半挂汽车列车高速行驶转弯制动特性分析

1、年月第卷第期东北大学学报（自然科学版）（）半挂汽车列车高速行驶转弯制动特性分析姜丰洪岩王铁光（东北大学理学院，沈阳）贾书惠（清华大学工程力学系，北京）摘要建立了半挂汽车列车刚体自由度的力学模型应用多体系统动力学中的方法列写丁非线性运动微分方程编制了半挂汽车列车操纵稳定性和制动特性的通用仿真程序对半挂汽车列车在高速下无制动转弯、直线制动特性进行了仿真计算结果表明，高速工况下，发生折叠现象的前轮转向角比低速工况要小；当在牵引车后车轮加制动力时，半挂汽车列车容易出现折叠现象关键词多体系统动力学，半挂汽车列车，操纵稳定性，制动特性分类号半挂汽车列车由于其自身结构的特点，在行驶（特别是高速行驶）和制动过

2、程中，与单车相比其稳定性有所降低并产生了一些特有的如折叠、甩尾等现象“这些现象的产生增加了半挂汽车列车发生事故的可能性是半挂汽车列车在使用中的极大障碍“多体系统动力学”是一种适合于计算机求解的程式化方法其中的（凯恩）方法【，具有推导过程简便，方程个数少的优点通过适当地选取伪速度可使约束反力在方程中出现或消去，具有较大的灵活性，并且可以在不改变原方程的情况下，任意添加一个或多个物体，便于模块化设计计算程序，其扩展形式可适用于非完整约束情况如果采用模态坐标还可以推广到弹性体用方法列写的动力学方程为一阶微分方程组，可以方便地编制计算机求解程序本文采用方法列写了半挂汽车列车的动力学方程采用模块化方法编

3、制了半挂汽车列车的仿真程序模拟计算丁无制动力转弯工况（低速和高速）；直线制动工况（高速）半挂汽车列车力学模型以三轴牵引车、二轴集装箱半挂汽车列车为研究对象将半挂汽车列车简化为个刚体个自由度如图所示各刚体为：；一牵引车悬挂质量；，圈半挂汽车列车力学模型，一半挂车悬挂质量；，。一牵引车前、后非悬挂质量；一半挂车非悬挂质量；，一左、右转向轮。一转向盘；，一牵引车后左、右车轮；，一一半挂车左、右车轮各坐标系为：一静止坐标系初时刻，汽车列车前进方向为，轴，向右为轴，向下为轴；一一第刚体结体坐标系初时刻各轴方向与静系相同，为第刚体质心各广义坐标为：一刚体的质心坐标和姿态坐标；一分别为，和刚体相对。刚体的转

4、角和距离；一分别为刚体相对刚体的转角和距离；，一分别为转向轮和转向盘的转向角；，收到男，讲师；男，教授；男，教授国家自然科学基金资助项目（编号：），第期姜丰等：半挂汽车列车高速行驶转弯制动特性分析一车轮转动角系统的动力学方程根据本系统中各刚体速度和角速度的表达式，选择伪速度为：“，埘；，其中。，均为吼和的函数由伪速度的表达式和约束方程，可将广义速度表示为伪速度的线性组合：乱职肼；，则由速度的表达式可得第刚体第，偏速度为，善豢昵，于是广义主动力和广义惯性力为蠢。：一？蠢？舌；一其中，？为第刚体的主动力和惯性力，由动力学方程：？，可得动力学方程：此方程为一阶非线性微分方程组，其中，为伪速度列阵。】

5、，为系统的惯量矩阵【，一，为与广义坐标、广义速度等有关的量计算机仿真程序所编制的半挂汽车列车操纵稳定性和制动性通用仿真计算程序，在机上进行了仿真计算该程序提供了三种轮胎力学模型，它们是清华大学万嘉璜教授建立的非线性轮胎力学模型、郭孔辉”的全工况轮胎力学模型和所应用的力学模型并可改变和添加其它结构适合于单车和半挂汽车列车的操纵稳定性、制动性和平顺性的非线性工况的计算分析具有使用方便、运行可靠、易于维护、可扩充性好等优点程序的功能为：（）可模拟车型：单车；三轴半挂汽车列车；五轴半挂汽车列车（）可模拟工况：无制动力转弯特性；直线制动特性；转弯制动特性；方向盘角输入特性；方向盘力输入特性计算结果分析根

6、据规定，在高级公路上行驶的车辆车速一般在每小时左右，为了加深对半挂汽车列车在这一车速下动力学特性的认识，主要计算了此工况下半挂汽车列车的无制动转弯特性和直线制动特性，并与低速工况下的结果进行了对比分析在北京腾威挂车厂技术科、北京市市政一公司动力处和内蒙古机械厂技术人员的帮助下，查找和计算了些有关牵引车和半挂车结构的数据另外一组数据是文献】中所应用的半挂汽车列车的计算数据模拟计算结果的验证首先用文献中的计算结果对方程和计算程序进行了检验对比，计算车速是图是计算无制动力转弯工况下，转向轮的不同转向角输入（）时牵引车与半挂车的横摆角的差随时间变化的曲线图是对应的牵引车横摆角速度田低速无制动转弯牵引车

7、与半挂车横摆角的差；一；一；圉低速无制动转弯牵引车的横摆角速度；一；一：一出东北大学学报（自然科学版）第卷此结果与文献中对应的计算结果是十分接近的，在转向轮的转向角输入大于等于时，牵引车与半挂车的横摆角的差和牵引车的攒摆角速度突然变大，出现了折叠现象由此验证丁本文方程和计算程序的正确性高速下无制动转弯特性的计算图是高速下（车速）无锏动力转弯工况的牵引车与半挂车的横摆角的差，图是对应的牵引车横摆角速度田高遗无伽动转弯牵引车与半挂车横摆角的差一；囝赢毫无制动转弯牵引车的横摄角速度；：从以上二图可以看到在车速达到时，牵引车与半挂车的横摆角的差在转向轮的转向角输入小于时是稳定的，半挂汽车列车处于稳定转

8、弯状态，而等于或大于时，牵引车与半挂车的横摆角的差出现了突然变大的情况。对应的牵引车横摆角速度也变大，即出现了折叠现象而图图中低速工况下出现折叠现象是在转向轮的转向角输入等于时由此可知高速工况下比低速工况下更容易出现折叠现象线制动特性的计算图是在汽车列车直线行驶工况下，分别在牵引车前、后车轮和半挂车车轮加制动力时，牵引车的横摆角速度图是对应的半挂车横摆角速度圉高遗线制动牵引车的横攉角遮鹰一牵引车后轮制动；一牵引车前轮制动，半挂车轮制动田高遗线制动半挂车擅摄角遗度一牵引车后轮翩动；牵引车前轮制动半挂车轮制动从图中可以看到当牵引车前轮和半挂车车轮加制动力时，半挂汽车列车处于稳定直线行驶状态而当在牵引车后轮加制动力时，牵引车的横摆角速度出现了急剧变化，对应的半挂车横摆角速度也向相反方向变化但是半挂车横摆角速度的变化比牵引车的横摆角速度的变化要小得多，说明出现了折叠现象结论（）半挂汽车列车高速行驶无制动力转弯工况下比在低速行驶同工况下更容易出现折叠现象（）半挂汽车列车高速直线行驶工况下，在牵引车前轮和半挂车车轮加制动力时，半挂汽车列车是安全的，而当在牵引车后轮