半挂汽车列车的操纵特性仿真分析开题报告

全文总字数：4501字

1. 研究目的与意义

半挂汽车列车相对单车而言，外形尺寸大，在直线行驶时易出现横向摆动，即蛇行问题。特别是高速行驶条件下略收油门或下坡行驶时，半挂车会发生不同程度的横向摆振，导致其占用车道宽度增加，影响后续高速车流的超车，严重时还会刮碰弯道内侧的行人和车辆，影响交通流的畅通。在受侧风干扰或紧急避障时还易发生牵引车与半挂车折叠、驶出车道以及侧翻等现象，带来严重的道路安全问题。因此，如何解决半挂汽车列车行驶中的这些横向不稳定问题，进一步提高全挂汽车列车的行驶动力学性能以及操纵稳定性，将其运输的弊端降至最低限度是实现全挂汽车列车安全运行的技术保障，具有重要的理论和实践意义。

2. 国内外研究现状分析

汽车列车的定义通俗的理解可解释为：把一辆牵引车牵引至少一辆挂车的这样的组合方式称为汽车列车。一般由牵引车和半挂车组成半挂汽车列车，并且通过牵引车的后鞍座连接两者，使牵引车承载使一部分挂车质量，同时通过鞍座的连接点处传递相互间的牵引力。 在物流运输行业中，由于半挂汽车列车具有载运量大、运输效率高、经济性好、方便快捷等特点，在公路运输中占有越来越大的比重。但是，半挂汽车列车在带来显著经济效益的同时，也存在巨大的安全隐患。重型半挂汽车列车行驶过程中制动或转向时容易出现折叠、甩尾和横向摆振等不稳定现象^[1]。加之我国道路的特殊情况和驾驶员个人方面的原因，与此相关的交通事故也越来越多，给人们生活带来了巨大的财产和精神损失，造成了严重的社会影响。因此，怎样去解决半挂汽车列车在运输中暴露出的安全性问题日益到人们的关注的重点。

一、国外研究概况

对于半挂汽车列车的操纵特性的研究，国外开展较早。1937年，针对半挂汽车列车的转向特性，德国汽车专家l.hubert和o.dietz展开了相关研究。以空载的半挂汽车列车作为实验对象进行了相关的实车试验^[2]，通过试验分析研究了车辆的横向稳定性能，提出能提高半挂汽车列车横向稳定性的措施：加车辆的轴距和牵引座鞍座的阻尼。同年，日本学者小林明也对半挂汽车列车的操纵特性进行了相关研究。研究结果表明：当车辆轴距足够大时可以避免半挂汽车列车发生折叠，同时指出通过适当增加鞍座销的阻尼可以减小半挂车发生摆振几率。1938年，德国h.ziegler教授针对半挂汽车列车高速直线行驶和坡路制动的行驶特性进行了动力学分析，分析结果表明，当半挂汽车列车的行驶速度超过一定值时，将激励起半挂车相对鞍座的横向摆振，这种现象在坡路上会减弱。 1961年，汽车专家clark和segel为研究半挂汽车列车的稳态转向特性，进行了实车的回转试验，试验结果表明当车辆在设定圆周进行不足转向时所需要的驱动仅为过度转向时驱动力的三分之二^[3]。1972年，意大利bernard教授建立了五轴的半挂汽车列车动力学模型，并通过仿真模拟了鞍座销刚度和子午线轮胎的侧向力对半挂汽车列车转弯制动时稳定性的影响。同年，美国汽车专家rudolf limpert关于半挂汽车列车的轮胎应力与道路的摩擦系数关系进行了相关试验，得出了车辆轮胎在制动工况下的侧偏角与道路摩擦系数利用率的关系;建立了半挂汽车列车的制动气室模型和车辆制动时轮胎法向载荷与车轴间制动力分配的关系模型，试验分析了车轴制动力分配对车辆制动效能的影响；在此基础上还对载荷转移后的悬架动态平衡应力进行了详尽的阐述。 1971年-1982年，美国密歇根大学汽车安全研究技术中心建立了非线性多自由度的半挂汽车列车和备有多节挂车的汽车列车模型，通过实车试验建立了车辆结构参数和使用参数数据库，在对半挂汽车列车操纵稳定性和制动性进行仿真的同时，还对装有abs和缓速器的半挂汽车列车进行了制动性能的仿真，总结了车辆稳态行驶的参数要求。运用计算机程序语言开发了专门用于模拟多轴半挂汽车列车操纵稳定性和制动性的仿真软件^[4]。 20世纪八十年代开始，由于计算机技术的迅猛发展，半挂汽车列车行驶特性的研究也取得了很大的进展。1982年，美国a.sliba教授带领学生建立了包含转向系在内的半挂汽车列车动力学模型，并对车辆稳态转向进行了仿真分析，总结了悬架参数对操纵稳定性的影响。1986年，v. boikov和y. atamanov等人通过所建立的理论模型研究了半挂汽车列车第五轮(鞍座销)的刚度和阻尼对车辆横向稳定性的影响。同年，美国汽车专家charles c.macadam和paul s.fancher对小型载货车、轻型卡车、重型卡车和半挂汽车列车分别进行了包括变车道避障行驶和紧急转弯行驶的道路实车试验，总结比较了四种车辆的行驶稳定性，发现半挂汽车列车转向时最容易发生失稳。1988年，美国俄亥俄州立大学汽车安全系教授richard w.radlinski和mark a.flick通过试验获取了较多的车辆参数，并利用计算机建立了多参数的半挂汽车列车制动模型，针对车辆制动时，牵引车和半挂车之间的运动协调关系进行了仿真分析，建立了评价制动协调性程度的理论模型。1989年，chieh chen利用计算机建立了三轴半挂汽车列车的29自由度模型，仿真分析了制动气室压力和车轴刚度对车辆制动稳定性的影响，建立了车辆稳态时制动力分配系数与路面附着系数的关系模型。 20世纪90年代起，国外的汽车专家将注意力集中在了半挂汽车列车的行驶控制技术上,相关的学术成果与研究产品也不断涌现。 1993年，dunwoody针对半挂汽车列车转向时容易发生的侧倾失稳现象进行了研究分析，并提出了一种降低侧倾量的控制技术。他利用车载试验台对主动悬架的平衡动力学进行模拟仿真，采用液压式第五轮与其相结合，大大增加了车辆的侧翻阂值，有效预防了半挂汽车列车侧倾现象，使用控制技术的车辆在同等转向条件下比传统车辆的侧倾稳定性提高了接近30%。1996年，汽车学者lin.r.c等人通过半挂汽车列车的侧倾仿真分析，在车辆结构基础上提出了一种主动悬架反馈系统，用于监测行驶的半挂汽车列车发生侧倾趋势时引起的一些悬架参数的变化，并与车辆侧向加速度同时作为车辆反馈系统的控制参数，用来减轻半挂汽车列车行驶时，尤其发生回转运动时的载荷转移量，从而提高了车辆行驶过程中侧倾稳定性^[5]。 2003年，美国ashley l.dunn和gary heydinger针对半挂汽车列车的折叠失稳现象进行了研究，建立了包括轮速、附着系数和防抱死系统(abs)的车辆非线性动力学模型，并利用重型车辆性能模拟仿真软件trucksim对车辆模型进行了仿真验证;在此基础上分析了折叠角变化的影响参数，并探讨了折叠现象发生的预警方法^[6]。 2008年，kienhofer f. w.针对多轴车辆的制动防抱死现象进行了系统的试验阐述，提出了适用于重型卡车和半挂汽车列车的制动防抱死系统(abs)。建立了车辆模型和轮胎滑移率控制模型，并利用车辆试验获取到的参数数据进行了仿真。验证了所提出的控制系统的有效性^[7]。 2011年，英国学者cheng cai-then等人将半挂汽车列车转弯时的轨迹误差控制和转弯过程中的参数响应相结合，研发了半挂汽车列车主动转向稳定性控制系统。利用试验和仿真研究了对极限转弯工况下车辆失稳的控制方法，同时对轨迹动态偏离进行了分析^[8]。

3. 研究的基本内容与计划

假期-第1周：熟悉课题内容，查阅有关半挂汽车列车的相关文献基础上，明确其特点及分析方法，完成文献综述和开题报告；

第2-8周：学习trucksim软件建立半挂汽车列车动力学模型，并进行操纵特性的仿真分析；

第9-第13周：研究控制策略，学习matlab，并用此软件对半挂汽车列车进行操纵稳定性控制研究；

4. 研究创新点

利用软件对半挂汽车列车的操纵特性进行仿真分析，并将仿真结果以曲线或表格的形式表现出来，对仿真结果进行分析，研究如何进一步提高半挂汽车列车操纵稳定性。