（光学工程专业论文）szg4032型机场牵引车列车系统动力学仿真及分析.pdf

上海交通大学硕士学位论文 s z g 4 0 3 2 型机场牵引车列车系统动力学仿真及分析 摘要 r 由于快捷、便利和经济等优点，国内航空货运需求逐年上升。货 邮春吐量增长迅速。在航空货运物流系统中，大量散货和邮件的运输 和周转主要由牵引车承担。s z g 4 0 3 2 型机场牵引车是上海交通大学和上 海中港航空地面设备有限公司开展产学研合作生产的，用于机场、码 头、仓库等市场需求研制的新型柴油牵引车。汽车列车的使用条件复 杂，由于车辆设计参数、使用参数以及控制技术问题，其引发的交通 事故也逐年上升。 据统计，由于汽车列车稳定性引发的交通安全问题约占3 0 4 0 ， 汽车列车在行驶中的失稳现象主要有：车辆高速行驶时挂车的“蛇行” 现象；车辆转弯时的“倾覆”现象：车辆制动时的“折叠”现象以及 挂车的“甩尾”。如何解决汽车列车行驶中的这些不稳定 提高汽车列车的行驶动力学性能是本文研究的主要问题。 一步 本文建立了全挂汽车列车6 自由度线性模型，并对模型在匀速直 线行驶中受到干扰工况下进行仿真研究。仿真结果表明：车辆在做紧 急避障行驶时，挂车的侧向加速度峰值远大于牵引车的侧向加速度峰 值；同时挂车的相对横摆角也大于牵引拖台的相对横摆角，这种现象 容易引起车辆的倾覆。通过加长挂车的轴距能够有效地改善车辆的侧 向稳定性，但挂车的长度受到路面宽度的限制，在鞍座点施加阻力矩 对车辆的稳定性有较大改善，但在牵引拖钩点施加阻力矩对车辆的稳 定性没有明显改善。 上海交透大学硕士学位论文 中文摘要 同时，本文依据分析“汽车后部放大比率”( r w a ) 来设计和优化 列车系统控制器。通过计算机仿真分析几种不同的控制策略，以实现 可接受的后部放大( r w a ) 目标值。仿真结果表明可以通过前铰接点主 动控制或前后铰接点同时控制有效地减少列车系统后部放大现象并实 现安全行驶。 ( f 多刚体系统动力学是在经典力学基础上产生的新学科分支。凯恩 ( k a n e ) 方法是在1 9 6 5 年前后形成的分析复杂系统的一种新方法。其 特点是利用广义速率代替广义坐标描述系统的运动，并将矢量形式的 力与达朗伯惯性力直接向特定的基矢量方向投影以消除约束力。本文 将凯恩方法与列车系统动力学建模结合，找到了l l - 经典力学方法更有 效、更准确、更快捷的分析列车系统车辆动力学特性的方法。) ， 。 7 。7 7 、 关键词：汽车列车半挂车汽车后部放大比率动力学稳定性l q r 控 制多刚体系统动力学 n 圭塑奎望查兰堡主堂垡堡苎 茎塞垫茎 s i m u l a t i o na n d a n a l y s i s o f d y n a m i c ss t a b i l i t yo f t h e s z g 4 0 3 2 a i r p o r t t r a c t o rv e h i c l ec o m b i n a t i o n a b s t r a c t d o m e s t i ca v i a t i o nf r e i g h ti n c r e a s e sy e a ra f t e ry e a r ，f o ri t s s h o r t c u t ，c o n v e n i e n t ，a n de c o n o m i c a l c h a r a c t e r s i nt h ea i r f r e i g h tl o g i s t i cs y s t e m ，m a n yb u l kc a r g oa n dm a i l sa r ec a r r i e d b yt r a c t o r s s z g 4 0 3 2a i r p o r tt r a c t o ri s d e v e l o p e db ys h a n g h a i j i a o t o n gu n i v e r s i t y a n d s h a n g h a iz h o n g g a n g a v i a t i o ng r o u n d e q u i p m e n t sl t d ，c o i t c a nb eu s e di n a i r p o r t s ，p o r t s a n d w a r e h o u s e s f o rt h e c o m p l i c a t e u s i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h e q u e s t i o n so ft h ev e h i c l ed e s i g np a r a m e t e r s ，u s i n gp a r a m e t e r sa n d c o n t r o lt e c h n i q u e s ，t h et r a c t o r sa l s oc a u s e dm a n yt r a f f i c a c c i d e n t s ，w h i c hi n c r e a s e dy e a rb yy e a r a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，a c c i d e n t sc a u s e db yt h es t a b i i i t y p r o b l e m so fv e h i c l ec o m b i n a t i o n so c c u p i e d3 0 t o4 0 o fa 1 1k i n d s a c c i d e n t s t h el o s i n g s t a b i l i t yp h e n o m e n ai n c l u d e ：s n a k i n g ， r o l l o v e r ，j a c k k n i f i n g ，a n ds w i n g h o wt o i n c r e a s et h er u n n i n g d y n a m i cc h a r a c t e r so fv e h i c l ec o m b i n a t i o n s i st h em a i nt a r g e t o ft h i st h e s i s t h i st h e s i sp r e s e n t sa1 i n e a rd y n a m i c sm o d e lo ft r a c t o r f u l l t r a i l e rw i t hs i xd e g r e e so ff r e e d o m ，a n ds i m u l a t i o n s a r e p e r f o r m e d u n d e ro b s t a c l ea v o i d a n c em a n e u v e r sw h e nt h e c o m b i n a t i o nv e h i c l em o v e sw i t hac o n s t a n tf o r w a r ds p e e d i ti s f o u n dt h a tt h er a t i oo ft h ed e a kl a t e r a la c c e l e r a t i o na tt h ef u l l t r a i l e r sc e n t e ro fg r a v i t y ( c o ) t ot h a to ft h et r a c t o ri s2 3 ， a n dt h ea r t i c u l a t e da n g l eo ft h et r a i l e ri sl a r g e rt h a nt h a to f t h e d o l l y t h i sp h e n o m e n a ，d e f i n e d a st h er e a r w a r d a m p l i f i c a t i o nr a t i o ( r w a ) ，l e a d sv e h i c l er o l l o v e re a s i l y t h e m l a g e rw h e e l b a s e o ft r a i l e ri s g o o d t ol a t e r a ls t a b i l i t yo f c o m b i n a t i o nv e h i c l e ，b u ti ti sl i m i t e db yw i d t ho ft h er o a d ，a n d o nt u r n t a b l ec a nb em o r ee f f e c t i v ei ni m p r o v i n gt h ed y n a m i c s s t a b i l i t yo ft h et r a c t o r f u l lt r a i l e rc o m b i n a t i o nv e h i c l e ，b u t r e s i s t i v et o r q u ei sl e s se f f e c t i v ei fi ti so nh i t c he q u i p m e n t ia l s od e s i g n e da n do p t i m i z e dc o n t r o l l e r so ft h et r a c t o r f u l lt r a i l e rc o m b i n a t i o nv e h i c l ea c c o r d i n gt or i g ai nt h i st h e s i s i t c o m p a r e ds e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e sb yr w aa n ds i m u l a t i o n s a r e p e r f o r m e d u n d e ro b s t a c l ea v o i d a n c em a n e u v e r sw h e nt h e c o m b i n a t i o nv e h i c l em o v e sw i t hac o n s t a n tf o r w a r ds p e e d i ti s f o u n dt h a ta c t i v ey a wc o n t r o l l e ra tt h ef r o n ta r t i c u l a t ep o i n t o ra c t i v ey a wc o n t r o l l e ra tt h ef r o n ta n dt h er e a ra r t i c u l a t e p o i n t si se f f e c t i v ei nr e d u c i n gr w aa n dc a ni n c r e a s es e c u r i t y o ft r a n s p o r t a ti o n m u l t i r i g i db o d ys y s t e md y n a m i c s i s g e n e r a t e d o nt h e f o u n d a t i o no fc l a s s i c a lm e c h a n i c s k a n em e t h o di san e wm e t h o d d e v e l o p e di n 1 9 6 5t oa n a l y z et h ec o m p l i c a t es y s t e m s i tu s e s g e n e r a l i z e dv e l o c i t i e s i n s t e a do fg e n e r a l i z e dc o o r d i n a t e st o d e s c r i b et h em o v e m e n to fs y s t e m s ，a n di tc a na v o i ds a n c t i o n s iu s e dt h ek a n em e t h o di nt h ev e h i c l ec o m b i n a t i o n sd y n a m i c m o d e l i n g ，a n d f o u n dam o r ee f f e c t i v e ，m o r ev e r a c i o u sa n d c o n v e n i e n tm e t h o dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fv e h i c l e c o m b i n a t i o n st h a nt h ec l a s s i cm e t h o d s k e y w o r d s ： v e h i c l ec o m b i n a t i o n ，s e m i t r a i l e r ， r e a r w a r da m p l i f i c a t i o nr a t i o ，d y n a m i c a ls t a b i l i t y ， l q rc o n t r o l l e r ，m u l t i r i g i d b o d yd y n a m i c s l v 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 尔挚位 指导教师签名强逭识 日期：哆年d 羽搿日日期：衫年文月甜日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 尔芥f 丑 日期： 0 5 年留月略日 ：海交通大学硬士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 i i课题背景与研究意义 1 1 1 课题背景 根据g b 3 7 3 0 1 - 1 9 8 3 汽车和撞车的术语及其定义车辆类型中的定义：“汽 车列车是辆汽车与一辆或辆以上挂车的组合“1 。换言之，汽车列车是由具有驱 动动力装鬣的牵引汽车和本身无驱动动力装置的接车组合而成。近年来，公路通 车熙程的增加和路薅等级的提赢，使德交邂运输续梅发生了重大变化，如运输距 离加长，载重吨位变大，车辆行驶速度提简等特点已经在公路运输当中体现出来。 此 ，汽擎列车运输也自然瑟然域成为了公路运输孛鲍主黉手段。 行李牵引车和一辆或一辆以上撞车组成的系统熄汽车列车的一种。在陆上运输 串广泛采蟋汽车憨疆运输霹戳提嵩运辕生产率，酶低运输成本，撼高入受和设备 的使用效率，创造较高的经济和社会效益0 1 。随着邋路条件的改善，车辆技术状态 静绳离，穗羯是集装箱运输和零籀货耪运输鹣广泛开震，键迸了耩挂运输方式酌 不断发展和完善，拖挂运输的车型已由全挂和半接发展到双挂、一车三按、一车 西拣的汽车拖挂剃率运输方式，剜率总质鬃达8 0 - 1 2 0 吨，牵引车的发动机功率 达3 3 0 4 0 4 k w ，常用车速达6 0 7 5 k m h 。 由于快捷、便利和安全等优点，国内航空货运需求逐年上升。避年来，众国各 遗新修建了诲多货运魅窆港，民建壤场总数迭1 4 4 令。货瓣蚕蛙鬃蹭长邋迷，攥 官方资料统计，仅1 9 9 9 年的货邮吞吐量达3 4 6 7 4 万吨，比1 9 9 4 年增长了一倍多， 冬壤长率灸2 涡敬上。涎饕溪民经济靛发震，霹戬 鬟诗，今藤趸年戆货鄄罨睦耄稳 会谢进一步的提高。在航空货运物流系统巾，大量贷邮的处理与周转主要依赖集 装禧耪小璧牵雩| 车，嚣影璃货鄄周转速度豹主要因素是瓤璐货壶i 牵辱l 车，笼其建 行攀牵引车。 靖江叉率有限公司和腾达航勤设备( 上海) 有黻公司生产的牵弓l 车主要性能指 标比较优良，但由予大量采愿进口挪传导致镁馀过离，用户难以承受；鼙杰另终 三家企业生产的行攀牵引车在价格上适合犬多数用户，但溅要技术性能指标均不 太令人满意，如牵孳l 力小帮豢动效艟低等。为此，上海南汇中港舷空建嚣设冬奏 限公司与上海交通大学汽车工程研究所，通过产学研合作，联合设计了一款价格 上海交道大学磋士攀挝谂支熬耄蜷谚 与矬麓辩其竟争力黝毒亍攀牵孳 攀。这耪枣譬 车抟攀萼l 力越过2 5 k n ，采璃髓璐轮翻 确，囊璐变速，滚蕊助力转向秘车絮接裟耩王邕等，它娃箕其裔竞争力的谯自愉 捺淀，占囊2 潞翡枫臻货郏零萼 攀赘场。越羚菠诗及港蹬、车站秘仓痒等冀德行 靛黪要浓，s z g 4 0 3 2 整纾牵零号l 率将蠢镁翌大蠢炀，必姆为教会帮袋旃蕊娆经济效 蕊。 1 。1 。2 磷究意义 汽攀豹使雳条 每复杂，对声龋靛性熊、淹命和袋本祷蠢灏要袋麓，辩晌产品壤 蓬的霹索多，瓣涉及酌技术领城也极为广泛，因此对一骚黼题静矫究还不够充分。 盘予车辆设诗参鼗、搜用参数跌疑控制技术趣簌，其孕l 发豹交通攀赦也邂零上舟。 避几年，汽牵烈车运输方式静豪全阏题眩缀弓l 超政府、运输商、研究人员的密协 关滚。撂统诗蹦，虫于汽车烈攀橡窥性辱l 发豹交通安全阏瑟豹蠢3 0 n 4 0 。汽攀 残冬在褥驶中戆必稳现象圭要蠢“：车辆袁速霉驶孵挂攀蛉“蟪符”现豫；率辆转 弩对戆“籁覆”瑷蒙；率辆期动鼹麴“辑囊”瑷蘩鞋及挂攀豹“避怒”。 擐蔑澄嚣象交邋安全筠( n h t s a ) 绕诗，奁1 9 9 8 肇囊攘接攀辆交遴拳簸罨鼗 5 3 7 4 入死亡。1 9 9 霉年大约蠢l 熊浆交逶攀教与汽孳列车寄芙。荚嚣交通磷究实骏 室( t r l ) 遴过对1 9 9 4 华至t 9 9 6 年交遴誉放数攥努拆袋凝：有龋静交遴攀放与黧 鍪 拖接攀辆存藏。袋合霹甄太经济社会羲员会对甄太溉嚣鸯汽率弼辜肖关麓交逶 事款统计数据霓圈l l 辑零。 鞠1 - 11 9 9 4 年一l 螂6 年蒸囊撬挂罄骥糍关交遇事故绫羚褒 巍g l ls t a t i s t k 湛o f t r a f f b c 差翻嗽蜮掣嘲童婚姗蜘熊耐h 删臂m b i n 暮l 畦8 f r o m1 9 9 4 t 0 9 6 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 大量数据和案例表明，由汽车列车主动引发的交通事故发生的原因主要有：( 1 ) 汽车列车行驶中失去稳定性；( 2 ) 司机疲劳驾驶；( 3 ) 司机精力不集中。 如何解决汽车列车行驶中的这些不稳定现象以及降低司机的疲劳驾驶程度，进 一步提高汽车列车的行驶动力学性能一直是汽车列车研究的热点问题。 1 2国外相关研究现状 分析表明，在铰接车辆行驶过程中，司机的转向输入主要依赖于牵引车，也就 是说在闭环驾驶员一列车系统中，托台和挂车的行为并不是由驾驶员直接控制。 因此设计控制系统的主要目的就是通过影响牵引托台及挂车的运动来实现。由此， 目前国内外对于汽车列车行驶动力学稳定性问题的研究主要集中在一下两方面： ( 1 ) 研究车辆的设计参数及使用参数对车辆动力学性能的影响“。7 。：( 2 ) 研究先进的控 制装置来抑制车辆行驶时的不稳定。 从1 9 9 4 年起，加拿大车辆重量与尺寸研究室( c a n a d i a nv e h i c l ew e i g h ta n d d i m e n s i o n ss t u d y ) 就试图提供一整套商业牵挂车辆重量与尺寸标准。著名的r t a c 工作指标( r t a cp e r f o r m a n c em e a s u r e s ) 是由加拿大运输协会( t h er o a d sa n d t r a n s p o r t a t i o na s s o c i a t i o no fc a n a d a ，简称r t a c ) 和密歇根大学运输研究所 ( u m t r i ) 合作提出的一套严密的、依据安全行车稳定性与车辆能控性的重型牵挂 车辆研发标准。3 。这套标准的建立主要依据两方面的研究：车辆稳定性与道路反应。 加拿大车辆重量与尺寸研究室主要集中在绞接车辆动力学上，测试不同车辆参数 在低速和高速条件下对车辆性能的影响。尽管如此，它未能指出某些参数变化， 如轴距对车辆动力性能的影响。 在1 9 8 9 年，f a n c h e r 提出未来的运输技术将会把具有在操作上可测量性及可 预测性纳入商业重型车辆的研发中。他的研究集中在3 6 吨以上的重型车辆上，并 采取了和加拿大车辆重量与尺寸研究室相似的方法。由于积累了相当多的在重型 车辆交通事故研究中的经验，他提出了一些新的性能指标。1 9 9 1 年，f a n c h e r 的 研究提出了一些能定量化描述大型重型车辆动力学特性的安全工作指标，如翻滚 临界指标、避障运动中后部放大指标、偏轨的指标、刹车时的方向控制指标等。 1 9 9 0 年，e i - g i n d y 和w o o d r o o f f e 研究了第一阶的牵引车设计参数，如牵引车 前后轮轮距、双后轴轴距等对车辆系统动力学性能的影响研究表明虽然某些工 作指标有一定作用，一些更正对于充分揭示车辆动力学行为是必需的。 3 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 9 1 年，e 1 - g i n d y 和w o o d r o o f f e 回顾了现有的性能指标，探讨了它们的应用， 提出一些调整以改进起有效性。他们提出了一些新的性能指标，此外也给出了一 个测量的及格不及格标准。研究中测试的车辆有牵引车一半挂车系统、a 列车、 b 一列车、c 一列车以及牵引车一全挂车系统。 在1 9 9 2 年，w i n k l e r 和f a n c h e r 提出了两个假想条件下的工作指标一静态翻 滚临界值( t h es t a t i cr o l l o v e rt h r e s h o l d ，简称s r t ) 和后部放大率( t h er e a r w a r d a m p l i f i c a t i o n ，简称r w a ) 。与此同时，他们提出了一套测量这两个工作指标的试 验过程，并提出最小静态翻滚临界值0 3 5 9 和时速8 8 k m h 条件下最大后部放大率 2 0 以满足安全行车要求并且具备有效避障能力。 同年，w o o d r o o f f e 和e 1 一g i n d y 进行了一系列在其他参数给定条件下，以操纵 与翻滚稳定性工作指标为基础决定牵引车轴距的研究。e 1 一g i n d y 所作的一项研究 表明安全工作指标能用于确定牵挂车辆某一特定参数的恰当值，使车辆性能满足 行车安全要求。他的研究表明，安全工作指标能有效地引入车辆设计过程。 加拿大商业重型车辆稳定性与控制工作指标的评估依赖于密歇根大学运输研 究所所建立的常速条件下扭转翻滚模型。其处理过程如下图所示： 图l _ 2 评估流程 f i g1 - 2m e t h o do f a p p r o a c h 4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的工作 对s z g 4 0 3 2 型机场牵引车列车系统动力学性能的研究主要集中在两方面：( 1 ) 研究车辆的设计和使用参数对车辆动力学性能的影响；( 2 ) 研究车辆稳定性控制 方法及控制装置。 后部放大比率( r w a ) 控制是本文达到最优控制的主要判断依据之一。本文分 别采用经典方法和多刚体系统动力学中的凯恩方法建立牵引车一托台一半挂车列 车系统动力学模型，并对其进行比较。 在“s z g 4 0 3 2 型柴油牵引车研制”校企合作项目中，本文分别建立了全挂汽车 列车6 自由度线性模型和5 自由度非线性模型，使用m a t l a b s i m u l i n k 系统动力 学仿真软件对模型在匀速直线行驶中受到干扰工况下进行仿真研究。并分别通过 上述两方面的研究来抑制牵引车拖车列车系统行驶时的不稳定性，以求达到最优 的控制效果。 5 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 第二章汽车列车系统动力学建模 2 1汽车列车安全性能指标 长期以来，我国对汽车列车的管理有别于国际上通行的汽车产品认证制度和挂 车产品适配牵引汽车性能的要求，仍然沿用6 0 年代初根据原苏联管理模式而确立 的“目录”管理办法，使得生产企业开发、变型任何一种挂车产品，都必须与所 适配的牵引汽车一起进行定型鉴定，造成研发成本上升、市场反应能力迟钝的局 面，已经严重阻碍了挂车新产品的开发和使用。同时，我国对汽车列车的性能要 求和试验，既无一定的规程可以遵循，又无统一的试验方法可以采用，完全参照 汽车方面的某些标准来执行，其结果是无法用统一的、标准的尺度对汽车列车进 行正确的要求和评价，造成“小马拉大车”或使用性能极差的汽车列车在公路上 行驶，给安全运输埋下了隐患0 1 。鉴于以上原因，汽车列车安全性能的研究就显得 非常重要了。 有关汽车列车安全性能的几个重要因素“” 1 汽车列车轴载质量 近年来，各国汽车列车的最大总质量都有了很大的增加，可是驱动桥的最大轴 载质量实际上却没有什么变化，这意味着附着质量的比例降低。附着质量的降低， 将使汽车列车的动力性能变差，最大爬坡度减小，平均车速下降等等。因此，为 了尽量避免附着质量的过于降低造成汽车列车动力性下降，有必要对汽车列车最 大总质量和允许最大轴载质量进行限制。 2 汽车列车最小转弯直径 汽车列车最小转弯直径是评价汽车列车机动性的重要指标，主要是指在狭窄弯 曲路段上改变行驶方向或绕过障碍物的能力。 3 汽车列车直线行驶稳定性 汽车列车直线行驶稳定性是指在汽车列车行驶过程中，挂车跟随牵引车行驶而 6 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 无左右摆动，并且无影响汽车列车可操纵性的横行倾斜的能力，亦称追迹行驶能 力或跟踪性能。汽车列车行驶时，挂车的摇摆现象大大增加了汽车列车对道路宽 度的要求，给操纵带来了困难。所以，从交通安全、道路状况和行驶稳定性出发， 对汽车列车直线行驶稳定性必须提出具体指标。为有关标准规定，挂车后轴中心 相对于牵引车前轴中心的最大摆动幅度：半挂汽车列车不大于l o o m m ；全挂汽车列 车不大于2 0 0 r a m 。 4 汽车列车制动力平衡性能； 指汽车列车的牵引车与挂车之间的制动协调与平衡问题，这也是关系到牵引车 与挂车组合成汽车列车后的行驶安全问题。日本汽车工业标准j a s oc 5 0 1 - 7 7 连 接车行车制动器实车试验方法及美国汽车工程师学会标准s a ej 7 8 6 a 一7 8 载货 汽车、客车和汽车列车制动系统道路试验规程均对汽车列车制动力平衡性能提 出了要求。 5 汽车列车制动滞后时间 由理论分析可知，要使汽车列车在各种道路及不同承载条件下，所有车轮同时 能达到最大的制动效果，牵引车和挂车间各轮轴的制动力分配应能随着使用条件 的变化而改变。要实现这一点，须采用制动力可变比例的制动系统。而在实际的 汽车列车上，大多采用普通的制动系统，即各轴制动力的分配是固定的。采用这 种结构的汽车列车，只有在一定的路面和载荷下，才能获得理想的制动效果，在 所有其他工况下，则总是其中的某一轮轴先抱死。如果牵引车前轮先抱死将导致 失去转向，牵引车后轮先抱死将引起挂车与牵引车的折偏；挂车车轮先抱死将引 起汽车列车摆尾。凡此种种都将影响到汽车列车的行驶安全性和操纵稳定性。a b s ( 制动防抱死装置) 是公认的改善车辆制动稳定性的有效装置，国外一些大型汽 车列车上已经具有该装置。6 8 1 2 6 7 6 - 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法 规定挂车必须安装防抱死装置。 6 汽车列车制动系统密封性能 制动系统密封性能是保证汽车列车在行驶过程中具有灵活、可靠、有效的制动 能力的重要保证。 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 7 汽车列车最高车速及比功率 汽车列车最高车速不低于6 0 k m h 。这是公路建设的发展情况以及提高运输生 产率，合理利用道路资源，使我国汽车列车向世界水平进一步靠拢的目标提出的 要求。而要提高汽车列车的最高车速，必须提高牵引车的动力性，因此必然要提 商汽车列车的比功率。为了合理匹配牵引车，充分发挥经济效益，根据我国重型 牵引车的技术水平和生产供应能力，比功率按汽车列车最大总质量的不同而有所 区别。 使车辆满足合理的技术参数，以满足以上几方面的要求，将有效地避免汽车列 车生产和管理方面以及因汽车列车性能低下及超载运输所造成的道路桥梁严重破 坏、安全事故不断出现等问题，极大地促进企业进步，同时亦可减少企业新产品 开发的成本，为加速挂车产品的升级换代，满足市场需要，创造了良好的技术支 撑条件。 2 2 汽车操纵稳定性 根据道路及交通情况，汽车有时直线行驶，有时沿曲线行驶。在出现意外情况 时，驾驶者还要做出紧急的转向操作，以求避免事故。此外，汽车在行驶中还不 断受到地面不平和大风等外界因素的干扰。为此，汽车应具备良好的操纵稳定性 能。汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵 循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外晁干扰时，汽车能 抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。 汽车的操纵稳定性不仅影响倒汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽 车安全行驶的一个主要性能，所以被人们称为“高速车辆的生命线”。随着道路的 改善，特别是高速公路的发展，不仅轿车，连货车以1 0 0 k m h 车速行驶的情况也 是常见的。现代汽车设计的最高车速早已超过了2 0 0 k m h 。为了保证安全行驶，汽 车的操纵稳定性日益受到重视，成为现代汽车的重要使用性能之一。 汽车操纵稳定性涉及到的问题较为广泛，它需要采用较多的物理参量从几个方 上海交通大学硕士学位论文 第二章列车列车系统动力学建模 面来评价。其基本内容有 2 3 4 5 方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应转向特性方向盘角阶跃输入 下的瞬态响应 横摆角速度频率响应特性 回正性 转向半径 转向轻便性 原地转向轻便性 低速行驶转向轻便性 高速行驶转向轻便性 直线行驶性 侧向风稳定性 路面不平度稳定性 微曲率弯道行驶性 典型行驶工况性能 蛇行性能 移线性能 双移线性能回避障碍性能 极限行驶能力 圆周行驶极限侧向加速度 抗侧翻能力 发生侧滑时的控制性能 在汽车操纵稳定性的研究中，常把汽车作为一个控制系统，求出汽车曲线行驶 的时域响应与频域响应特性，并以它们来表征汽车的操纵稳定性能。 汽车曲线行驶的时域响应指汽车在方向盘输入或外晃侧向干扰输入下的侧向 运动响应。汽车的时域响应可分为不随时间变化的稳态响应和随时间变化的瞬态 9 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建横 响应。汽车的操纵稳定性同汽车行驶时的瞬态响应有密切关系。 瞬态响应包括两方面的问题：一是行驶方向稳定性，即给汽车以特定输入后， 汽车能否达到新的稳定状况的问题；二是响应品质问题，即达到新的稳态之前， 其瞬态响应的特性如何。 横摆角速度频率响应特性是方向盘转角正弦输入下，频率由o o o 时，汽车横 摆角速度与方向盘转角的振幅比及相位差的变化图形。它是另一个重要的表征汽 车操纵稳定性的基础特性。 典型行驶工况性能( t a s kp e r f o r m a n c e ) 是指汽车通过某种模拟典型驾驶操作的 通道的性能。它们能更如实地、有效地反映汽车的操纵稳定性。 汽车是由若干部件组成地一个物理系统。它具有惯性、弹性、阻尼等许多动力 学的特点，所以它是一个动力学系统。应指出，构成汽车动力学系统的元件，如 轮胎、悬架、转向系等，具有非线性特性，描述汽车运动的微分方程应是非线性 微分方程，即汽车为一非线性系统。但是在大多数行驶状况下，汽车的侧向加速 度不超过0 4 9 ，若忽略一些次要因素，则可以把汽车看作一个线性系统。 2 2 1 人一汽车闭路系统 汽车的时域响应只是把汽车作为开路控制系统的控制特性。它们完全取决于汽 车的结构与参数，是汽车本身固有的特性。汽车作为开路系统的时域响应可以通 过简历数学模型进行理论分析，也可以使用测试设备在试验中客观地进行测量。 汽车地操纵稳定性最后应该是由驾驶者来评定的，操纵稳定性与驾驶者地操作 特性又是紧密相关地。因此操纵稳定性的研究对象应该是把驾驶者与汽车作为统 一整体的人一汽车系统，而不能忽略驾驶者的反馈作用。下图简要地表示了人一 汽车系统中驾驶者与汽车的关系。在汽车行驶中，驾驶者根据需要，操纵方向盘 使汽车作一定的转向运动；路面的凹凸不平，侧向风等亦影响汽车的行驶。与此 同时，驾驶者根据随之出现的道路、交通等情况和通过眼睛、手及身体感知到的 1 0 上海交通大学硕士学能论文第二章列率列车系统动力学建模 汽车运动状况，缀过头脑的分析、判断，修正他对方向搬的操纵。如此不断反复 循环，鸳驶考操缀汽车行驶蓠避。由藏霹觅，农久一汽率系统孛，逶遭嚣驶者琵 系统的输出参数反馈到输入控制中去，所以人一汽车系统是一个闭路系统。不过 驾驶者的反馈俸鞠十分复杂，茸葡对于入一汽车闭路系统的理论研究还徽不成熟， 人一汽车系统的汽车操纵稳定性_ i 丕只能用试验方法来实鼯测定。 图2 - 1 人一汽车系统簿銎 f i g 2 - 1s k e t c ho f d r i v e r - a u t o m o t i v es y s t e m 典鳖彳予驶工况性能就怒入一汽车闭路系统的操纵稳定性能，它是指入一汽车系 统遁过某种典型遴道是的性能。本文进行的研究镪括典型行驶工况性能中的双移 3 5 m 一p ， ，一、 一一，- 行驶方向 垂2 - 2 双移线生观评债试验 f i g 2 - 2t w i n - l i n e m o v e m e n t s u b j t t i v ee v a l u a t i o nt e s t 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 线行驶性能的通道试验。试验时令汽车以一定车速，或以驾驶者感到安全的最 高车速通过试验通道。试验可以对汽车的横摆角速度响应、车厢侧顷等进行综合 评价。 2 2 2 开路系统客观评价试验 汽车性能应通过试验来进行测定与评价。试验中的性能评价有主观评价和客观 评价两种方法。客观评价法是通过测试仪器测出表征性能的物理量如横摆角速度、 侧向加速度、侧倾角及转向力等来评价稳定性的方法。主观评价法就是通过感觉 评价，其方法是让试验评价人员，根据试验时自己的感觉来进行评价，并按规定 的项目和评分办法进行评分。 研究汽车本身特性的开路系统试验只采用客观评价法。此外，研究人一汽车闭 路系统的试验常同时采用客观评价与主观评价两种方法。 开路系统客观评价试验常能给出“汽车性能”与“汽车结构”之间的联系，其 评价指标可以通过理论分析确定它们与汽车结构参数的函数关系，因此开路系统 客观评价试验可以指出改变汽车结构及结构参数以提高性能的具体途径。作为评 价汽车操纵稳定性的特性曲线与评价指标主要有下列各项： 方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应： 稳态横摆增益曲线詈 ，一、横摆角速度增益、稳定性因数k 。 方向盘角阶跃输入下的瞬态响应： 瞬态横摆响应曲线，一t 、反应时间 、衰减振动圆频率。 横摆角速度频率响应特性： 共振峰频率f 、1 h z 时的相位滞后角。 2 2 3 轮胎的侧偏特性 轮胎的侧偏特性是轮胎机械特性的一个重要部分。侧偏特性主要是指侧偏力、 1 2 上海交通大学硕士学位论文 第二章列车列车系统动力学建模 回正力矩与侧偏角间的关系，它是研究汽车操纵稳定性的基础。 汽车在行驶过程中，由于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力等的 作用，车轮中心沿车轴方向将作用有侧向力只，相应地在地面上产生地面侧向反 作用力毋，b 也称为侧偏力。汽车正常行驶时，侧向加速度不超过0 4 9 ，侧偏角 不超过4 。5 。，可以认为侧偏角与侧偏力成线性关系。凡一a 曲线在a = 0 。处的 斜率称为侧偏刚度k ，单位为n r a d 或( o ) 。由轮胎坐标系有关符号规定可知， 负的侧偏力产生正的侧偏角，因此侧偏刚度为负值。b 与a 的关系式可写作 = k a 侧偏刚度时决定操纵稳定性的重要轮胎参数。轮胎应有高的侧偏刚度( 绝对 值) ，以保证汽车良好的操纵稳定性。 2 3汽车列车系统动力学微分方程组 为了便于分析汽车列车系统操纵稳定性的基本特性，本文将全挂列车系统简化 为线性六自由度的汽车模型进行研究。分析中忽略转向系统的影响，直接以前轮 转角作为输入；忽略悬架的作用，认为汽车只作平行于地面的平面运动。另外， 汽车沿x 轴的前进速度u 不变。因此，牵引车只有沿y 轴的侧向运动与绕z 轴的 横摆运动两个自由度。此外，由于汽车的侧向加速度保持在o 4 9 以下，轮胎侧偏 特性处于线性范围。在建立运动微分方程时还假设：驱动力不大，不考虑地面切 向力对轮胎侧偏特性的影响，没有空气动力的作用，忽略左右车轮轮胎由于载荷 的变化而引起轮胎特性的变化以及轮胎回正力矩的作用。 2 3 1 牵引车的动力学微分方程组 牵引车动力学系统简化后模型如下图所示。它是一个由前后各两个有侧向弹性 的轮胎支撑于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。 分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合( 汽车的质量分别参数，如转动 1 3 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 惯量等，对固结于汽车的这一动坐标系为常数，这是采用质心坐标系的方便之处) 。 因此，只要将汽车的绝对加速度与绝对角加速度及外力与外力矩沿质心坐标系的 轴线分解，就可以列出沿这些坐标轴的运动微分方程。 图2 - 3 牵引车 f i g 2 - 3t r a c t o r 由图可知，牵引车沿x 轴方向加速度为 a z 。一v r 牵引车在x 轴方向上受到作用力有 地面作用在两个后轮上的推进力只 地面作用在两个前轮上的侧向力，。、b ：在x 轴方向上的分量 以及，牵引拖挂点对牵引车作用力在x 轴的分量， 。 忽略回正力矩对车辆的影响 由此得出牵引车x 轴方向动力学微分方程为 m 。( - - v t o ，) = o i + b 2 ) s i n 6 + 只+ f 0 ( 2 1 ) 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 同理，牵引车沿y 轴方向加速度为 口。5 v + u o ) ，- 牵引车在y 轴方向上受到作用力有 地面对牵引车前轮的侧向作用力目，、b ：在y 轴方向的分量 地面对牵引车后轮的侧向作用力3 、露 以及，牵引拖挂点对牵引车作用力在y 轴的分量瓦。 由此得出牵引车y 轴方向动力学微分方程为 m ，( f + u c o ，) = 0 0 。+ b ：) c o s 8 + 0 r ，+ 日) 一，0 此外，牵引车绕z 轴的转动惯量为，由上图 牵引车在z 轴方向上受到作用力矩有 地面对牵引车前轮的侧向作用力b 。、b ：在质心坐标系上的扭矩为 嘛i + b 2 ) c o s 6 + 僻2 一，r l ，s i n 8 ； 地面对牵引车后轮的侧向作用力日，、日。在质心坐标系上的扭矩为 一僻，+ 辱k ； 牵引拖挂点对牵引车作用力在质心坐标系上的扭矩为厶。 以及，牵引拖挂点对牵引车作用力矩一m 。 建立z 轴方向动力学微分方程 厶由= 。+ 耳：kc o s 6 + ：一日。 咖占一僻，+ 日) f ：+ f 3 一m 。 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 1 5 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 2 3 2 牵引托台的动力学微分方程组 牵引托台动力学系统简化后模型如下图所示。它是一个由两个有侧向弹性的轮 胎支撑于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。 图2 - 4 托台 f i g 2 4d o l l y 分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。因此，只要将汽车的绝对加速 度与绝对角加速度及外力与外力矩沿质心坐标系的轴线分解，就可以列出沿这些 坐标轴的运动微分方程。 由上可得，牵引托台动力学微分方程组： ：点j z 篙i ：皂：2 8 鼍：= - 乏7 o o s q j c z 川 = 1 + 兄2 ) s i l l b + 凡c o s b 一s i n p l 一民 。 m z 【t + 国r 一，3 西r 一1 4 ( 6 r 一日t ) c o s 0 1 一( r b ) 2 8 i n 日- 】( 2 - 5 ) = ( 兄l + 局2 ) c o s 0 1 一，2s i n o l f c o s o i + 1 2 & d = 一1 5 ( 疋l + 日2 ) + ，6 ，+ ，0 c o s 8 1 一j s i n 0 1 + 扩 一m d ( 2 - 6 ) 1 6 上海交通大学硕士学位论文第二章列车列车系统动力学建模 2 3 3 半挂车的动力学微分方程组 半挂车动力学系统简化后模型如下图所示。它是一个由两个有侧向弹性的轮胎 支撑于地面、具有侧向及横摆运动的二自由度汽车模型。 图2 - 5 半挂车 f i g 2 - 5s e m i - t r a i l e r 分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重合。因此，只要将汽车的绝对加速 度与绝对角加速度及外力与外力矩