半挂汽车转弯制动方向稳定性及控制策略研究

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1、半挂汽车转弯制动方向稳定性及控制策略研究第1章绪论1.1研究背景进入21世纪以来，随着我国经济社会可持续快速发展，交通运输业已经成为促进经济发展的重要命脉[1]。虽然我国的公路运输起步较低和发展较晚，但通过改革开发三十多年的建设，目前的公路运输业已经初具规模，在交通运输体系中所占的比重越来越大，成为最不可替代的运输方式[2-3]。在多种公路运输载体中，货车和汽车列车所占的成分最大，汽车列车是指通过牵引装置将驱动车辆与一辆挂车或多辆挂车组合的车辆系统[4-5]。汽车列车按照运输类型主要分为客车列车和货车列车两种，按照牵引方式分为牵引杆式挂车列车、全挂列车和铰接列车等[6

2、]。其中铰接类半挂汽车列车，它将有角向移动连接的半挂车与牵引车组合，普遍应用在道路货物运输中[7]。半挂汽车列车与其他运载车辆相比拥有如下优点：第一，半挂汽车列车可降低路面磨损，在降低车辆事故率的同时还可以缓解道路交通拥挤；第二，可以降低车辆空气污染，有效减少车辆排放的碳氧化合物（HC）。其中，氮氧化物（NOx）和二氧化碳（CO2）的排放量约可减少为原来的20%，PM减少为原来的七分之一；第三，提高运输效率。在车轴法向载荷不变的条件下，半挂汽车列车的装载质量比其他车辆较多，其实行的甩挂运输方式，可有效低降低空驶率，使得运输效率比原来提高三分之一以上[8]。研究结果证明

3、，汽车列车中最为常见的是半挂汽车列车和全挂汽车列车，其中半挂汽车列车带来的运输经济效益要比全挂汽车列车高三分之一[9]。半挂列车也因此成为国际上中长途货物运输的主体工具，承担着越来越多的运输工作量。2012年半挂汽车列车在英国完成货物周转量占总量的80%，在美国完成的货物周转量达到总量的70%。可见，半挂汽车列车在世界运输领域地位越来越重。半挂汽车列车在我国货物运输业中应用起步相对较晚，发展也相对缓慢。1.2研究意义由于甩挂运输的灵活性和高效性，半挂汽车列车在公路运输车辆中所占的比例逐年增高，已逐渐成为公路运输车辆的主体。在提高运输效率，节约运输成本的同时，半挂汽车列

4、车的整车性能包括行驶安全性也备受关注。据不完全统计，在2012年高速公路事故中，由半挂汽车列车参与的交通事故数达总数的37%。给人民生活带了巨大的经济和精神损失[13-15]。半挂汽车列车是牵引车和半挂车之间通过耦合作用组成的动力学系统。由于自身结构的复杂性，加之在运输过程中为了提高效率，车辆行驶速度一般很高，一旦遇到特殊路况需要制动时，半挂汽车列车很容易发生折叠甚至侧翻等危险现象。可见半挂汽车列车的制动性能对车辆的行驶安全息息相关[16-17]。由于牵引车与半挂车生产经营的独立性和市场运营的盲目性，不合理匹配现象普遍，加之国内汽车列车安全评价指标体系的不完善，直接导

5、致牵引车与半挂车的协调匹配问题和行驶安全问题比比皆是[18-20]。近几年，为了响应西部大开发，加快道路货物运输车辆的结构调整和技术进步，促进道路运输装备的现代化，提高货物运输的效率和安全，交通部开展了货运汽车及半挂汽车列车推荐车型的工作，以此推广公路运输尤其是甩挂运输的应用。本文正是基于与此相关的国家规划项目进行选题并展开研究的。与单车相比，半挂汽车列车的制动系是由牵引车和半挂车制动系的有机组合，二者既彼此独立又相互影响。只有保证牵引车和半挂车各轴分配到的制动力统一协调，才能避免因半挂汽车列车制动不合理所造成的重大事故的发生[21-22]。因此，提高半挂汽车列车的制

6、动方向稳定性问题已成为公路交通运输发展的大势所趋，从车辆动力学角度研究半挂汽车列车转弯制动的行驶特性，设计保障车辆方向稳定的控制策略是当前迫切需要解决的问题[23-24]。.第2章半挂汽车列车底盘系统和弯道制动模型的构建2.1转向建模目前，多数半挂汽车列车采用牵引车前轴转向。转向模型主要分为单自由度和双自由度转向系统模型（简称转向模型）两种[71]。单自由度和双自由度转向模型分别用于转向盘转角输入和力矩输入的半挂汽车列车的运动响应。早期的转向模型一般忽略转向系统摩擦力影响，在对转向运动进行模拟计算时，转向力和扭矩都会产生一定程度的发散。由此可知，摩擦力对转向系模型影响

7、较大，在建模过程中应着重考虑[72-73]。出于对半挂汽车列车转弯制动过程中转向盘转角输入运动响应的考虑，本文采用包括摩擦力在内的单自由度转向模型，如图2.1所示。车辆的运动和控制主要是通过底盘系统来实现，因此研究半挂汽车列车的弯道制动，必须建立与之相关的底盘系统模型，其中包括：转向系，制动系、轮胎以及悬架和鞍座。车辆动力学模型的构建分为坐标系的定义和力学平衡方程两部分，半挂汽车列车也不例外，通过车辆本身坐标系和轮胎坐标系的定义，对底盘各子系统的参数变量进行力学描述并整合建立转弯制动工况下的动态平衡关系，从而完成半挂汽车列车动力学模型的构建。.2.2