转弯制动工况下某拖挂式房车行驶稳定性分析

张剑罡，徐希翼，许梁，张允明，苗立东

(山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博255049)

近年来，随着社会的发展和人们生活水平的提高，国内也出现了各式各样的房车，主要分为自行式房车和拖挂式房车[1]。拖挂式房车在转弯制动工况下行驶时出现的安全隐患较多，如：挂车的折叠、转弯的侧倾等现象，给人们出游带来了极大的安全隐患。学者对半挂汽车列车的制动性能、稳态转向性能进行了仿真分析[2-5]，在此研究的基础上对某拖挂式房车在转弯制动工况下的行驶稳定性进行分析。

本文利用虚拟样机技术软件ADAMS建立某种型号的牵引车-拖挂式房车的多体动力学模型，并通过实车实验测得的数据与仿真分析获得的数据对比来验证所建立模型的准确性，通过设计ADAMS/Car软件中仿真实验，分析某拖挂式房车的整车质量、质心位置、质心与铰接点之间的距离等结构参数对其转弯制动工况行驶稳定性的影响。

1 模型的建立

1.1 数学模型的建立

分别在牵引车和拖挂式房车的质心处建立车辆坐标系O1x1y1、O2x2y2，牵引车-拖挂式房车转弯制动时受力分析[6]如图1所示。

图1 牵引车-拖挂式房车转弯制动受力分析

牵引车动力学微分方程为

(1)

拖挂式房车动力学微分方程为

(2)

图1及式(1)、式(2)中各符号含义见表1。

表1 各符号名称及含义

1.2 ADAMS多体动力学模型的建立

1.2.1 模型的简化

在建立牵引车-拖挂式房车多体动力学模型时做如下简化：簧上质量看作一个整体，是具有六个自由度的刚体；除轮胎、阻尼、弹簧及橡胶元件外，其他零件看做刚体，在仿真分析时认为它们不变形；采用线性弹性橡胶衬套来模拟刚体之间的柔性连接；忽略各个运动副内部的摩擦[7-8]。

1.2.2 轮胎模型

轮胎是整个汽车唯一与路面直接接触的部件，不仅支承着整个汽车质量，保证整个车辆与路面具有良好的附着性能，提高动力性能、制动性能，而且还能与悬架共同吸收来自地面的冲击，并衰减由此产生的振动。因此，轮胎模型对行驶稳定性具有很大的影响。本文分析采用的轮胎模型为魔术公式(magic-formula,MF)[9]轮胎模型。

魔术公式的一般表达式为

Y(x)=Dsin[Carctan{Bx-

E(Bx-arctanBx)}]，

式中:Y(x)可以表示侧向力、纵向力，也可以表示回正力矩；x可以表示轮胎的侧偏角或者纵向滑移率；B、C、D、E是常数，由轮胎的垂直载荷和外倾角确定。

1.3 整车模型的建立

本文分析所用的牵引车、拖挂式房车部分结构参数见表2、表3，建立的牵引车-拖挂式房车动力学模型如图2所示。

表2 牵引车部分结构参数

表3 拖挂式房车部分结构参数

图2 牵引车-拖挂式房车动力学模型

2 模型准确性的验证

为了检验所建牵引车-拖挂式房车动力学模型的准确性，采用实车实验数据与仿真分析数据相比较的方法，该方法能够直观反映实车模型与动力学模型的差别。

2.1 实车实验数据获取

2.1.1 实车实验

在平坦、宽阔的场地上对实验样车做蛇形穿越实验，具体设定的实验条件：样车在实验场地上，以30km/h的车速，穿越中线间距20m的蛇形路径，获得拖挂式房车的侧倾角、横摆角、横摆角速度。

2.1.2 实验数据的获取

如图3所示，采用德国IMC公司的IMCCS-7008-N型数据采集设备采集数据，利用XW-GI7660 高精度姿态方位仪测量拖挂式房车的侧倾角、横摆角、横摆角速度等数据。

图3 数据获取仪器

2.2 准确性验证

将实车实验条件作为动力学仿真的输入，可以得到仿真结果。

如图4所示，蛇形穿越实验中拖挂式房车的侧倾角、横摆角速度变化趋势一致，仿真实验中的数值略小于实车实验。仿真实验是在理想条件下进行的，没有受到外界因素干扰，所以数值相对较小，曲线变化比实车实验平缓。综合来看，所建立的牵引车-拖挂式房车模型比较准确。

(a)蛇形穿越实验侧倾角对比

3 转弯制动工况下行驶稳定性分析

如图2所示，对建立的牵引车-拖挂式房车动力学模型进行转弯制动工况下的仿真实验，设置转弯制动事件构造文件，驱动所建的动力学模型进行仿真。改变房车质量、质心位置、轮胎侧偏刚度等结构参数进行仿真实验，分析这些结构参数对牵引车-拖挂式房车在转弯制动工况下行驶稳定性的影响。

仿真条件：牵引车-拖挂式房车模型首先在设定的路面上直线行驶，直至速度达到50km/h，当纵向加速度与侧向加速度均为0时，此时所用时间为2.5s；维持速度不变右转弯驶入一个曲率半径为120m的弯道，进入弯道1s后以3.0m/s2的加速度开始制动至车速为2km/h。

3.1 拖挂式房车质量的影响

将拖挂式房车质量m2设置为1 600、1 800、2 000kg，通过仿真，得到侧倾角、横摆角、横摆角速度的曲线，如图5所示。

由图5(a) 可知，随着拖挂式房车质量的减小，拖挂式房车侧倾角也随之减小；由图5(b)可知，拖挂式房车的质量改变，仿真后的横摆角几乎不变；由图5(c)可知，拖挂式房车的质量减小，仿真后的横摆角速度峰值减小。拖挂式房车的质量直接影响转弯制动工况下行驶的侧倾角，从而对横摆角、横摆角速度产生较小的影响。因此，减小拖挂式房车的质量有利于提高拖挂式房车的行驶稳定性。

3.2 拖挂式房车质心位置的影响

3.2.1 质心高度的影响

将拖挂式房车的质心高度设置为800、900、1 000 mm，通过仿真，得到侧倾角、横摆角、横摆角速度的曲线，如图6所示。

由图6(a)可知，随着拖挂式房车质心高度的减小，拖挂式房车侧倾角也随之减小；由图6(b)可知，改变拖挂式房车的质心高度，仿真后的横摆角几乎不变；由图6(c)可知，拖挂式房车的质心高度减小，横摆角速度峰值减小。拖挂式房车的质心高度直接影响转弯制动工况下行驶的侧倾角，从而对横摆角、横摆角速度产生一定的影响。因此，减小拖挂式房车的质心高度有利于提高拖挂式房车的行驶稳定性。

3.2.2 质心到铰接点距离的影响

将拖挂式房车的质心到铰接点的距离设置为3 800、3 900、4 000 mm，通过仿真，得到侧倾角、横摆角、横摆角速度的曲线，如图7所示。

由图7可知，减小拖挂式房车的质心到铰接点的距离，拖挂式房车的侧倾角、横摆角、横摆角速度均有小幅度的减小。拖挂式房车质心到铰接点的距离直接影响转弯制动工况下行驶的横摆角速度，从而对横摆角、侧倾角产生一定的影响。因此，减小拖挂式房车的质心到铰接点的距离，有利于提高拖挂式房车的行驶稳定性。

3.3 拖挂式房车轮胎侧偏刚度的影响

将拖挂式房车轮胎的侧偏刚度k设置为40 000、60 000、80 000 N/rad，通过仿真，得到侧倾角、横摆角、横摆角速度的曲线，如图8所示。

由图8可知，当拖挂式房车轮胎的侧偏刚度由40 000 N/rad增大到60 000 N/rad时，拖挂式房车的侧倾角几乎不变而横摆角、横摆角速度明显减小；当拖挂式房车轮胎的侧偏刚度由60 000 N/rad增大到80 000 N/rad时，拖挂式房车的侧倾角、横摆角、横摆角速度明显减小。拖挂式房车轮胎的侧偏刚度直接影响转弯制动工况下行驶的横摆角速度，从而对横摆角、侧倾角产生一定的影响。因此，增大拖挂式房车轮胎的侧偏刚度有利于提高拖挂式房车的行驶稳定性。

4 结束语

通过建立牵引车-拖挂式房车的动力学模型，并设计了仿真驱动条件，使其在一定条件下进行转弯制动工况仿真。仿真结果表明：拖挂式房车的质量、质心高度直接影响在转弯制动工况下行驶的侧倾角，质心到铰接点的距离、轮胎的侧偏刚度直接影响在转弯制动工况下行驶的横摆角速度；减小拖挂式房车的质量、增加轮胎的侧偏刚度、减小质心的高度、减小质心到铰接点的距离都有利于提高拖挂式房车在转弯制动工况下的行驶稳定性。