半掛汽車列車制動(dòng)中載荷轉(zhuǎn)移對(duì)制動(dòng)性能的影響

1、半掛汽車列車制動(dòng)中載荷轉(zhuǎn)移對(duì)制動(dòng)性能的影響2007年11月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第38卷第11期半掛汽車列車制動(dòng)中載荷轉(zhuǎn)移對(duì)制動(dòng)性能的影響李開軍鄧壟夏群生何樂宋小毅傅直全【摘要】在建立的半掛汽車列車制動(dòng)模型的基礎(chǔ)上,分析了制動(dòng)過程中載荷轉(zhuǎn)移隨制動(dòng)減速度的變化情況.同時(shí),利用Matlab/simulink軟件建立仿真模型,通過與道路試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,研究并驗(yàn)證了載荷轉(zhuǎn)移對(duì)車輪抱死順序的影響,并分析了ABS布置形式對(duì)制動(dòng)性能的影響.關(guān)鍵詞:半掛汽車列車制動(dòng)模型載荷轉(zhuǎn)移仿真試驗(yàn)中圖分類號(hào):U463.526;U469.53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ALoadTransferoftheTractorsemitrailerComb

2、inationwhenBrakingandItsEffectonBrakingPerformanceLiKaijunDengKunXiaQunshengHeLeSongXiaoyi.FuZhiquan(1.TsinghuaUniversity2.ZhOiangVIEGroup)AbstractAmathematicalmodeloftractorsemitrailercombinationwhenbrakingwasestablished.Thedynamicloadtransfercausedbydecelerationunderbrakingconditionwasanalyzed.Mea

3、nwhile,thesimulationwascarriedoutusingMatlab/Simulink.Bythecomparisonbetweenexperimentaltestdataandsimulationresults,theeffectofloadtransferontheorderofwheellockupwasverified,andtheinfluenceofABSlayoutschemeonbrakingperformancewasanalyzed.KeywordsTractor-semitrailercombination,Mathematicalmodelwhenb

4、raking,Loadtransfer,Simulation,Experiment引言半掛汽車列車的制動(dòng)由牽引車的制動(dòng)和半掛車的制動(dòng)兩部分組成,兩者之間既有獨(dú)立性,又必須滿足相互之間的協(xié)調(diào)性.列車各軸制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間,都必須保證列車具有良好的制動(dòng)穩(wěn)定性.否則可能出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的工況,如列車的蛇行,折疊和半掛車的擺動(dòng)等現(xiàn)象,這些都是直接導(dǎo)致列車發(fā)生車禍的主要原因.動(dòng)態(tài)制動(dòng)過程中一個(gè)重要的問題是車輛減速度引起的載荷轉(zhuǎn)移,這對(duì)于空載和滿載時(shí)質(zhì)心位置變化很大的半掛汽車列車尤為重要.牽引車車軸載荷的總和不等于牽引車本身質(zhì)量所產(chǎn)生的重力,它還是掛車載荷和制動(dòng)減速度的函數(shù),因此制動(dòng)分析比較復(fù)雜,本文對(duì)此

5、加以研究.1半掛汽車列車制動(dòng)模型的建立1.1基本假設(shè)車輛的前進(jìn)方向定義為X方向,車輛的垂直運(yùn)動(dòng)方向定義為Z方向.由于半掛車采用具有載荷平衡桿的四點(diǎn)式懸架結(jié)構(gòu)卜,做如下的假設(shè):圖1中接觸點(diǎn)1和6的鉸接認(rèn)為既有Z方向的作用力,還有X方向的作用力;圖1中載荷平衡桿的鉸接認(rèn)為只有z方向的作收稿日期:20060808李開軍清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生,100084北京市鄧望清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生夏群生清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授何樂清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師宋小毅浙江萬安集團(tuán)工程師,311800諸暨市傅直全浙江萬安集團(tuán)工程師18農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)圖

6、1具有載荷平衡桿的四點(diǎn)式懸架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematicdiagramoffourleafspringwithloadequalizer1,6.鋼板彈簧與懸掛質(zhì)量的接觸點(diǎn)2.車軸3.鋼板彈簧4.載荷平衡桿5.載荷平衡桿柱銷用力,而不傳遞方向的作用力;非懸掛質(zhì)量的作用點(diǎn)距地面高度在車輛運(yùn)動(dòng)過程中不變.在鉸接點(diǎn)的處理上,由于建立的是半掛汽車列車的1/2模型,所以牽引座與牽引銷之間的作用力簡(jiǎn)化為方向和Z方向的力.1.2力學(xué)模型根據(jù)圖2,對(duì)牽引車,半掛車彈簧質(zhì)量部分及半掛車非簧載質(zhì)量部分列出方向和z方向的受力圖2半掛汽車列軍受力圖Fig.2Sketchofforcesactingonatra

7、ctorsemitrailercombination平衡方程0)3-F鹋r.一.(14)F.1+F.2一g+F一0(1)J4-F”r4一(15)v+F一一一0(2)式中,0半掛汽車列車的速度和制動(dòng)減速度Z+Z+zz+F一g:0(3),牽引車總質(zhì)量和半掛車懸掛質(zhì)量一F.+0(4)Mu,Mu半掛車前,后軸的非懸掛質(zhì)量FZ3m-Z一z一0(5)口t,牽引車質(zhì)心與地面距離牽引車質(zhì)心與牽引車前軸距離zF+z一0(6)牽引銷與牽引車前軸距離F.一z一號(hào)z一0(7)前后軸非懸掛質(zhì)量作用點(diǎn)與地ZL+z(L+詈+61一M,g:o(11)面距離g懸架前后板簧與懸掛質(zhì)量的接觸點(diǎn)至Xaq+丟6(z一丟z)+M戶一o(

8、12)地面距離,I1.,I1車輪與地面之間的附著系數(shù)Xzq2bl專zzzJ+z戶一0(13)F半掛汽車列車各軸的地面制動(dòng)力,半掛車車輪的運(yùn)動(dòng)方程i一1,2,3,4第11期李開軍等:半掛汽車列車制動(dòng)中載荷轉(zhuǎn)移對(duì)制動(dòng)性能的影響F半掛汽車列車各軸受地面的垂直反力,i一1,2,3,4F小F半掛車受牽引座的水平力和垂直力X,Xz懸架前,后板簧在其與懸掛質(zhì)量的接觸點(diǎn)處受的水平力z半掛車懸掛質(zhì)量作用于載荷平衡桿的垂直力z,z懸架前,后板簧在其與懸掛質(zhì)量的接觸點(diǎn)處受的垂直力.,半掛車前,后車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.,半掛車前,后車輪的旋轉(zhuǎn)角速度r.,r半掛車前,后車輪的滾動(dòng)半徑Mb.,半掛車前,后車輪的制動(dòng)力矩文中,牽

9、引車將不進(jìn)行制動(dòng),因此F一F一0.其中式(8)和(9)中變量.,是輪胎垂直載荷的函數(shù),即肛一(F)(一3,4).2制動(dòng)過程中的載荷轉(zhuǎn)移由式(1)(13)可以得到空載時(shí)半掛汽車列車各軸的載荷F(=1,2,3,4)隨列車減速度的變化情況,如圖3所示.從圖中可以看到,當(dāng)整個(gè)汽車列車的減速度達(dá)到6m/s時(shí),半掛車的前軸載荷減小圖3制動(dòng)過程中的載荷轉(zhuǎn)移曲線Fig.3Dynamicaxleloadscurvesforatractorsemitrailercombination到靜態(tài)載荷的一半左右,而半掛車的后軸載荷則比靜態(tài)載荷增加近50.相應(yīng)地,牽引車的前軸載荷隨減速度的增大而增加,而后軸載荷減小,但其總

10、和不再等于牽引車的總重,而是略大一些.造成半掛汽車列車軸間載荷轉(zhuǎn)移的根本原因是,在制動(dòng)過程中隨著制動(dòng)減速度的變化車輛內(nèi)部的一些接觸力發(fā)生改變.從圖4中可以看出,制動(dòng)減速度的增加造成半掛車懸掛質(zhì)量作用于載荷平衡桿的垂直力z的減小,這說明半掛車有俯仰運(yùn)動(dòng).而從式(7)可知,z大幅增加直接導(dǎo)致半掛車后軸載荷的增加.同時(shí)從式(5)也可明顯看出,z和z的同時(shí)減小,最終導(dǎo)致了半掛車前軸載荷的減小.減速度/m.S-2(b1圖4各作用力隨制動(dòng)減速度的變化曲線Fig.4Forcescurveswiththevariationofdeceleration(a)垂直力(b)鉸接處力(c)水平力3實(shí)車試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)

11、比3.1實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值仿真試驗(yàn)用牽引車為一汽CA4161型牽引車,掛車為通華牌THT9260型半掛車.試驗(yàn)在黑河試驗(yàn)基地寬闊的高附著系數(shù)路面上進(jìn)行,分別進(jìn)行了半掛車常規(guī)制動(dòng)和掛車裝有ABS的制動(dòng)試驗(yàn),并用本課題組自行開發(fā)的車載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集,在試驗(yàn)結(jié)束后與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.在試驗(yàn)過程中,記錄了半掛汽車列車的運(yùn)行狀態(tài),即牽引車的車速,汽車列車各軸輪速,掛車ABS電磁閥的動(dòng)作,各制動(dòng)氣室的壓力等隨時(shí)間的變化情況.基于上面車輛力學(xué)模型,利用Matlab/Simulink軟件建立仿真模型,以實(shí)車試驗(yàn)中采集到的制動(dòng)氣室壓力數(shù)據(jù)作為仿真模型的輸入,牽引車的車速,汽車列車各軸輪速作為模型的

12、輸出.通過與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可以對(duì)所建立的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證.3.2結(jié)果對(duì)比3.2.1牽引車不制動(dòng),掛車常規(guī)制動(dòng)工況半掛汽車列車以40km/h的初始車速行駛,這時(shí)只對(duì)掛車進(jìn)行常規(guī)制動(dòng),牽引車不進(jìn)行制動(dòng),直至整個(gè)汽車列車停止運(yùn)動(dòng).整個(gè)半掛汽車列車的前進(jìn)方向速度,半掛車前后軸輪速的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況如圖5所示,圖6給出了制動(dòng)過程中軸間載荷轉(zhuǎn)移情況.20農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)從圖5中可以看出,在牽引車不制動(dòng),掛車常規(guī)制動(dòng)工況下,半掛車的前軸車輪明顯先于后軸車輪抱死,圖6的結(jié)果與上面分析的結(jié)果十分吻合,這些都驗(yàn)證了半掛汽車列車在制動(dòng)工況下的軸間載荷轉(zhuǎn)移分析的正確性.3.2.2牽引車不制動(dòng),掛車加裝A

13、BS制動(dòng)工況半掛汽車列車以40km/h的初始車速行駛,這時(shí)掛車裝有ABS控制器進(jìn)行制動(dòng),牽引車不進(jìn)行制樞暴墟抖斛.童30200動(dòng),直至整個(gè)汽車列車停止運(yùn)動(dòng).根據(jù)上面的分析可以看到汽車列車前進(jìn)方向的減速度對(duì)列車各車軸間載荷轉(zhuǎn)移的影響,試驗(yàn)對(duì)比了掛車ABS控制器配置為2S/2M的3種不同傳感器布置形式(圖7)之間的作用效果.單側(cè)控制2時(shí)整個(gè)半掛汽車列車的前進(jìn)方向速度,半掛車前后軸輪速的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況如圖8所示.表1對(duì)比了幾種不同布置形式的仿真計(jì)算和實(shí)車試驗(yàn)的制動(dòng)距離.403020辯10時(shí)間/s圖5仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5Comparisonbetweensimulatio

14、nresultsandexperimentaltestdata(a)汽車列車速度(b)各輪輪速挺輜暴抖斛樞暴抖蝴補(bǔ)載荷轉(zhuǎn)移仿真結(jié)果Fig.6Simulationresultsofdynamicloadtransfer(a)牽引車前軸載荷(b)牽引車后軸載荷(c)半掛車前軸載荷(d)半掛車后軸載荷確(b)(c)圖7ABS的布置形式示意圖Fig.7SketchofABSlayoutschemes(a)對(duì)角軸控(b)單側(cè)控制1(c)單側(cè)控制2量驀第11期李開軍等:半掛汽車列車制動(dòng)中載荷轉(zhuǎn)移對(duì)制動(dòng)性能的影響一45童35囂2515抖5表1Tab.1T45耍35辭25暴霉15s時(shí)間/s時(shí)間,s(a)(b)

15、耋3525暴s圖8ABS布置形式為單側(cè)控制2時(shí)的控制效果Fig.8ResultsforABSlayoutschemesofunilateralcontrol2(a)車速(b)前軸輪速(c)后軸輪速不同ABS布置形式的制動(dòng)距離BrakingdistancesfordifferentABSlayoutschemesm從表1的試驗(yàn)與仿真計(jì)算得到的制動(dòng)距離對(duì)比可以看出,在對(duì)稱路面上進(jìn)行直線制動(dòng),對(duì)角軸控的ABS布置形式能有效防止半掛車2個(gè)車軸上4個(gè)車輪的抱死,并且地面提供的制動(dòng)力被充分利用,達(dá)到了很大的制動(dòng)減速度,從而有效縮短了制動(dòng)距離.但是,由于制動(dòng)過程中各軸間載荷轉(zhuǎn)移的影響,半掛車前軸載荷較后軸載荷要小,單側(cè)控制1的ABS布置形式相比單側(cè)控制2能更好地防止各車輪的抱死,這一點(diǎn)也可以從圖8中看出.但同時(shí)由于單側(cè)控制1的布置形式中前后軸的制動(dòng)壓力相同,導(dǎo)致地面提供給半掛車后軸的制動(dòng)力未能充分被利用,使得制動(dòng)距離較采用對(duì)角軸控的布置形式時(shí)稍長.4結(jié)束語通過以上半掛汽車列車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出,仿真結(jié)果很好地逼近了實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)表明半掛汽車列車在制動(dòng)過程中引起的載荷轉(zhuǎn)移對(duì)整個(gè)汽車列車制動(dòng)性能有很大的影響.參考文獻(xiàn)1RudolfLimper.Aninvestigationofthebrakeforcedistributionontactorsemitrailercombin