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原文传递汽车列车侧向动力学与仿真

论文题名：	汽车列车侧向动力学与仿真
关键词：	汽车列车;半挂汽车列车;稳定性;动态响应;仿真实验
摘要：	汽车列车运输形式以其装载量大、运输成本低、具有“甩挂运输”、“区段运输”、“滚装运输”等优点,已经成为公路货物运输的重要车型。公路条件的改善,车辆技术状况的提高,特别是集装箱运输和零担货物运输的广泛开展,促进了拖挂运输方式的不断发展和完善。随着汽车列车向大装载质量和高速方向发展,由于车辆设计、使用以及控制技术等方面的问题,使得由于汽车列车运输方式而引发的交通安全问题也日渐突出,其主要表现为:车辆高速行驶时,挂车的“蛇行”现象；制动时牵引车的“折叠”现象,挂车的“甩尾”现象；以及车辆转弯时的“倾覆”现象。由于汽车列车为组合车辆结构形式,牵引车与挂车以及挂车之间的相互铰接作用,使得汽车列车动力学模型建立比普通单车复杂得多,合理、简洁的车辆模型能够有助于研究者对车辆动力学特性进行深入的理论和实验研究。本文采用模块化建模方法对汽车列车进行动力学建模,首先对具有独立横摆运动的单节车辆进行建模,再依据车辆之间的约束条件进行组合,然后按照研究的需要将其组合成汽车列车侧向动力学模型或汽车列车纵向动力学模型,模型建立的过程相当程式化,可以借助计算机技术建立各种不同组合形式的复杂车辆动力学模型。半挂汽车列车是所有汽车列车组合结构中最常见,也是应用最广泛的车型之一。它是我国“十五”期间重点发展的载重运输车型。本文在通用模型的基础上对半挂汽车列车的操纵稳定性、行驶稳定性以及非线性动力学特性进行了理论和仿真实验研究工作。半挂汽车列车的操纵稳定性不同于普通汽车,文中依据汽车列车侧向动力学模型,建立了半挂汽车列车线性模型。基于该模型对半挂汽车列车进行了线性系统稳定性分析,提出了操纵稳定性评价参数--相对横摆角增益,并对车辆线性系统的稳定性进行了相应评价。通过仿真实验,分析了半挂汽车列车稳态转向特性和方向盘正弦输入下的瞬态响应特性。汽车列车行驶方向稳定性问题是影响车辆行驶安全的一个重要方面。本文建立了半挂车的横向摆动微分方程,通过仿真试验,分析了车辆参数(五轮联接处的阻尼、轮胎侧偏刚度、车辆行驶速度以及五轮联接的位置等)对车辆行驶方向稳定性的影响.结果表明:增大五轮联接处的阻尼,轮胎侧偏刚度以及半挂车轴距均有助于提高车辆行驶方向稳定性。在汽车列车结构中存在许多非线性因素,包括轮胎非线性,悬架系统非线性,转向系统非线性以及由于铰接作用引起的几何非线性等.所以,对汽车列车动力学进行非线性特性研究是一个非常重要的课题.文中建立了半挂汽车列车包括牵引车侧向运动以及牵引车和半挂车的俯仰、侧倾以及横摆运动在内的8目由度非线性动力学模型,运用中心流形和分岔理论对半挂汽车列车的非线性特性进行理论和仿真实验分析,并导出了非线性模型的中心流形方程。建立了车辆参数A-B坐标系,得出了车辆主要参数在A-B坐标系下的稳定域,并通过非线性仿真分析,研究了车辆行驶速度、车辆载荷分布以及制动力等因素对车辆非线性特性的影响,得出一些重要结论:车辆载荷的不对称分布显著降低了半挂汽车列车的临界行驶车速,并缩小了车辆行驶在受微小干扰后的稳定域；五轮联接纵向位置是影响车辆在制动工况下稳定性的一个重要参数。本文对某型号半挂汽车列车进行了仿真实验,仿真模型中采用非线性轮胎模型,并考虑了车辆的转向系模型。在仿真实验中,重点研究了车辆结构参数和行驶参数(高速行驶和低速行驶)对车辆瞬态响应特性的影响,仿真结果表明:增大牵引车和半挂车轴距有利于提高车辆行驶稳定性,但是半挂车轴距的增加同时也会带来半挂车后轴横向摆动幅度增大,需要采取相应措施抑制挂车后轴的横向摆动；降低车辆载荷质心,能明显抑制车辆的侧倾运动,在高速行驶工况下,挂车载荷质心位置前移会严重破坏车辆行驶稳定性,但在低速行驶工况下,挂车质心纵向位置对稳定性的影响不明显；五轮纵向位置参数前移以及五轮处增加阻尼有利于提高车辆的行驶稳定性；同时,五轮联接处的阻尼也会降低车辆低速转弯行驶的灵活性。最后,为了对模型和分析结果进行验证,本文在ADAMS/View软件环境下建立了相同车辆参数的虚拟整车模型,整车模型包含23个自由度。通过对两种环境下的仿真结果进行比较可以看出:两种模型的仿真结果有比较好的一致性。
作者：	包继华
专业：	车辆工程
导师：	张建武
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文