基于柔性结构之半挂汽车列车耐侧翻模型与控制方法改善

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1、基于柔性结构之半挂汽车列车耐侧翻模型与控制方法改善1绪论1.1课题研究背景及意义近年来，国民经济高速发展，对道路运输的需求不断增长，公路的运输能力不断提高，汽车列车尤其是半挂汽车列车的应用逐渐增多[1]。半挂汽车列车装载量大，平均运输每吨货物所耗费的燃料更少，运输成本更低，而且运输效率比单体载货汽车高三到四成，有很大的经济吸引力，在道路运输中广泛应用。发达国家在上世纪60年代就普遍使用半挂汽车列车进行货物运输，90年代以后许多载货汽车生产公司将半挂汽车列车作为重点车型大量生产[2]，在美国半挂汽车列车完成了超过50%的货物周转量[3]。在

2、我国，半挂汽车列车运输也越来越盛行，2010年半挂牵引车的年销售量突破80万辆，占重型载货汽车年销售总量的55%以上[4]。半挂汽车列车运输带来了巨大的经济效益，但是由于其自身重心较高、轮距较窄等特点，使得操纵稳定性差，存在侧翻危险，从而带来了很多交通安全问题。而且由于牵引车和半挂车是柔性铰接，阻隔了驾驶员对半挂车危险状况的感知，无法及时发现并阻止危险状况的发生。而一旦发生侧翻，由于其载重大、惯性大很容易波及道路上的其他车辆，造成一系列交通安全事故[5]。据美国国家交通安全局(NHTSA)统计，2005年汽车列车发生的恶性交通事故占所有发

3、生恶性交通事故车辆总数的6%[6]。在中国，由于汽车列车造成的交通事故也越来越多，这些事故造成不同程度的人员伤亡和经济损失。因此，研究半挂汽车列车的侧翻，开发主动控制系统，对于减少半挂汽车列车交通事故发生率，提高运输效率有重要意义。1.2国内外研究现状国内外学者对于半挂汽车列车防侧翻问题进行了大量的研究，并取得了一定的成果。对于防侧翻采用的方法主要有：侧翻预警技术、主动转向技术、制动力调节、主动防侧倾杆控制等。侧翻预警系统的预警器对车载传感器所获得的方向盘转角、车速、横向加速度等参数进行实时监测，根据预警模型运行预警算法，当系统的门限值大

4、于设定值时发出报警信号，驾驶员据此采取措施来避免侧翻。1990年，Rakheja设计了一个早期的侧翻预警系统，将在静态转向条件下转弯内侧轮胎离开地面时的汽车横向加速度定义为侧翻阈值[7]。1998年，Ervin等人设计了一个系统侧翻稳定警告装置，可以实时测量车辆的运行状态，并通过实时测量的状态量来确定车辆的侧翻阈值。Chen和Peng等人于2001年通过对三自由度汽车模型研究提出基于TTR（TimetoRollover）预测侧翻时间的算法，通过神经网络技术来提高TTR矩阵的精度，能够精确地预测即将发生的车辆侧翻危险程度[8]。2009年，

5、Stavroff考虑行驶中车辆质心的变化，提出了自适应算法的侧翻预警，通过估计车速、侧向加速度和横摆角速度等进行自适应算法，提高了准确性[10]。哈尔滨工业大学刘晓为等人综合使用侧倾角、侧向加速度等计算得出综合侧翻因子，与所设定的综合侧翻因子限制值进行比较，当计算得出的值大于限制值时车辆发生侧翻，基于此设计了汽车侧翻报警装置并申请了专利[11]。吉林大学张不扬、宗长富等人通过比较算法门限值，选取采用基于静态门限值控制和基于动态稳定门限值控制的两种方式，指出预警系统的关键是制定侧翻预警算法和获取车辆行驶状态[12]。.2侧倾稳定性2.1引言

6、本章主要是分析车辆在准静态条件下的侧翻，分析影响侧翻的主要因素和车辆的侧翻力学，同时介绍主动防侧倾系统，为后面研究打下基础。本章主要介绍了和侧倾稳定性相关的知识，分析了静态侧翻，指出了影响侧翻的主要因素，分析了车辆侧翻力学，介绍了主动防侧倾杆系统的工作原理及其机械系统和控制系统。.2.2静态侧翻车辆的侧翻都是动态的、瞬时的，但是通过对侧翻事故的分析可知车辆侧翻事故发生率与车辆在准静态下的侧倾稳定性密切相关，如图2.1所示，随着静态侧翻阈值的增大，侧翻事故发生率不断降低，尤其是在静态侧翻阈值较低时，较小的稳定性的增加就可以带来事故发生率较大

7、的下降。因此有必要研究车辆在准静态下的侧翻。一般情况下，客车的静态侧翻阈值高于1g，轻卡、SUV等的侧翻阈值一般为0.8g到1.2g，载货重型卡车的侧翻阈值一般低于0.5g。对于普通的五轴半挂汽车列车空载时重心高度低侧翻阈值为0.5g，但是满载时低至0.25g。一般来说，油罐车约为0.35g，气罐车约为0.26g。一般情况下，车辆的横向加速度可以达到0.2g，高速路弯道的设计使得在转弯时在限定的车速下可以达到0.17g，因此在日常的驾驶中，车辆的加速度很容易达到0.25g。侧翻试验是在准静态转向侧翻时的物理模拟，用来确定静态侧翻阈值。根据

8、GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》和GB/T14172-2009《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》的有关规定，试验要求机动车在空载和静止状态下，向左侧和右侧倾斜的最大侧倾稳定角不允