滑移率控制对改善重型汽车转向制动稳定性的仿真研究

2021-11-22张婷婷贾会星杨章林

辽宁科技学院学报 2021年4期

张婷婷，贾会星，杨章林

(滁州职业技术学院机械与汽车工程学院，安徽滁州 239000)

重型汽车在紧急转向制动时，容易失去行驶稳定性，发生侧翻事故造成经济损失和人员伤害，对重型汽车紧急转向制动过程进行研究有重要意义。实车试验由于经济成本和人员安全的因素实施困难，采用车辆动力学仿真软件进行动态仿真可以节约研究成本，缩短研究时间，避免实车试验的危险〔1〕。

文章通过建立重型汽车转向制动行驶的动力学模型，并结合车辆动力学仿真软件TruckSim进行仿真〔2〕，研究重型汽车紧急转向制动过程中，制动车轮滑移率控制对其行驶稳定性的影响。

1 重型汽车转向制动工况的动力学分析

图1为重型汽车转向制动的动力学分析示意图，首先建立坐标系，以重型汽车质心为坐标原点，前进方向为坐标轴X方向，转向侧为Y轴方向，Z轴为重型汽车质心指向上方〔3-4〕。由图1的受力平衡分析，可得公式(1)—(5),由其几何关系，可得公式(6)、(7)，根据车轮滑移率的定义可得公式(8)〔5-6〕。

图1 转向行驶的力学分析

由X轴方向受力平衡，可得：

sinδ+Fxrl+Fxrr

(1)

由Y轴方向受力平衡，可得：

cosδ+Fyrl+Fyrr

(2)

由绕Z轴力矩平衡，可得：

(3)

由各车轮的力矩平衡，可得：

(4)

各车轮所受的地面垂直反力为：

(5)

四个轮胎的侧偏角分别为：

(6)

各车轮沿X轴的速度为：

(7)

由公式(7)可得各车轮滑移率：

(8)

公式中各符号的含义如表1所示。

表1 公式中各符号的含义

2 基于trucksim的转向制动工况仿真

为了提高仿真的精确度，这里使用Trucksim软件里经过验证的Conventional Van重型汽车模型参数来进行仿真〔7〕，其主要参数如表2所示。

表2 仿真整车主要参数

续表2

仿真的道路环境设置为半径为150 m的圆形单车道，路面附着良好，附着系数取0.75。重型汽车以75 km/h的车速在车道上转向行驶，行驶2秒后进行紧急制动，一种制动采用常规液压制动，制动时直接将制动压力加到最大，使制动车轮抱死〔8〕；另一种制动方式采用单通道ABS对其车轮的滑移率进行控制〔9〕，使滑移率保持在10%～20%。制动时对制动主缸施加了15 MPa的制动压力，如图2所示。常规制动的轮缸压力和采用滑移率控制的单通道ABS控制的轮缸压力变化情况如图3所示。

图2 制动主缸制动压力

图3 制动轮缸制动压力

仿真过程中，车身簧载质量的侧倾角、横摆角、横摆角速度的变化情况如图4、图5、图6所示。车辆质心的横向加速度、车轴的侧倾角、车辆的横向滑移量如图7、图8、图9所示。车辆的仿真动画演示如图10所示。

图5 车身簧载质量的横摆角

图6 车身簧载质量的横摆角速度

图7 车辆质心的横向加速度

图8 车轴的侧倾角

图9 车辆的横向滑移轨迹

3 仿真结果分析

由图4可以看出在开始制动的瞬间采用常规制动方式的车身簧载质量侧倾角变化幅度很大，并出现了负值，表明车身发生了反向摆动，有失稳的危险；有滑移率控制的制动车身簧载质量侧倾角幅度变化缓和，并最终稳定在了0度附近。

图4 车身簧载质量的侧倾角

图5可以看出两种制动方式的车身簧载质量横摆角变化差异不大，有滑移率控制制动方式的车身簧载质量横摆角略微平缓一些。

图6可以看出有滑移率控制制动方式的车身簧载质量横摆角速度在制动开始后变化幅度较常规制动略微大一些，但由于数值较小，两者差异不显著。

图7可以看出在制动开始后的瞬间，常规制动的车辆质心横向加速度下降很快，车身出现了摆动，而在停车瞬间车辆质心横向加速度迅速上升至0.4 g左右，发生剧烈的摆动，出现了失稳的现象。而有滑移率控制的制动，其车辆质心横向加速度波动较小，最终稳定在0 g左右，说明有滑移率控制的制动车辆车身行驶稳定性明显优于常规制动〔10〕。

图8可以看出，在制动开始瞬间，常规制动的车轴侧倾角发生了剧烈振荡，车轴在行驶中出现了失稳的危险。有滑移率控制的制动车轴侧倾角变化幅度小，较为缓和，其稳定性优于常规制动。

图9中从车辆的横向滑移轨迹可以看出，有滑移率控制的车辆在制动过程中，基本保持在目标车道上行驶，而常规制动的车辆偏离了目标车道5 m，已经滑出了车道，如图10所示。