張婷婷，賈會星，楊章林

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

重型汽車在緊急轉(zhuǎn)向制動(dòng)時(shí)，容易失去行駛穩(wěn)定性，發(fā)生側(cè)翻事故造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害，對重型汽車緊急轉(zhuǎn)向制動(dòng)過程進(jìn)行研究有重要意義。實(shí)車試驗(yàn)由于經(jīng)濟(jì)成本和人員安全的因素實(shí)施困難，采用車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真可以節(jié)約研究成本，縮短研究時(shí)間，避免實(shí)車試驗(yàn)的危險(xiǎn)〔1〕。

文章通過建立重型汽車轉(zhuǎn)向制動(dòng)行駛的動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件TruckSim進(jìn)行仿真〔2〕，研究重型汽車緊急轉(zhuǎn)向制動(dòng)過程中，制動(dòng)車輪滑移率控制對其行駛穩(wěn)定性的影響。

1 重型汽車轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況的動(dòng)力學(xué)分析

圖1為重型汽車轉(zhuǎn)向制動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析示意圖，首先建立坐標(biāo)系，以重型汽車質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，前進(jìn)方向?yàn)樽鴺?biāo)軸X方向，轉(zhuǎn)向側(cè)為Y軸方向，Z軸為重型汽車質(zhì)心指向上方〔3-4〕。由圖1的受力平衡分析，可得公式(1)—(5),由其幾何關(guān)系，可得公式(6)、(7)，根據(jù)車輪滑移率的定義可得公式(8)〔5-6〕。

圖1 轉(zhuǎn)向行駛的力學(xué)分析

由X軸方向受力平衡，可得：

sinδ+Fxrl+Fxrr

(1)

由Y軸方向受力平衡，可得：

cosδ+Fyrl+Fyrr

(2)

由繞Z軸力矩平衡，可得：

(3)

由各車輪的力矩平衡，可得：

(4)

各車輪所受的地面垂直反力為：

(5)

四個(gè)輪胎的側(cè)偏角分別為：

(6)

各車輪沿X軸的速度為：

(7)

由公式(7)可得各車輪滑移率：

(8)

公式中各符號的含義如表1所示。

表1 公式中各符號的含義

2 基于trucksim的轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況仿真

為了提高仿真的精確度，這里使用Trucksim軟件里經(jīng)過驗(yàn)證的Conventional Van重型汽車模型參數(shù)來進(jìn)行仿真〔7〕，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 仿真整車主要參數(shù)

續(xù)表2

仿真的道路環(huán)境設(shè)置為半徑為150 m的圓形單車道，路面附著良好，附著系數(shù)取0.75。重型汽車以75 km/h的車速在車道上轉(zhuǎn)向行駛，行駛2秒后進(jìn)行緊急制動(dòng)，一種制動(dòng)采用常規(guī)液壓制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)直接將制動(dòng)壓力加到最大，使制動(dòng)車輪抱死〔8〕；另一種制動(dòng)方式采用單通道ABS對其車輪的滑移率進(jìn)行控制〔9〕，使滑移率保持在10%～20%。制動(dòng)時(shí)對制動(dòng)主缸施加了15 MPa的制動(dòng)壓力，如圖2所示。常規(guī)制動(dòng)的輪缸壓力和采用滑移率控制的單通道ABS控制的輪缸壓力變化情況如圖3所示。

圖2 制動(dòng)主缸制動(dòng)壓力

圖3 制動(dòng)輪缸制動(dòng)壓力

仿真過程中，車身簧載質(zhì)量的側(cè)傾角、橫擺角、橫擺角速度的變化情況如圖4、圖5、圖6所示。車輛質(zhì)心的橫向加速度、車軸的側(cè)傾角、車輛的橫向滑移量如圖7、圖8、圖9所示。車輛的仿真動(dòng)畫演示如圖10所示。

圖5 車身簧載質(zhì)量的橫擺角

圖6 車身簧載質(zhì)量的橫擺角速度

圖7 車輛質(zhì)心的橫向加速度

圖8 車軸的側(cè)傾角

圖9 車輛的橫向滑移軌跡

3 仿真結(jié)果分析

由圖4可以看出在開始制動(dòng)的瞬間采用常規(guī)制動(dòng)方式的車身簧載質(zhì)量側(cè)傾角變化幅度很大，并出現(xiàn)了負(fù)值，表明車身發(fā)生了反向擺動(dòng)，有失穩(wěn)的危險(xiǎn)；有滑移率控制的制動(dòng)車身簧載質(zhì)量側(cè)傾角幅度變化緩和，并最終穩(wěn)定在了0度附近。

圖4 車身簧載質(zhì)量的側(cè)傾角

圖5可以看出兩種制動(dòng)方式的車身簧載質(zhì)量橫擺角變化差異不大，有滑移率控制制動(dòng)方式的車身簧載質(zhì)量橫擺角略微平緩一些。

圖6可以看出有滑移率控制制動(dòng)方式的車身簧載質(zhì)量橫擺角速度在制動(dòng)開始后變化幅度較常規(guī)制動(dòng)略微大一些，但由于數(shù)值較小，兩者差異不顯著。

圖7可以看出在制動(dòng)開始后的瞬間，常規(guī)制動(dòng)的車輛質(zhì)心橫向加速度下降很快，車身出現(xiàn)了擺動(dòng)，而在停車瞬間車輛質(zhì)心橫向加速度迅速上升至0.4 g左右，發(fā)生劇烈的擺動(dòng)，出現(xiàn)了失穩(wěn)的現(xiàn)象。而有滑移率控制的制動(dòng)，其車輛質(zhì)心橫向加速度波動(dòng)較小，最終穩(wěn)定在0 g左右，說明有滑移率控制的制動(dòng)車輛車身行駛穩(wěn)定性明顯優(yōu)于常規(guī)制動(dòng)〔10〕。

圖8可以看出，在制動(dòng)開始瞬間，常規(guī)制動(dòng)的車軸側(cè)傾角發(fā)生了劇烈振蕩，車軸在行駛中出現(xiàn)了失穩(wěn)的危險(xiǎn)。有滑移率控制的制動(dòng)車軸側(cè)傾角變化幅度小，較為緩和，其穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)制動(dòng)。

圖9中從車輛的橫向滑移軌跡可以看出，有滑移率控制的車輛在制動(dòng)過程中，基本保持在目標(biāo)車道上行駛，而常規(guī)制動(dòng)的車輛偏離了目標(biāo)車道5 m，已經(jīng)滑出了車道，如圖10所示。

圖10 車輛的仿真動(dòng)畫演示

4 結(jié)論

通過Trucksim軟件對某款重型汽車在轉(zhuǎn)向制動(dòng)工況采用兩種不同制動(dòng)方式進(jìn)行了仿真對比，由仿真結(jié)果可以得出：

(1)重型汽車在轉(zhuǎn)向制動(dòng)時(shí)，有滑移率控制的制動(dòng)和常規(guī)制動(dòng)的車身簧載質(zhì)量橫擺角，橫擺角速度差別不大。

(2)有滑移率控制制動(dòng)的車身簧載質(zhì)量側(cè)傾角、車輛質(zhì)心的橫向加速度、車軸的側(cè)傾角變化幅度要遠(yuǎn)小于常規(guī)制動(dòng)。常規(guī)制動(dòng)下，車輛在制動(dòng)開始和停車瞬間車身簧載質(zhì)量側(cè)傾角、車軸的側(cè)傾角、車輛質(zhì)心的橫向加速度發(fā)生較大振蕩，車身會發(fā)生劇烈擺動(dòng)，有失穩(wěn)危險(xiǎn)。

(3)在制動(dòng)過程中，有滑移率控制制動(dòng)的車輛能保持在目標(biāo)車道行駛，而常規(guī)制動(dòng)車輛會發(fā)生橫向滑移，幅度較大，有導(dǎo)致車輛滑出車道的危險(xiǎn)。

綜上所述，重型汽車在轉(zhuǎn)向制動(dòng)行駛時(shí)有滑移率控制的制動(dòng)方式能顯著改善重型汽車轉(zhuǎn)向制動(dòng)行駛的安全性和穩(wěn)定性。