（光学工程专业论文）特种半挂汽车列车行驶稳定性研究.pdf

摘要 ab s t r a c t spec 加仃 a c t o 卜 s eim tr a i 1 er，w hi chcons is t 1 n g ofone tr a c t o r an d one s eim . tr ai l er，c 翻 rt y alarge an t e n o a an d o t b e r equ ip m e n ts . it is v e ryi m p o n 田 l t toensure th o s tabili tyand s a fe t y inth e runmng . r u nni ng s t ab il ityisthe c ap ab ili tyt h a t the s ein1 份 t r ai lerfo ll ows th e trac t or w i th o u ttr 叨 s v erse ， w a y and c ap 血e in th e n 双 田 i n g and b r aki n g p r o cess. 竹a c t o r- s eiili tt a i 1 er ru inun gs t abili tyisoneof t h el功p ortant mea s u r e son eval u a t l n g h 胡d l in g s l abi l i ty. f i r s t ofall， th e di ss e rt a t i onanal y z edthe c al cu1 a t in g p r o c es s ofthe s eim 一 廿 a l l erb 。 即 ro uangl ewhen th ev e h i c le公 扛 刀 i n gb ythe t r a c l o r- s elni tr a l ler s 助p l ified m al 山 e m atic al model. t l 耳 o u ghe s ta b 1 is h in g th e b r ak 1 n g m at h e m atic almod el ， the di ss e rt a t i o n a n a l yzedth e i deaib r aki n gfo rc edi strib utio nanda c 忱 以 l b r aki n gfo rc edi s t ri b ution， ando bt ained a re as o n abl e le c k b r al 石 n g s e q u e n c e b e 扣 刀 e ent hr e e t r a c t o r . s e m i t r a i leraxle s . 5 即 o nd， th ep a r aj 刀 et ers o ffu l l v 函c l ed ydaj 旧 i c smod e l w e 丁 eo b t a i n e db ased on b l u ep ri n t l o o k u p ， c al c u l atio n an d c a dm o d eling. the full v ehic l e ri gi d- fl exi b l e c o upl i ng d 扣ami c s s i mul atio n m o d ellnc1 u d ln g ru b b erb u s h i n 郎明d fi exib l e b o di e s w ase s t a b l i s h ed b y us in g the mec 11 an1 c als y s t e ms nnu l ationso ft w are a d a ms ， the mod elo f alrsuspens lon incl u d i n gh 自 ght co n t r o 1 v al ve an dl a 1 e r a 1 s ta b i li z erb arw ere e m p h as es t b etr 朗 to 卜 selm trail erd yd田 刀 i c s mode l l ai d th e fo u n d a t i o n o f ru n 团 叮 g s t ab i l i t y s 哪 l at i onan a l ysis. l ast， v 如 tu a l te st s w ere si m u l at e d u n d e r the 叩e r a t i n gc o n d l t i o nb as edon nat i o 耐 v e 址 c l e t e st st an dsr d s ， incl u d in g ste咖 g w h ee l angl e s t epinput币 ai ， 鱿 以 幻 n g w h e elangle 】 m p u l setri aiand r ap 记doublel ane c h angetrial ， stea d yc ircletri al ， s tr a i ght l l n e b r 翻n g tri alan d hi 面n g b r akin g tri al ， the 朴g s t a b i lity snnu lationresu ltso f s enn . t r a l ler w as 姐a l yzed. inthe end ， t h e opt li n l z ation山ai gnw a c o n d u c t e d b as edonth e ru. tu n g st abili ty of l r a c t o 卜5 曰 旧 i tt ail er. v in u alt e s tsmamfe s t e d t h atru nnin g s 加 lb l 】 l t y o f th e spec i alt r a c t o r . s elnl tr a i l ers at i s fy th e d e s i gnr 叫u l r e me n t . k e y w o r d s :仃 a c t o r- s e n ll tr a l l 饥 h a n d l i n g s ta b i l i ty . airs u sp ens i on，r u n n l n g s tabi li ty， a d a ms ， si m u l ation 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 脸玉 对 7 月 夕 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 加志例 ” 介2 ” 产 日 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 1绪论 1 . 1 选题背景及意义 特种半挂汽车列车是雷达天线、 伺服系统及其它设备的载体， 承担设备的运输任 务. 由于设备质量大、 质心高， 所以保证行驶过程中的平稳性和安全性是非常重要的。 半挂汽车列车由半挂牵引车与一辆半挂车组成， 是运输重型机械、 集装箱等大型 设备和物资的主要工具。 牵引车上备有牵引座， 半挂车上装有牵引销， 半挂车通过牵 引 销与 牵引 车上的 牵引座连接 ( 或分离) ，并将半挂车一部分载荷和自 重分配给牵引 车的 牵引 座处。 当牵引车摘掉半挂车后， 可以用于牵引另一辆半挂车。 半挂汽车列车 具有运载能力大、机动性好、速度快以及使用灵活方便等优点。 汽车操纵稳定性包含两方面的含义， 一是操纵性， 即汽车执行驾驶员指令的准确 程度; 二是稳定性， 即汽车在受到路面不平或其它干扰时其自 身的稳定性及恢复直线 行驶的能力。 操纵性和稳定性不可分开而论， 是相辅相成的。 半挂汽车列车的行驶稳 定性是操纵稳定性的重要内容， 半挂汽车列车的行驶稳定性是指汽车列车在行驶和制 动过程中， 半挂车跟随牵引车行驶而不发生侧翻、跑偏、 甩尾和倾覆的能力。由于半 挂车连接处存在着交变的纵向 和横向 扰动力， 也对半挂汽车列车行驶稳定性造成影 响。 半 挂汽车列车在行驶中出现横向 摆振情况会阻碍高速交通流， 增加行驶通道宽度， 增加行驶阻力和轮胎磨损、 增加横向 动载荷、 加剧零部件的损坏， 使列车的操纵稳定 性变差， 严重时产生侧滑、 侧翻， 诱发交通事故。因此半挂汽车列车的行驶稳定性决 定其高速行驶和曲线行驶的安全性， 正日 益受到人们的重视， 成为半挂汽车列车的重 要 行 驶 性 能 之 一 1， ， ， 1。 从系统动力学的角度上来看， 半挂汽车列车和普通汽车相比有很多差别。 表现在 总体布置、 悬架系统、 制动系统、以 及牵引车和半挂车的 连接部分等， 都有许多新的 特点。 另外， 半挂汽车列车操纵稳定 性和制动性与普通汽车相比，也存在新的问题， 如在行驶过程中出现的“ 折叠”、“ 甩尾”、 直线行驶的“ 摆振”、 侧倾甚至侧翻等 现象。 由 于牵引 车和半挂车之间的 相互影响， 其操纵稳定性也比 一般车辆复杂得多2 。 虽然国内 研究人员对普通汽车操纵稳定性的定量和定性分析已经进行了大量的 研究工作， 但对半挂汽车列车的操纵稳定性的研究并不多。 如果把普通汽车的操纵稳 定性理论套加在半挂汽车列车操纵稳定 性的研究上， 是不能 够真实、 客观地反映实际 情况的。 因 此， 有必要将 半挂汽车 列 车 作为 特殊对象来加以 研究 【 1 叹 本文研究的课题属于汽车系统动力学领域，课题源于实际工程项目. 1 . 2半挂汽车列车行驶稳定性研究概况 国 外对汽车列车操纵稳定性的 研究已 有70年的历史。1 9 3 7 年， hub er和d i etz 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 等人对半挂汽车列车进行了 侧向 运动试验， 发现加长半挂汽车列车的 轴距和增加牵引 座处的阻尼， 均能 提高半挂 列车侧向 运动的稳定性， 并指出 铰接销轴的阻尼是衰减半 挂车横向摆动的有效因素。 日 本学者小林明也指出， 在牵引车和半挂汽车列车的轴距 都比较长时，不易发生折叠现象。1 9 5 1 年，w i l l i 柳5 假设半挂列车在平坦的路面上 做等速圆周行驶时， 其轮胎侧向 力是轮胎侧向 弹性变形的函数， 研究了 半挂列车的 侧 向 运动特性。 1 9 61年， clark 和seg el对三轴半挂汽车列车进行了 稳态回 转试验， 指 出具有不足转向特性的半挂列车做等速圆周运动时， 所需的驱动力较具有过度转向特 性的半挂列车少. 1 9 7 2 年， b ernard等人建立五轴半挂汽车列车二十九自 由 度的非线 性动力学模型， 模拟计算了 牵引一半挂转盘的阻尼和刚度、 轮胎侧向力的非线性以 及 风 阻 对 半 挂 列 车 转 弯 制 动 的 影 响 12j ll6 。 美国密歇根大学汽车研究中心在美国 机动车制造协会的主持下， 从1 9 72年起， 对 半挂汽车列车和带有一节或两节挂车的组合汽车列车的操纵稳定性的 稳态和瞬态响 应特性，以及装有比例阀、 防抱装置时的制动性能进行了深入的研究。 经过四个阶段 前后巧年， 至1 9 86年建立了 汽车列车71自由 度的非线性力学模型， 编制了能够用于模 拟多种汽车列车的操纵稳定性和制动性的多功能通用程序这一研究成果， 是研究汽车 列车 操纵稳定 性 和制 动性的 较完整软件162 o 2 0 世纪90年代以来， 各种先进的控制技术在汽车列车上尝试应用。 c h i eh c h en 等人在利用拉格朗日 法建立了3 轴半挂汽车列车整车模型的基础上， 进行了每个车轮 独立制动控制对提高半挂汽车列车稳定 性的 研究。1 9 9 5 1 9 96 年日 本成蹊大学铃木 桂辅等人利用相似理论与模型试验对半挂汽车列车的操纵稳定性及行驶稳定性进行 了 研究。 实验模型车辆装备了 无线遥控接收 装置和数据采集记录装置， 由 计算机计算 牵引车前轮和半挂汽车列车车轮的转角， 并将指令通过无线通讯传送给模型车辆， 车 载数据记录系统记录车轮转角、 车辆侧向 加速度、 横摆角速度等状态参数， 并对轨迹 跟踪性能和响 应性作了分析.原田 宏等人1 9 992 0 03年提出了挂车闭 环系统的操纵 稳定性评价指标， 并对闭 环系统的操纵稳定性进行了研究， 对研究汽车列车的横向稳 定 性具有积极的 指导 意 义 1 16 。 随 着计算机 技 术的 发展， 在计算方法和软 件开发 方面日 益 完善，半挂汽车列车的计 算机仿真分析得到了 长足进步。 我国 在这方面的 研究起步较晚。 1 9 621 9 66年， 吉林大学 ( 原吉林工业大学) 陈 荫三等人对于 “ 轴转向双轴挂车横向稳定性” 课题采用模型试验的方法进行了 研究， 并发表了 题为 汽车列车直线行驶稳定 性 的 论文。 在此文中详细叙述了 应用相似理 论进行模型试验的 试验设备及方法， 为深入研究半挂汽车列车的横向 稳定性提供了有 效手段和理论指导。 但由于当时的计算机应用技术水平及测试手段的限制， 不能对试 验数据进行实时采集和处理。 20世纪80年代中期， 我国开展了对汽车列车操纵稳定性 的 研究。 1 9 87年， 清华大学的蔡世芳等建 立九自由 度非线性模型， 讨论了 半挂列车结 2 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 构参数对稳态响应、 瞬态响应的影响。1 9 88年， 湖南大学的郭正康对五轴半挂列车的 转弯制动进行了研究， 指出 左、右车轮不同的热效应会引起左右两侧制动力不等。 20世纪90年代初， 清华大学张海岑应用牛顿一 欧拉法建立了 汽车列车 非线性数 学模型， 并在研究操纵稳定性和制动性的 基础上开 发通用模拟软件11 刀 。 原吉 林工业大 学张烨、 陈荫三应用相似理论进行了双轴轮转向全挂车横向稳定性模型试验的试验研 究， 探讨了 结构参数和使用参数的稳定品 质， 开拓了 全挂汽车列车横向 稳定 性的 研究 领域。1 9 99 年以来，吉林大学恢复了半挂汽车列车横向稳定性的研究工作，利用模 型台架试验和计算机仿真相结合的方法， 逐步完善、 修正模拟试验方案和半挂汽车列 车横向 摆振数学模型。 采用参数化的分析方法， 初步定量分析半挂汽车列车结构参数、 运动参数对其横向 摆振的影响， 使台架试验结果和计算机仿真两者互相验证， 互为补 充 117 1 。 2 0 03 年吉 林大学 关 志 伟首次 对半 挂汽 车 列 车 直线行驶稳定 性的闭 环非 线 性系 统 进行了研究，并在却脚5 / vi。环境下建立了半 挂汽车列车整车模型， 实 现了半挂 汽 车 列 车 操 纵 稳 定 性的 闭 环 仿 真 l elo 1 . 3车辆多 体系统动力学的 研究方法 1 . 3 . 1多体系统动力学 概述 多体系统动力学， 包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学， 是研究多体系统 运动规律的科学。 多体动力学是在经典力学基础上发展起来的与运动生物力学、 航天 器 控制、机器人学、 车辆设计、 机械动力学等领域密切相关且起到重要作用的分枝。 多体动力学系统始于20世纪60年代，为了 解决当时宇宙和机械领域的 工程问 题， 美国、 德国、 前苏联的 一些学者开始了 多体动力学的 研究，到20世纪60年代末和70 年 代初， 他们就各自 提出了 较为系统的 理论和方法。由 于近些年来在航空 航天领域、 地面 车辆、 机器人、 精密机 床等复杂系统的高 性能、 高精度的设计要求， 加 之高速度、 大 容量、 多功能现代计算机的 发展及计算方法的 成熟， 多体系统动力学由 早期的多刚 体系统动力学发展为多柔体系统动力学。多柔体动力学是分析力学、连续介质力学、 多刚体动力学、 结构动力学等学科发展交叉的必然。 这门边缘性学科以当 代航天事业 的 发 展 为 标 志， 所 研 究 的 问 题 囊 括了 宏 观 世 界 机 械 运 动的 主 要问 题 171 114 10 多刚体系统动力学的 研究方法主要有工程中 常用的经典力学方法( 以 牛 顿一欧 拉 法为代表的矢量力学方法和以拉格朗日 法为代表的 分析力学方法) 、 图论法、 凯恩法、 变分法等。 下面简要介绍一下这几种研究方法: 1) 牛顿一欧拉方程法:对作为隔离体的单刚体写出牛顿一欧拉方程， 未知变量 的 数目 较多。 2) 拉格朗日方程法:由于多刚体系统的复杂性，采用系统独立的拉格朗日 坐标 3 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶称定性研究 十分困难， 而采用不独立的 笛卡儿广义坐标比较方便。 对于具有多余坐标的完整和非 完整约束系统，采用带乘子的拉氏方程处理是一种格式化的方法。由其导出以 笛卡尔 广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程。 m . a . c h a ce 等人应用吉尔刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高计算效率， 编制了 却胡5 程序; e ， j . h aug等人研究了 广义坐标分类、 奇异 值分解等算法，编制了dads 程序。 3) 图 论法: r . e .rob erson 和j . 叭ttenburg创造性的 将图论引入多刚 体系统 动力学， 利用其中的一些基本概念和数学工具成功描述了 系统内 各刚体之间的 联系。 4) 凯恩法:提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，这种方法不用动 力学函数，无需求导计算， 只需进行矢量计算，从而节省时间。 5) 变分 法: 变分法可以 不必建立动力学方程而 直接数值求解。 变分法特别适用 于工业机器人动力学，有利于结合控制系统的优化进行综合分析。 1 . 3 . 2虚拟样 机技术 虚拟样机技术( v i r t u a l 竹o t o t y p e t e c h n o l o g y ) 又 称为机械系统动态仿真技术， 是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的计算机辅助工程( c ae) 技 术。 虚拟样机技术将信息技术、 仿真技术、 计算机技术集于一体， 使人们能够在基于 虚拟现实的基础上，运用计算机与系统动力学、弹塑性力学、计算机可视化等技术， 构造出一个能模拟现实系统的虚拟样机。 虚拟样机技术的研究内容主要是机械系统运动学和动力学分析， 其核心是利用计 算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析， 以 确定系统及其各构件在任 意时 刻的位置、 速度、 加速度。 同时， 通过求解代数 方程组确定引起系统及其各构件 运 动 所 需 要 的 作 用 力 及 其 反 作 用 力 1911 15 10 虚拟样机技术在设计的 初级阶段就可以 对整个系统进行完整的分析， 观察并试验 各组成部件的 相互运动情况。 使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的 运动， 仿真试验不同的设计方案， 对整个系统进行不断改进。 直至设计出 最优设计方 案。 因 此， 运用虚拟样机技术， 可以 大大简化机械产品的 设计开发过程， 大幅度缩短 产品 开发周期， 减少产品开 发费用和成本。 虚拟样机技术 在汽车行业得到越来越广泛 的 应用， 在开 发出 物理样车之前， 运用虚拟样机技术来预测产品的动力学性能并且优 化 参 数 逐 步 成 为了 汽 车 设 计的 必 要 手 段 19 阅. 1 . 3 . 3ad胡5 软件介绍 机 械系 统 动 力学 分析 软 件a d 枷 5 ( a u t o mat i c d y 啊 i c a n a l y s i s o f m e c h an i c a l s ys tem)是采用虚拟样机技术将多体动力学的建模方法与大位移、 非线性分析求解功 能 相结合的集成模块设计手段， 并可与 三维建模软件( 如p ro/ e)、 控制分析软 件( 如 4 硕士学位论文 特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 m a t l a b ) 、有限元分析软件 ( 如ans y s) 进行联合仿真。 a d a m s 与以d 软件( ug、 pro/e 等) 以 及c ae 软件( 如 an s y s)可以 通过 计算机图 形 交换 格式文 件相互交换以 保持数据的 一致性。 a d a m s 软件支持并 行工程环境， 节省大 量的时间 和 经费。 利用a d a 扒 5 软 件建 立参数化模型可以进 行设计 研究、 试 验设计和优 化分 析， 为 系统参数优化提供了 一 种高效开发 工具11 010 a d ams 根 据机械系统模型自 动建 立系统的拉格朗日 方程， 对每个刚体列出六个广 义坐 标的 拉 格朗日 方程及相应的约 束方程。 联立所有的拉 格朗日 方 程和约束方 程， 可 以合并成简洁的矩阵形式。 a d 胡5 主 要采用拉格朗日 方程法 建立微分方程， 用刚体的 质心笛卡儿坐标和反 映 刚体方位的欧拉角 ( 或广义欧拉角)作为广义坐标。 采用拉格朗日乘子法建立的系统运动方程为: 李( 琴) r 一 ( 琴) r + 叮 ， + 。 j 产 = q a lo qoq 完整 约束方 程: 护 ( q ， t) = 0 ， 非完 整约束方 程: 斑q ， 么 0= 0 。 其中: t 一 系统动能， q 一系 统广义 坐标列阵， q一 广义力 列阵， p 一对应于完整约束的 拉氏 乘子列阵，产 一 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 一般a d a m s 分析功能如下: 1) 可 有效地分析三维机构的 运动与力. 例如可以利用a d a m s 来 模拟作用在轮胎 上的 垂直、 转向、 陀螺效应、 牵引与 制动、力与力矩， 还可应用a d 胡5 进行整个车辆 或悬架系统的研究。 2) 利 用a d a m s 可模拟大位移的 系统。 ad胡5 很容易处 理这 种模型的非线性方程， 而且可进行线性近似。 3) 可分析运动学静定系统。 4) 对于一个或多个自 由 度的 机构， ad胡5可完成某一时间 上的 静力学分析或某 一时间间隔内的静力学分析。 5) 有线性系统模态分析和模拟 控制系统的能力。 ad胡5 软件由 基本模块、 扩展模块、 接口 模块、 专业 领域模块及工具 箱 5 类模块 组成， 用户不 仅可以 采用通用模块对一 般的 机械系统进行仿真， 而且可以采用专用模 块针对特定 工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 a d a m s /vi ew 是 ad胡5 的 核心模块之一， 采用以 用户为中心的 交互式图 形环境， 将图 标操作、 菜单操 作、鼠 标点 击操作与交互式图 形建模、 仿真计算、动画显示、 优化设 计、 x 一y曲 线 图处 理、 结果分析和数据打印等功能 集成在一起。 a d 胡5 / s olver 也是adams的 核心 模块 之一， 该软件自 动形成机械系 统模型的动力学方程， 提供静力学、 运动学和动力 学的解算结果。 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶穗定性研究 建模工具有:实体、约束、力、力矩 驱动 、碰撞 试验工具有: 测量、动画、仿真 绘图模型验证 工具有;输入试验数据 试验 图1 .3. 1虚 拟样机的设计 开发步骤 应用a d a m s 软件设计开 发虚拟 样机步骤如图1 . 3 . 1 所示，建立 研究 车辆系统动 力学， 建立车辆 仿真模型，归 纳起来 有以 下几 个典 型步骤: 1) 机械系统的物理抽象。 2) 获取模型的 运动学 ( 几何定位) 参 数， 建立抽象系统的 运动 部件、 约束， 从 而建立运动学模型。 校验模 型的自 由度 及正确性。 3) 获得 模型的 动力学 参数，定义模 型中部件、 铰链与弹性元件及外界条件， 建 立动力学模型。 4) 对动 力学模型进 行调整与仿真计算。 5) 对仿 真计算结果 进行后处理。 在建模过程中需要用 到 a d 胡5 的函 数功能， a d a m s / vi翻 中 有两 种类型的函数， 即 设计过程函 数 ( o e s i g n 一 t i m e f u n c t i o n s ) 和运行过程函 数 ( r u n 一 t i m e fun c t i o n s ) 。 设计过程函 数 用于 优化和敏感性研究中构 造参数化的 模型， 程序仅在样机的建模 设 计阶段才计算设 计过程函 数的 值， 除 优化和设 计研究 外， 设计过程函 数的值在仿真 分 析过程中是不变的。 系统提供的设计过 程函 数包括:数学函数、 位置 和方向 函数、 模型函数、数组 和矩阵函 数、字符串 函数、 数据库函数等。 运行过程函 数用于定义仿真过程中状 态之间的数学关系， 并且只能在仿 真过程中 应用。由 于在仿真过程中 状态 ( 如时间， 构件 位移、 速度等) 是变化的， 所以运行过 程函数可以影响 样机在仿真过程中的表现。 系统 提供的 运行过程函数包 括: 位移函数、 速 度函 数、 加速度函数、 接 触函 数、 样条函数、 作用力函数、 数学函 数、 数据单元存 取、 用户自 编子程序调用、 参数 和变量等11 1 。 国内 外学 者应用ad胡 5 软件对车辆 行驶稳定性做了大量的研究。 最近几年， 上海 汇众、 北汽福田 等单位己 经 在其开发新产品、 改型等工作中 使用 a d a ms 软 件。由于 6 硕士学位论文 特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 胡胡5软件中没有专门的汽车列车模块，一般应用 ad胡5 /v1 四 来建立汽车列车的虚 拟样机。 1 . 4本文研究的主要内 容和目 的 本文主要应用汽车 动力学、 汽车试验学知 识和a d 胡5 软件， 建立特种半 挂汽车列 车的 动力学仿真模型， 验证 模型的 正确性， 对特 种半 挂汽车列车 行驶稳定 性进行仿真 分析，对影响稳定性的因素进行分析及优化。 本文研究的主要内容有: 1) 建立 特种半挂汽车 列车转弯行驶时横向 稳定性的动力学方程和制动时的 动力 学方 程， 分析半挂汽车列 车转弯时的行驶稳定 性及制动时的稳定性。 2) 利用a d a m s 软件 建立了 特 种半 挂汽车 列车整车虚拟样机， 重点是空 气悬架( 包 括空 气弹簧、高度控制阀 、 减振器、衬套、横向 稳定杆、纵向 推力杆等)的 建 模。 3) 对 特种半挂 汽车列 车行驶稳定性进行仿 真分析， 主要以反映行驶稳定 性的 指 标为目标函数对半挂车进行了优化。 本文 研究过程中的主 要难点及其解决方 案为: 1) 横向 稳定 杆的柔性 体建模。 本 文利用a d ams / a u t ofl ex模块进行横向 稳定 杆有 限元 分析， 建立翩f 文件， 然后再用横向 稳定 杆柔性体替代原 来的刚性体。 2) 高度控制阀建模。 本文 在分析高度 控制阀结构和工作原理的基础上， 应用 a d 胡5 /vi ew控制工具箱中的p 功控制方案来模 拟高 度控制阀 作用。 3) 基于 稳定性的半挂 车优化。 对空气悬架 参数和 牵引装置结构等设计变量参 数 化并 进行灵敏 度分 析，并 基于稳定性进行 优化. 为了 提高 特种半挂汽车列车 行驶时的 侧向 稳定性， 在牵引车鞍 座底座的横摆轴两侧增 加了 稳定螺旋弹簧，主要以 反映行驶 稳定 性的指 标为目 标函数 进行优化 本文 通过 应用虚拟 样机技术， 建立 特种半 挂汽车列车整车刚柔祸合动力 学仿真 模 型， 对其行驶稳定性进行校核， 所 得到的结 论可以 为设计提供参考， 并且对 于将来应 用虚拟样机技术对半挂汽车列车行驶稳定性仿真研究提供借鉴。 硕士学位论文 特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 2半挂汽车列车横向稳定性及制动稳定性理论分析 半挂汽车列车横向 稳定性主要是指半挂汽车列车在行驶过程中不发生横向 侧翻 和侧滑的极限性能。 它不仅影响驾驶操纵性， 而且也是决定半挂汽车列车高速行驶安 全性的一个重要因素133l 2 . 1 一般汽车横向 稳定性 判据 当汽车在水平道路上转弯行驶时， 作用在汽车质心上的惯性力的侧向 分力可能导 致翻车，由 转弯时外侧车轮接地点轴线的力矩平衡得到汽车侧翻时的临界条件: m v z h/ 凡二 叱牙/ 2 式中，m一 汽车总 质量 ( kg) ;v 一 行驶速度 ( m /s) ; 犷一轮距( m) :h一质心高度( m) 。 ( 2 . 11 ) 凡一 转弯半径( m ) ; 由 侧向力与地面附着力的 平衡得到汽车侧滑时的临界条件: m 尹/ 凡= mgp ( 2 . 1 . 2 ) 所以，保证汽车侧滑发生在侧翻之前的条件为: ( 2 1 . 3 ) 二2h 在 式 2. l 2 ， 和 式 2. l 3 ， 中 ， ， 一 地 面 附 着 系 器 称 “ 横 向 稳 定 系 数 。 如果按 式 (2. 1 . 3 ) 计 算的 横向 稳定 系 数小 于俨 ， 则说明 该 汽车 在地面附 着系 数 为尹 的 路面上 不能做到在 侧 翻 之前 产生 滑移。 因 此需 要 对汽 车转弯行驶的 速度 加以 限 制，即 月 砚。 v v 厄 首9 ( 2 . 1 . 4 ) 计 算时， 可 设r 。 取不同 的 值， 然 后 按上 式计 算出 不同 转 弯半 径道路上的 极限 速 度。 如果汽车实际运行中 在弯道上的 行驶速度比 计算的各弯道上的极限速度小得多， 则说明 汽车在实际行驶中是不容易发生侧翻的。 2 . 2半挂汽车列车横向 稳定性 2 . 2 . 1 半挂汽车列车简化模型 半挂汽车列车是复杂系统， 系统构件之间的约束形式是多种多样的， 有完整的约 束， 也有非完整的约束， 还有众多的力元约束， 同时也是包含柔性体的系统。 为了 简 化 半 挂汽车 列车 模型， 提出 以 下几点 假设 3s : 1) 牵引车、半挂车悬挂质量 ( 车架等)，非悬挂质量 ( 车轴、车轮等) 均为刚 8 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 体。当车身侧倾时，它们本身的几何形状保持不变。 2) 当 牵引 车、 半挂车 悬挂 质量 为 一定 值时， 牵引车悬挂质 量 质心的 侧 倾半 径r l 、 侧 倾 轴 线 与 水 平 线 夹 角yl ， 半 挂 车 悬 挂 质 量 质 心的 侧倾半 径r z 、 侧 倾轴 线 与 水 平线 夹 角了 2 恒为 常 量。 3 ) 牵引 车车身 侧倾角刀 数 值不 大， 在计 算半挂汽车列车 侧 倾临界角时， 认为半 挂车车 身 侧 倾角 为刀 加上鞍 座允 许自 由 摆 角尹 。 图2 . 21半挂汽车列车简化模型 半挂汽车列车模型如图2 . 2 . 1 示， 前节 ( 图中 左半部分)为牵引车模型及参数， 无 质 量 刚 性“ 工” 字车 架 代表 牵引 车 车 身，q点 代 表牵引 车 整 车 悬 挂 重量。“ 工” 字架由 前、 后铰链a 、b固结于侧倾轴线ab上， 经由弹性元件支承于刚性前后桥之 上。 斌代 表 牵引 车 非 悬挂 重 量， 且 认 为 非 悬 挂 质 量的 质心 高 为 车 轮半 径r 。 后节 为 半 挂 车 模 型 及 参 数， 无 质 量 刚 性“ 工” 字 车 架 代 表 半 挂 车 车 身， q代 表 半 挂 车 悬 挂 重 量。“ 工” 字架轴线fj即为侧倾轴线， 前端通过铰链f 与牵引车上轴线ab上的立杆 相连， 后端 铰链j 固 接在半挂车“ 1” 字形无质量刚性后轴立杆上。 半挂车 “ 工” 字 形 车架的 后 横 梁与 后轴线之间 装有 弹性 元 件。说表 示半挂车非 悬挂重量， 质心 在半 挂车车轴之中点。图中其余各符号含义如下: l 。 、峨、嗽 一 牵引 车轴距 及前、 后 轮距; 拭、 a 、 b 一牵引 车 悬 挂 质 心 离 地 高， 悬挂 质 心 及非 悬 挂 质心 与 前轴的 距 离; cl 、几一牵引车前、 后悬架单 侧 垂 直刚 度; d l 、 d z 一牵引 车 前、 后 悬 架 簧 距 ; 气 、h z 一牵引 车前、 后悬 架侧倾中 心 离 地高; r 。 、rl 一牵引 车悬架 质量 侧倾半 径、 侧倾 轴线 与地平线之 夹角; 几、巩、内 一 半挂 车轴距、 轮 距、 簧距; 9 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 h z 、 卜半 挂 车 悬 挂 质 心 离 地高 、 与 半 挂 车 车 轴 的 距 离 ; k 、马 一 鞍 座 受 力 中 心 与 牵引 车 后 轴 距 离、 半 挂 车 悬架单 侧 垂 直 刚 度; 气 、气一 半 挂车前、 后侧 倾中 心离 地高: r z 、犷 2 、 凡一 半 挂 车 悬 挂质 心 侧 倾 半 径、 挂 车 侧 倾轴线 与 地 平 线 夹 角 、 半挂 车 前侧倾中心与牵引车侧倾轴线的距离。 2 . 2 . 2转弯行驶时 车身侧倾角计算 当车辆转弯时，悬挂质量将受到侧向 力的作用，使牵引车与半挂车产生侧倾角。 假 设 牵引 车 和 半 挂 车 质 心( 悬 挂 质 心 和 非 悬 挂 质 心) 上 的 侧向 加 速 度 均 为 a 。 ， 牵 引 车 车 身 侧倾角 为刀 、 鞍座 允 许自 由 摆角 为p ， 故 半 挂车车身侧 倾角a 为俨 + 刀( 如图 2 2 . z a 所示) 13 3 1 0 半挂车车身 侧倾角在整车曲 线行驶时操纵稳定性的主要评价指标之一， 以 下是半 挂车车身侧倾角的推导过程。 基 于2 2. 1 节 的3 点 假 设 ， 牵 引 车 车 身 侧 倾 总 角 刚 度恤可 用 下 式 确 定 : c 娜= c 。 ， + 与 + c ， 2 + c 、 ! 一 告 cl d : 、 2 = 合 。 d ; ( 2 ， 21 ) ( 2 . 2 . 2 ) ( 2 . 2 . 3 ) 式 中 ， 伟 ， 、 c 。 为 牵 引 车 前 后 悬 架 的 侧 倾 角 刚 度 ; 伟 : 、 弓 2 为 牵 引 车 前 后 横 向 稳 定 杆 的角刚度. 侧倾轴 线与 地 平 线夹 角rl、 悬 挂 质 量 侧 倾 半 径r ， 可 用下 式 计 算: 权一 气 ( 22 . 4 ) c o s yl ( 2 . 2 . 5 ) 半 挂 车 侧 倾 总 角 刚 度 值 c 内由 下 式 计 算 : c 。= c ， + c 补( 2 ， 2 . 6 ) ，3 = 告 。 、。2 .2.7 ) 式 中 ， 3 为 半 挂 车 悬 架 侧 倾 角 刚 度 ; 弓 3 为 半 挂 车 横 向 稳 定 杆 的 角 刚 度 。 半 挂车 侧倾 轴 线与 地 平 线夹角儿、 半 挂车 悬挂 质量质心 侧 倾半 径r z 用 下式确 定: l 0 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 凡 一h 日 儿 =趁 切 叮扮一 场 ( 2 . 2 . 8 ) 2=、 一卜 十喂 尸 。5 半 挂 车 前 侧 倾 中 心 与 牵引 车 侧 倾 轴 线 之 距凡由 下 式 确 定: ， 一卜 一卜 喇!co s 由 图2 . 2 . z b 半挂车车 架受 力分析可知: m ; 二 一、 。 二 卜 : 一 嘿黔一 ， ，) 由图 2 . 2 . z c ，牵引车 “ 工”字车架受力分析可知: 、 ， 。 ，!嚼sin ， ) n ，3嚼 sin ， ) 一 ， ( 2. 2 . 9) ( 2 . 2 . 1 0 ) ( 2 . 2 . 1 1 ) ( 2 . 2 . 1 2 ) 将式 (2， 211) 代 入 (2. 2 . 1 2) 并整理可得: g z r ，坚 零过 一 。 二 ) 。 l一 ( 罕 sin ” ) 、2 2.，3) ，咬喊 r气 + 。 * 卜 + c * ， 由 于 刀 、 。 值 都 很 小 ， 为 保 证 一 定 精 度 ， 且 计 算 方 便 ， 令 s in 夕 二 声 ， 。 05 刀 二 抓万， sin少 、 沪 ， cos， 。 币 万 歹。 于 是 式(2 . 2 1 3)可 简 化 成 : 、仁 食 而汀 1丁 歹 一 祠 + 卜 斌 厂 歹 + ， 侧 1二 万 于孔 lg 一j 、叫含 厅 司 一 (c. 咖、 ( 2 . 2 . 1 4 ) 简化式 (2. 21 4) 得到: 式 刀 2 + b :刀 + q= 0 ( 2 . 2 . 1 5 ) 式 中 ， 、 = 、 + 、 一 (。 r :十 、 r ，一 。 r z 粤 ， + 。 、 了 1二 7 ) l石j j 扭 五 ， + q 天 1 ) 玉+ 仇 丑 2 生 沂 二 贾 + g z 及 2 司 戏 一 、 、 - 民 风 十 凡 凡 一 g z r z 丘 少 十 q 凡 厨卜 ， 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 。 = 。、 ， 2 一 卜凡 + g 】* 。 ) 丘 + q * ， 玉 在7+ 仇 凡 ， 式 (2. 2 . 1 5) 的解为: 刀二一 拭 士 7 可一 4 减 q 2 鸿 ( 2 . 2 . 1 6) 故半挂车车身侧倾角为: a= p + 刀 ( 2 . 2 . 1 7 ) 图2 . 2 . 2半 挂汽车列车横向稳定性 受力分析 2 . 2 . 3半挂车横向 摆振分析 半挂汽车列车是一个由 弹簧、 质量和阻尼构成的 振动系统， 当半 挂车不平衡力 或 力矩等较大时， 会产生强迫振动。 当不平衡扰动的频率与车辆本身的固有频率接近时， i 2 硕士学位论文特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 会使半挂车产生共振现象。 由于半挂汽车列车行驶车速在相当 大的范围内变化， 所以 不平衡扰动频率的变化范围也相当大。 因而， 半挂汽车列车在直线行驶过程中， 只要 不平衡的 扰动力矩较大， 这种强迫振动会产生横向 摆振。 它的 特征是摆振频率与车速 成正比. 另一方面， 半挂汽车列车直线行驶时路面对轮胎有能量输入， 横向 摆振还具 有自 激振的 性质。 所以 在不平衡扰动不大的 情况下， 半挂车有时也会出 现横摆现象. 影响 半 挂车 横摆现象的主 要 参 数 有 11 目 : 增加鞍座处阻尼 有 利于 减小 摆幅， 提高 半挂汽车列车直线行驶稳定性， 但会影响行驶灵活性; 轮胎侧偏刚度增大， 摆幅减 小， 半挂车横摆曲线加速衰减。 半挂车质心纵向后移可使摆幅减小， 但后移过多会 影响半挂汽车列车转弯行驶时的 稳定 性。 增加半挂车轴距有利于横摆振幅加速衰 减。 2 ， 3半挂汽车列车制动时稳定性 2 . 3 . 1引言 半挂汽车列车制动时不发生折叠和半挂车甩尾等现象的性能称为半挂汽车列车 的制动稳定性。 产生折叠和甩尾现象是半挂汽车列车在高速行驶制动时造成重大事故 的主要原因 之一，一般可用牵引 车和半挂车的横摆角速度和折叠角来评价。 半挂汽车列车产生折叠现象是由 牵引车、 半挂车的轴距、 质心位置、 制动力分配 等汽车参数以 及制动滞后特性、 路面状况( 主要是路面附着系数) 等外部因素共同促 成的，然而决定因素则是牵引车制动时后轴产生抱死滑移。 2 . 3 . 2 半挂汽车列车制动时受力分析 为了简便起见， 忽略空气阻力、 滚动阻力矩、 旋转部件的质量在减速时的惯性力 矩， 牵引 装置中 摩擦力以 及半挂车 对牵引 车的动载荷。 本文对半挂车三个后轴简化为 单轴， 设半挂汽车列车满载在水平、 干燥、 硬实的路面上制动， 假定制动条件是理想 的， 即 三根轴( 以 下牵引车前轴简称一轴， 牵引车后轴简称二轴， 半挂车车轴简称三 轴) 抱 死 沿 直 线 拖 滑， 简 化后 半 挂 汽 车 列 车 受 力如图2 . 3 . 1 所 示13 41 13 5 . 分析牵引车受力的静力学模型， 可以得到: 乙十 几一 y = 民 凡1 十凡 且. 业一 t( 23 . 1 ) g dt 十 三全. g dt 八 一 q a : 一 y 伍一 1) 一 八= 0 分析半挂车受力的静力学模型，可以得到: 硕士学位论文 特种半挂汽车列车行驶稳定性研究 几 + 夕 =2 2 几，=鱼. 全十 t g dt ( 2 . 3 . 2 ) 邸， + 鱼.立 (h ， 一 的 一 民 a ， * 、 : h 一 。 gdt - 在方 程组(2 . 3 ， 1)和( 2 . 3 . 2)中， 乙、2 2 、乙一分别为 地面 对一、二、三 轴的法 向反 作用力;g : 一 牵