纵向质心位置对中置轴挂车的横向稳定性影响

张义花 赵东 杨玉娥 安延涛

摘要：为提高中置轴挂车的横向稳定性，根据TruckSim软件构建卡车-中置轴挂车模型，包括轮胎模型、载荷模型、道路模型，进行整车在空载和满载下的双移线工况仿真分析。根据各个状态变量的变化趋势，得知中置轴挂车是引起整车失稳的主要因素，并得到侧倾角速度和质心侧偏角对评价中置轴挂车质心位置变化时的稳定性更为有效的结论。通过改变中置轴挂车的纵向质心位置，即质心前移、质心不变、质心后移的对比分析，得到质心前移0.2 m时，是整车发生侧翻失稳的临界条件。中置轴挂车满载时的纵向质心位置与其车轴距离在前移0.45 m，后移0.2 m的范围内时，可保证整车在平直路面上稳定行驶。该研究可为中置轴挂车的安全运输提供参考。

关键词：交通安全卡车-中置轴挂车纵向质心位置横向稳定性

中图分类号：U469.5+2文献标识码：A文章编号：1004-0226（2019）02-0084-05

前言

随着GB 1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》修订及实施，中置轴挂车因具有运输效率高、成本低、转弯半径小、底盘低等优点，将成为轿运车的主流运输形式”[1]。由于中置轴挂车存在前后载荷易失去平衡、杠杆效应，以及侧翻、蛇形失稳、耦合器磨损等缺陷[2-3]，使得其行驶安全性下降，并对道路上行驶的其他车辆构成安全隐患。因此，欧美发达国家及国内相关研究机构对中置轴挂车的操纵稳定性进行了研究。

Van等对欧洲多种汽车列车类型进行了横向动力学分析，利用后部放大系数（RWA）对比，分析了单车轴、多车轴下的RWA大小，验证了中置轴挂车具有较低的RWA值[4]。Aoki A等构建了多个挂车的汽车列车线性模型，利用稳定性因数分析了不同轴数对多铰接式汽车列车的稳定性影响[5]。Fanchcr P等分析了多种汽车列车的方向生能，并对中置轴挂车的链接形式进行了研究[6]。Kharrazi S等利用挂车轴的主动转向控制对多种汽车列车进行了稳定性控制，其中卡车-中置轴挂车控制后其RWA下降了69%，并减小了轨迹偏移量[7]。利用前馈和反馈结合的控制方法，同样可提高中置轴挂车的横向稳定性[8-9]。Hou等分别对四种不同类型的汽车列车在不同环形交叉路口的侧倾稳定性进行了研究，并利用侧倾指标进行仿真分析，得到了后部挂车更易侧翻的结论[10]。Sundstrom P等利用基于模型的方法对长重型汽车列车进行了設计和控制研究[11]。Kural K等对长重型汽车列车的仿真模型进行了验证，并分析了静态、准静态和瞬态情况下各个状态变量的变化[12]。在轿车-中置轴挂车研究中，通过建立不同自由度的整车模型，仿真中置轴挂车的制动和主动转向过程中的各状态变量变化，以评价整车行驶的稳定性[13]。Lainc L等利用正弦停滞测试的方法对卡车-中置轴挂车在低附着路面上的横向稳定性进行了评估[14]。以上对多挂汽车列车的研究中，分别从结构、使用及控制策略方面进行了分析，但缺乏对中置轴挂车典型行驶工况下纵向质心位置变化的研究。

因此，本文将利用TruckSim软件建立卡车-中置轴挂车模型，包括轮胎模型、载荷模型和道路模型，分别在整车空载和满载下进行双移线工况的仿真分析与对比研究;通过改变中置轴挂车的纵向质心位置，分析质心移动对整车行驶稳定性的影响，为中置轴挂车的安全运输提供参考。

2卡车-中置轴挂车多体动力学模型构建

为分析卡车-中置轴挂车的横向稳定性，需进行相应的模型构建，包括车辆模型、轮胎模型、载荷模型及道路模型的构建过程。

2.1车辆模型构建

选用TruckSim软件Ilf的卡车为“Military：5-Ton TruckSprung Mass”，中置轴挂车选用了“Military Trailcr”，两者利用牵引销连接，整车由4根轴组成，卡车的后轴为双轴，如图1所示。卡车-中置轴挂车的模型参数见表1。

2.2轮胎模型

不同载荷下非线性轮胎模型具有不同的侧偏特性，如图2所示，在侧偏角在不大于10。时，随着载荷的增加，轮胎的侧偏力呈线性增加;当侧偏角超过10°时，载荷增加，轮胎的侧偏力轻微下降后不再变化。

2.3载荷模型

要进行中置轴挂车纵向质心位置变化的研究，载荷模型的构建至关重要。图3和4分别为中置轴挂车载荷模型和对应的空、满载时质心的位置，其中红色方框中表示质心到前轴的距离，通过改变该数值的大小可改变质心的纵向位置。在图4中，根据文献[15]中设计总质量分布以车轴为中线，前半部比后半部要大于10%的设计要求，文中的中置轴挂车空载和满载时的质心位置均位于中置轴的前部，满足设计的要求。根据多次仿真结果，同时为分析中置轴挂车对整车行驶稳定性的影响，本文只对中置轴挂车的纵向质心位置变化进行仿真分析。

2.4道路模型

在双移线工况下仿真时，道路模型选择附着系数为0.85的平直路面，如图5所示。

3对比仿真与评价指标确定

根据构建的多体动力学整车模型，设定车辆进行双移线行驶的速度为72 km/h，其方向盘转角如图6所示。分别仿真空载和满载工况下，整车的状态变量变化。

由图7可知，卡车在空载和满载下的侧向加速度变化大小相当，而中置轴挂车在空载和满载时对应侧向加速度的最大值分别为4.8 m/s2和5.5m/s2.且满载后的挂车振荡变化更剧烈，这说明载荷增加对中置轴挂车的横向稳定性具有重要影响。由图8中横摆角速度的变化可知，无论空载还足满载，中置轴挂车的横摆角速度均出现振荡变化，且数值较大，大于卡车的柑应值，这说明中置轴挂车足引发整车失稳的主要因素。

由图9可知，空载时卡车和中置轴挂车对应的最大值分别为1.56（°/s）和0.80（°/s），而满载对应值分别为8.68（°/s）和12.40（°/S）。这说明满载后侧倾角速度大幅度增加，是因为载荷增加，使得车辆的质心升高，增加了整车的侧倾趋势。载荷的增加，同样使得中置轴挂车的俯仰角速度增加，特别在双移线完成时更明显，如图10所示。

对比图8～10，从数值大小变化可知，中置轴挂车在三个方向上的角速度变化均比卡车的对应值大，而整车的俯仰角速度变化均最小。这说明在卡车-中置轴挂车双移线工况下，减小横摆角速度和侧倾角速度是提高整车行驶稳定性的关键。其中侧倾角速度的振荡变化更为剧烈，可作为纵向质心位置变化时中置轴挂车的横向稳定性评价指标。

由图11可知，满载时中置轴挂车的质心侧偏角变化最大，即4.35°，说明载荷增加后，后部挂车的行驶轨迹偏移量增加。而载荷的增加，并没有使得卡车与中置轴挂车之间的铰接角增加，如图12所示。

综上分析可知，中置轴挂车足影响正常行驶稳定性的主要因素;随着载荷的增加，中置轴挂车的侧倾角速度和质心侧偏角的变化更为剧烈，表现为侧倾趋势增加，轨迹保持能力下降。因此，在纵向质心位置变化时，选用这两种状态变量进行中置轴挂车的横向稳定性分析。

4纵向质心位置对整车横向稳定性影响分析

设定卡车在承受载荷后质心位置不变，只对中置轴挂车的纵向质心位置变化进行分析。在满载工况下，分别仿真中置轴挂车的纵向质心前移、不变、后移时，对侧倾角速度和质心侧偏角的影响。根据多次仿真结果，确定表2中的纵向质心位置变化。由表2可知，中置轴挂车质心后移0.2 m后，结合图4中的质心位置，中置轴挂车的质心位置仍在其轴的前部。车辆的仿真速度和双移线工况同以上设置。

由圖13（a）可知，质心后移0.2 m时，中置轴挂车的侧倾角速度达到稳态的时间比质心不变时更短，且振荡更小：质心前移0.2 m时，在双移线完成时出现了剧烈的振荡变化，最大值为31.34（。/s），表现为严重的侧倾失稳。这说明纵向质心位置前移会加速整车的横向失稳。

在图13（b）中，质心后移0.2m与质心位置不变时的质心侧偏角变化趋势基本一致，说明中置轴挂车空载时的质心前移设计可以弥补满载时质心后移的不足，而更有利于稳定性行驶;质心前移0.2m时，双移线完成时质心侧偏角出现了大幅度增加，即中置轴挂车的行驶轨迹偏移量增加，最大值为4.98°，这说明质心前移使得中置轴挂车的轨迹偏移严重，表现为蛇形运动。

为分析中置轴挂车质心后移量对整车稳定性的影响，又做了多次仿真并对比各个状态变量的变化，发现满载时质心后移0.45m时整车丌始出现振荡变化，即满载时质心在中置轴挂车轴中心位置的后部0.2m处时出现失稳。这说明满载时，纵向质心位置与中置轴挂车车轴之间的距离在一定范围内时，可保证整车在双移线行驶工况中的稳定性。

综上分析可知，中置轴挂车满载时质心前移0.2m是整车发生侧翻失稳的临界条件，整车易发生侧翻失稳;纵向质心位置在距离挂车车轴中心位置前移0.45m，后移0.2m的范围内时，可保证卡车-中置轴挂车在平直路面上稳定性行驶。因此，中置轴挂车满载时，合理的载荷分配对典型行驶工况下的车辆稳定性具有直接影响。

5结语

根据TruckSim软件构建卡车_中置轴挂车模型，包括轮胎模型、载荷模型和道路模型，进行了整车空载和满载下的双移线工况仿真，并对各个状态变量进行了对比分析，确定了中置轴挂车在双移线工况下的最伟评价指标;通过改变中置轴挂车的纵向质心位置，分祈质心前移、质心不变、质心后移对中置轴挂车侧倾角速度和质心侧偏角的影响，得到了如下结论：

a.对比整车在空载和满载下的双移线工况仿真可知，中置轴挂车是引起整车失稳的主要因素：

b.中置轴挂车满载时质心前移0.2m，是整车发生侧翻失稳的临界条件;

c.中置轴挂车满载时的纵向质心位置与其车轴中心之距在前移0.45m，后移0.2m的范围内时，可保证整车在平直路面上的行驶稳定性。

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