張雪瑤，馬國棟，顧佳超，金曉華

轉(zhuǎn)向型半掛車發(fā)展趨勢展望

張雪瑤1，馬國棟2，顧佳超1，金曉華1

（1.長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程學(xué)院，吉林 長春 130000；2.長春富奧石川島增壓器有限公司，吉林 長春 130000）

因?yàn)榘霋燔囘\(yùn)輸具有靈活高效特點(diǎn)，在我國公路運(yùn)輸總量占比逐年增大。國內(nèi)半掛車發(fā)展仍與發(fā)達(dá)國家存在技術(shù)上差距，基于國內(nèi)半掛車大多數(shù)以載重為主，缺乏獨(dú)立轉(zhuǎn)向的情況，文章在現(xiàn)有量產(chǎn)轉(zhuǎn)向型半掛車結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加以運(yùn)動學(xué)分析，并對比不同速度下的轉(zhuǎn)彎特性，總結(jié)不同種類轉(zhuǎn)向型半掛車特點(diǎn)，為今后半掛車轉(zhuǎn)型發(fā)展提供參考。

半掛車；主動轉(zhuǎn)向；性能；商用車

前言

半掛車汽車運(yùn)輸具有高效、經(jīng)濟(jì)性好、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，在我國公路運(yùn)輸行業(yè)越來越受到客戶與公司的青睞，目前我國公路運(yùn)輸使用半掛汽車完成的貨物周轉(zhuǎn)量逐年以10%的同比速度遞增，有力地支持了我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展。隨著半掛汽車的廣泛應(yīng)用，一些由半掛汽車自身特性帶來的問題也日益突出。例如半掛汽車載重大，車體長，駕駛員視野有限，橫風(fēng)效應(yīng)明顯，轉(zhuǎn)彎過程容易干涉其它車道等問題亟待解決?？v觀半掛汽車發(fā)展歷程，國外發(fā)展半掛汽車起步早，在技術(shù)上有一定的優(yōu)勢，在生產(chǎn)和使用中美國和歐盟逐步出臺了一系列標(biāo)準(zhǔn)，來對半掛汽車做出配件和尺寸上的限制。因此歐美半掛車在標(biāo)準(zhǔn)的限制內(nèi)，對其整體結(jié)構(gòu)不斷改善，尤其是以提高轉(zhuǎn)向特性為目的的轉(zhuǎn)向型底盤的提出，有效地減小了轉(zhuǎn)彎過程中掛車尾部的軌跡偏移和重心偏移引起的側(cè)翻傾向。

本文在現(xiàn)有轉(zhuǎn)向型掛車工作原理基礎(chǔ)上，分析轉(zhuǎn)向工況下，對比不同類型轉(zhuǎn)向型掛車技術(shù)特點(diǎn)以及最優(yōu)適用環(huán)境，為今后掛車行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展以及標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

1 轉(zhuǎn)向型半掛車原理

由于我國目前標(biāo)準(zhǔn)尚不明確，無法做出明確且統(tǒng)一的分類，因而業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為半掛車至少有一軸具體轉(zhuǎn)向能力的半掛車為轉(zhuǎn)向型半掛車。根據(jù)半掛車是否存在剛性軸（一般為半掛車前軸）作為轉(zhuǎn)向軸可以將半掛車分為隨動轉(zhuǎn)向型半掛車和主動轉(zhuǎn)向型半掛車，其中隨動轉(zhuǎn)向型半掛車根據(jù)控制方式的不同分為被動式隨動轉(zhuǎn)向和主動式隨動轉(zhuǎn)向。半掛車轉(zhuǎn)向的主動力由第五軸提供，主動轉(zhuǎn)向型半掛車的所有車軸均參與到轉(zhuǎn)向的過程中，相應(yīng)地，隨動轉(zhuǎn)向型半掛車只有轉(zhuǎn)向軸參與轉(zhuǎn)向過程，其它軸起到承載作用。

最早掛車尾部偏移問題的提出在1988年密西根大學(xué)的一項(xiàng)研究中[1]，在此之后，很多科研機(jī)構(gòu)和公司都進(jìn)行了深入的研究。理論研究方面，1989年，Hata等人提出剛性主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念，并設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一個控制器，試驗(yàn)結(jié)果表明對半掛車進(jìn)行控制可以有效減少占道[2]；2008年，Odhams提出一個旨在提高轉(zhuǎn)向安全性的掛車主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并與2011年進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)行之有效[3][4]；2018年劍橋大學(xué)de Saxe等人利用最新的虛擬場景建模與現(xiàn)實(shí)場景耦合技術(shù)，將半掛車車尾軌跡偏差降低到1米以下[5]。在應(yīng)用方面以ZF，Neoplan，MAN，BPW，Volvo，Kassbohrer等公司均有成熟的轉(zhuǎn)向型半掛車技術(shù)。

2 轉(zhuǎn)向型半掛車分類

2.1 隨動轉(zhuǎn)向型半掛車

隨動型半掛車至少有一軸為剛性軸（一般為半掛車前軸）且此軸一般為轉(zhuǎn)向軸。有效地起到過渡轉(zhuǎn)彎的作用，避免牽引車與半掛車運(yùn)動發(fā)生干涉，出現(xiàn)拖滑前進(jìn)的現(xiàn)象，減小輪胎磨損。被動式隨動轉(zhuǎn)向半掛車使用機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到隨動轉(zhuǎn)向的目的，主動式隨動轉(zhuǎn)向半掛車使用電子控制半掛車轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向的方式達(dá)到轉(zhuǎn)彎目的。

2.1.1被動式隨動轉(zhuǎn)向

被動式隨動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)較為典型的有自轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（self- steer system）。自轉(zhuǎn)向軸機(jī)構(gòu)的工作原理基于主銷的力矩平衡特性實(shí)現(xiàn)隨動轉(zhuǎn)向。主要代表生產(chǎn)廠商有ZF，和MAN，以及BPW的LL系列轉(zhuǎn)向橋。

如圖1所示，為BPW公司LL系列轉(zhuǎn)向軸。其實(shí)現(xiàn)隨動轉(zhuǎn)向功能主要依賴于主銷內(nèi)的相互嚙合的波浪型壓力板。在直行時波浪形壓力板上下嚙合，當(dāng)開始轉(zhuǎn)彎后由于兩片發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，從而帶動車輪轉(zhuǎn)向。被動式隨動轉(zhuǎn)向半掛車具有最大的轉(zhuǎn)動角度限制，一般不超過22°。

圖1 BPW公司LL系列轉(zhuǎn)向軸

2.1.2主動式隨動轉(zhuǎn)向

主動式隨動轉(zhuǎn)向又可分為指令轉(zhuǎn)向型（Command steer system）和轉(zhuǎn)向架型（Pivotal Bogie Systems）。

其中指令轉(zhuǎn)向型隨動半掛車的后兩軸由原來的承載軸替換為可轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)彎過程中輪胎轉(zhuǎn)角由牽引車和半掛車的鉸接角決定在一定范圍內(nèi)，可以認(rèn)為后兩軸輪胎的轉(zhuǎn)角與鉸接角存在線性關(guān)系，公式如下。

其中δ為半掛車第二軸輪胎轉(zhuǎn)角，a為半掛車鉸接點(diǎn)到第一軸距離，b為半掛車三軸分別間距，為轉(zhuǎn)彎過程中鉸接角，δ為半掛車第三軸輪胎轉(zhuǎn)角。由上述關(guān)系式可見，指令轉(zhuǎn)向型半掛車對傳感器，執(zhí)行器等元器件要求較高。在駛出彎道后，鉸接角不斷減小到0°，輪胎轉(zhuǎn)角也隨之變?yōu)?°。

轉(zhuǎn)向架型隨動半掛車的轉(zhuǎn)向架與車體分離，通過球型約束副連接，同時兼顧了水平運(yùn)動和俯仰運(yùn)動，能夠使得轉(zhuǎn)動架與車身緊密接觸。轉(zhuǎn)動架前軸固定，后兩軸具有轉(zhuǎn)向功能，因此，可以根據(jù)公式（1），推導(dǎo)出一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向架型半掛車輪胎轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向架角度的公式，如下：

主動轉(zhuǎn)向型半掛車又稱全輪轉(zhuǎn)向半掛車，即半掛車上所有輪胎都可以根據(jù)指令做出相互獨(dú)立的輪胎轉(zhuǎn)向動作。再具體實(shí)施過程中，電子系統(tǒng)根據(jù)駕駛員指令，結(jié)合實(shí)時路況、車速等信息，向機(jī)械液壓系統(tǒng)輸出信號，機(jī)械液壓系統(tǒng)再根據(jù)信號類別分別控制各個輪胎轉(zhuǎn)向液壓缸的輸出壓力，使半掛車輪胎發(fā)生不同角度的轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)彎過程中最大限度地減小半掛車尾部的偏移，減少輪胎拖滑引起的磨損，降低行駛阻力。如圖2所示kassbohrer的K.sLL3主動轉(zhuǎn)向型半掛車，轉(zhuǎn)彎過程中每個輪胎轉(zhuǎn)向角不同，輪胎轉(zhuǎn)角向后依次增大，第三軸的輪胎在轉(zhuǎn)彎過程中獲得最大的轉(zhuǎn)角以消除半掛車尾部偏移[6]。

3 轉(zhuǎn)向型半掛車發(fā)展趨勢

隨著物流行業(yè)的逐漸發(fā)展完善和5G網(wǎng)絡(luò)的逐步投入使用，在未來V2X技術(shù)、高精度地圖技術(shù)的推廣，我國傳統(tǒng)半掛車行業(yè)可以在這個機(jī)遇期進(jìn)行自身的轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)的半掛車雖然在未來一段時間內(nèi)仍然會在我國大范圍使用，但是隨著如GB1589/GB7258等國家標(biāo)準(zhǔn)逐步實(shí)施后，勢必要求半掛車生產(chǎn)商向技術(shù)創(chuàng)新型、研發(fā)主導(dǎo)型靠攏。

半掛車的發(fā)展也可以學(xué)習(xí)外國經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)自身情況，分機(jī)械化、信息化、智能化三部走。機(jī)械化是指傳統(tǒng)三軸載重式半掛車加入隨動式轉(zhuǎn)向軸，實(shí)現(xiàn)被動式隨動轉(zhuǎn)向；信息化是指在機(jī)械化的基礎(chǔ)上，增加傳感器來對行駛信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，對側(cè)翻、折疊等事故作出預(yù)警；智能化是指在高度信息化的基礎(chǔ)上，半掛車可以根據(jù)牽引車的路徑信息主動進(jìn)行路面動態(tài)識別、最優(yōu)路徑軌跡選取等。

4 結(jié)論

隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)進(jìn)一步增長，半掛車的運(yùn)輸量會進(jìn)一步上升；另一方面，隨著國家逐步施行更加嚴(yán)格的半掛車標(biāo)準(zhǔn)，勢必進(jìn)一步推動半掛車生產(chǎn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型，縱觀國外幾十年的技術(shù)摸索與積累，隨動型轉(zhuǎn)向半掛車與主動型轉(zhuǎn)向半掛車在從生產(chǎn)到使用一系列環(huán)節(jié)中，各有優(yōu)劣。鑒于目前國內(nèi)對轉(zhuǎn)向型半掛車研究不系統(tǒng)、不成熟的現(xiàn)狀，我國在發(fā)展轉(zhuǎn)向型半掛車過程中，以政策為主導(dǎo)，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合道路會更加有效。

[1] P.S.Fancher,L.Segel.Tracking and Stability Of Multi-Unit Truck Combinations[M].The University Of Michigan Transportation Rese -arch Institute.37-42.

[2] Hata, N., Hasegawa, S., Takahashi, S., Ito, K., and Fujishiro, T., 1989, “A Control Method for4WS Truck to Suppress Excursion of a Body Rear Overhang,” Society of Automobile Engineers, Technical Paper No. 892521.

[3] A.Odhams,R.Roebuck,D.Cebon et al.Dynamic safety of active trailer steering system[J]Proceedings of the Institution of Mechanical Engi -neers,Part K:Journal of Multi-Body Dynamics,2008(4), 367~ 380.

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[5] C.de Saxe,DCebon.Estimation of trailer off-tracking using visual odometry.[J]Vehicle System Dynamics.2018(0)1~25.

[6] 肖棒.重型半掛車主動轉(zhuǎn)向安全控制的仿真研究[D].江蘇大學(xué),2016.

Development Trend of Steering Semi-trailer

Zhang Xueyao1, Ma Guodong2, Gu Jiachao1, Li Xiaohua1

（1.College of Mechanical Engineering, Changchun Automobile Industry College, Jilin Changchun 130000; 2.Changchun FuaoShichuan Island Supercharger Co., Ltd., Jilin Changchun 130000）

Because of the flexible and efficient characteristics of semi-trailer transportation, the proportion of total highway transportation in China is increasing year by year. The development of domestic semi-trailer still lags behind that of developed countries in technology. Based on the fact that most domestic semi-trailers are mainly loaded and lack of indepen -dent steering, this paper makes kinematics analysis on the basis of existing mass-produced steering semi-trailer structure, compares the turning characteristics at different speeds, summarizes the characteristics of different types of steering semi-trailer, and provides reference for the future transformation and development of semi-trailer.

Semitrailer; Steering; Performance; Commercial Vehicle

U469.6

A

1671-7988(2019)14-247-03

U469.6

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張雪瑤（1991.1-），女，長春理工大學(xué)碩士，教師，就職于長春汽車工業(yè)高等?？茩C(jī)械工程學(xué)院，研究方向：機(jī)械制造、機(jī)械精密加工。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.085