车运输，因此超长半挂车在军用和民用领域都具有非常重要的地位，但由于车身较长，其转向性能往往不太好：最小转弯直径较大，影响原地掉头能力；牵引车和半挂车折叠的临界转弯直径较大；列车的通道宽度较大，影响车辆通过性能；转弯时半挂车轮胎和路面之间横向滑移较大，加速轮胎磨损。因此，市面上三轴以上常规半挂车较为少见，文献[1]认为采用液压转向可以较好地解决三轴以上半挂车的转向性能差的问题。

关于挂车后轴转向技术，苏联和日本早在上世纪八十年代就有相关专利；国内汉阳特种汽车制造厂也曾研制动力液压随动转向系统；后来日本还研制出用电子控制器实时控制转向的挂车转向系统[2]。很多学者对此进行过深入研究，文献[2]设计了挂车与牵引车前轮同轨迹转向的控制算法，并进行了仿真分析；文献[3]采用液压系统控制挂车与牵引车后轴中心同轨迹，提高了车辆的转向性能；文献[4]中建立了组合半挂车转向系统的优化模型，并用ADAMS对转向机构进行优化设计；文献[5,6]采用 MATLAB对多轴半挂车的转向传动机构进行优化，使其在转向时各车轮接近纯滚动。

文献[3]中虽然能够保证同轨迹转向，但挂车的运动轨迹是由六个车轮共同决定的，因此不能保证每个轮胎的横向滑动很小；而文献[4-6]的优化结果可减少轮胎的横向滑动，但是未能提高车辆的通过性能。本文以某超长转向三轴半挂车为研究对象，通过动力学仿真，首先分析轨迹误差，并对比了挂车后轴转向和不转向时整车通过性能，结合轮胎侧偏角的分析结果，提出了转向机构改进的建议。

2 半挂车多轴转向理论及其实现

2.1 半挂车后轴转向

半挂列车在转向时除了要求所有车轮都绕同一个瞬心做圆周运动外，也非常重视车辆的通过性能。而车辆通道宽度和牵引车的转向角、列车最大转弯直径、车轮转向角、行驶车速等相互制约、相互影响，难以精确计算和控制。

后轴转向挂车常采用稳态同轨迹方法设计。所谓稳态同轨迹，是指车辆达到稳态转向时，挂车上某一点与牵引车上的某一点以相同的轨迹运动，有两种设计方案。以单转向桥、双驱动桥牵引车拖动三轴半挂车为例，一种方案是挂车的中桥中心与牵引车双联驱动桥中心保持同轨迹[3]，如图1(a)所示；另一种方案则是挂车的中桥中心跟踪牵引车转向桥的中心[2]，如图1(b)所示。

从图1可以看出，牵引车转角相同时，内侧通道半径R'2>R2，方案二内侧通道半径较大，有利于降低内侧区域事故率。但此时挂车中轴中心轨迹半径R'0>R0，即方案一可以获得更小的转弯半径，可提高半挂车机动性。而且挂车与牵引车的外侧通道半径之差R'3-R'1>R3-R1，方案二的外侧通道的半径更大，转向时挂车尾部扫过更大的外侧区域，驾驶员难以从倒车镜观察到，非常不利于转向安全，所以设计挂车转向系统时常常采用方案一。图1中，R0、R'0分别为方案一、二挂车中轴中心轨迹半径；R1、R'1分别为方案一、二牵引车外侧通道半径；R2、R'2分别为方案一、二内侧通道半径；R3、R'3分别为方案一、二挂车外侧通道半径。

2.2 半挂车转向系统

本文以某企业生产的超长伸缩三轴半挂车为研究对象，该挂车采用中梁式结构，货台长9 390 mm，宽2 990 mm，挂车总长12 590 mm，共装配12只315/80R22.5子午线轮胎。空载质量为10 000 kg，轴荷2 133 kg，满载时47 000 kg，轴荷9 273 kg。挂车后三桥为转向桥，由采用方案一设计的转向机构驱动，如图2、3所示。活动支承板与牵引销固定连接，并用回转轴承与挂车车架连接。与牵引车铰接后，活动支承板上定位块与牵引车鞍座配合定位。整车转向时，活动支承板绕牵引销轴线相对挂车自由转动，偏心铰接的推力杆推动摆臂摆动，与摆臂相连的液压缸A和B被拉伸或压缩，如图2所示。

液压缸A、B和挂车尾部的液压缸D、C的有杆腔和无杆腔分别相连，形成封闭回路。由于内径和活塞杆直径相同，液压缸A和D、B和C的伸缩量相同。液压缸C、D的伸缩运动驱动挂车后桥转向摆臂摆动，通过后桥的横推杆驱动后桥转向，同时也经纵推杆驱动前桥和中桥转向摆臂摆动，与转向摆臂铰接的横推杆驱动前桥和中桥转向。

3 半挂车转向性能动力学仿真分析

该转向系统是以牵引车和挂车的轴线夹角α为输入信号控制挂车各转向桥转向的，而夹角α是由挂车的运动状态确定的，如图4所示，其动力学方程为[7,9]：式中，F1为牵引车对挂车的牵引力、F2为挂车的离心力；F3为路面附着力；F1y、F3y为F1、F3的横向分量；L1、L3则是F1、F3到挂车质心的力臂；m为挂车的质量；ay为 横向加速度；Iz为绕Z轴的转动惯量；γ为角加速度。

挂车的运动状态是由其受载决定的，而运动状态的变化也会改变车辆的受力状态。对于恒定的牵引车转角输入，夹角α的特性类似于非线性系统的输出，存在时间上的滞后和执行上的误差，经过一段时间的振荡后达到稳态值[8]，如图5所示。该稳态值在设计阶段难以获得，使列车实际转向特性与设计目标常常存在较大差异，所以对整车进行动力学仿真分析是十分必要的。3.1 多体动力学建模

首先将挂车零部件的三维数模导入ADAMS中并设置质量属性，然后按照实际情况添加运动副同时验算模型自由度数目。还需要在转向节上装配轮胎，属性文件选择软件自带的PAC2002_315_80R22.5。液压缸A、B的行程设置为两个measure，作为转向液压缸D、C的驱动函数，完整的挂车模型如图6所示。

牵引车为6×4三桥牵引车，整车质量为8 870 kg，前桥最大承载为7 100 kg，双后桥最大承载为25 000 kg。鞍座离地高度为1 350 mm，允许最大承载为19 950 kg，牵引销孔中心至双联驱动轴中心纵向距离为375 mm。三维模型导入ADAMS后同样需要正确设置质量属性和装配轮胎，并将牵引车鞍座和挂车活动支承板固定连接。由于牵引车为后桥驱动且转向时内外侧车轮转速不等，可推导内外侧车轮的转速关系[9]：

式中，ωi、ωo分别为内外侧驱动轮的角速度，β为前轮转向角，L为牵引车轴距，B为驱动轮轮距。按照公式(2)设置驱动轮角速度可模拟实车差速器，以保证转向时驱动轮纯滚动。3.2 仿真结果

该挂车主要用于厂区内大型吊车臂运输，对行驶车速没有要求，故设置车速为牵引车的最低稳定车速10 km/h，设置仿真时间80 s，仿真步长0.01 s。牵引车的转向角分别为10°、15°、20°和25°时的仿真结果如图8、9所示。图8中外侧为牵引车驱动桥中心的运动轨迹，内侧为挂车中桥中心的运动轨迹，可见挂车的转弯直径小于牵引车，且随着牵引车转向角增大，两条轨迹之差也越来越大，即转弯通道宽度也增大，如图9所示。当转向角达到25°时，牵引车与挂车折叠，这是非常危险的现象。

为了便于比较，也对无转向桥挂车进行了10°、15°和20°转向角转向仿真，对比结果如图10所示。转向桥挂车的转弯直径均比无转向桥大，则转向桥挂车受到的离心力较小，可减小车辆侧滑的趋势，对提高半挂车行驶的安全性非常有利。由于整车的最大转弯直径由牵引车决定，如图8所示，转向桥挂车的转弯直径较大并不影响整车的机动性能。相反，此时转弯通道宽度较小，有利于提高车辆的通过性能。

图11、12为各轮胎侧偏角仿真结果，无转向桥挂车的侧偏角绝对值比转向桥挂车对应车轮的大，如表1所示，若轮胎长期处于大侧偏角状态甚至侧滑会加速轮胎磨损，降低轮胎的使用寿命。图11中还出现了侧偏角突变至零的现象，说明此时车轮发生侧滑，对车辆行驶的稳定性非常不利。

图12中转向桥挂车前桥轮胎的侧偏角为正、后桥为负，表明前后桥的转向角绝对值均比设计目标值小，该结论与中心轨迹误差相符，因此需要对转向机构进一步优化，以保证所有车轮的侧偏角接近。

表1 挂车轮胎侧偏角的稳态均值

4 结语

半挂车在转向过程中牵引车转向角、列车最小转弯直径、挂车转弯直径、列车通道宽度等重要参数对车辆的行驶安全性、稳定性和通过性均有重要影响，而且这些参数是整车转向时的动态响应，相互制约、相互影响，设计过程中难以精确计算，可采用动力学仿真方法进行分析。通过仿真分析可得到以下重要结论：

a. 保持挂车与牵引车前桥中心同轨迹可以获得更大的内侧通道半径，但外侧通道半径也较大，不利于行车安全;

b. 挂车采用转向桥并不是为了减小挂车的最小转弯直径，其主要目的是减小通道宽度;

c. 转向桥挂车能够减少轮胎的侧偏角及轮胎的横向滑动，有利于提高车辆的横向稳定性和延长轮胎的使用寿命;

d. 转向过程中，当挂车轮胎的侧偏角接近时，轮胎承受的横向附着力相近，说明所有车轮近似绕同一点运动，转向机构才是比较理想的。

[1] 赵龙.液压技术在半挂车中的应用[J].专用汽车,1990,(1):36-37.

[2] 裴金.半挂车复杂路线同轨迹转向的研究[J].专用汽车,1992,(2):6-11.

[3] 宫慧敏.超长型半挂车全轮转向的理论关系及实现方法[J].专用汽车,1997(4):6-10.

[4]邓小禾,马力,乔媛媛.液压模块式组合半挂车转向系统优化设计[J].专用汽车,2009,(9):46-49.

A Simulation Analysis on Steering Performance of Tractor Semi-trailer Combination

HUANG Ji-gang et al

为了分析某半挂列车的转向性能，运用ADAMS软件，建立了牵引车-转向桥半挂车的动力学模型并完成仿真分析，仿真结果与理论设计目标存在一定误差。故同时对无转向桥挂车进行了仿真模拟，并与转向桥挂车进行了比较。结果显示，转向桥挂车不仅可以明显减小整车的通道宽度，有利于提高整车的通过性能，而且其转弯直径较大、离心力较小，轮胎的侧偏角和横向滑动较小，对提高车辆行驶稳定性和延长轮胎的使用寿命均非常有利。

通过性能 牵引车-半挂车列车 动力学仿真 ADAMS软件

A multi-body dynamics model was developed by using the ADAMS software to analysis the steering performance of the tractor semi-trailer combination. The results of simulation and design target are not consistent. The model of semitrailer without steering axles was also simulated for comparison. The simulation results showed that semi-trailer with steering axles can significantly reduce turning clearance width, and was beneficial to improve traffic ability. As a result of larger turning diameter, the centrifugal force and slip angles of tire were smaller, which provided a benefit to vehicle stability and service life of tires.

clearance; tractor semi-trailer combination; dynamics simulation; ADAMS software

U469.5.02

A

1004-0226(2016)11-0094-04

黄继刚，男，1982年生，讲师，研究方向为汽车设计、计算机仿真、CAE。

2016-08-31