复杂工况下半挂汽车列车侧向稳定性分析与控制研究

摘要

半挂汽车列车在复杂工况下，如高速行驶中紧急避障、紧急制动以及高速通过弯道等，与单车相比其侧向稳定性大幅降低，并产生了一些特有的如折叠、甩尾甚至侧翻等现象，因此也增加了其发生交通事故的可能性，是半挂汽车列车在使用中的极大障碍。半挂汽车列车一旦发生交通事故，其造成的伤亡人数明显高于其它类型的车辆。因此，深入分析半挂汽车列车侧向失稳的发生机理，研究侧向稳定性控制策略和方法对保障设备和人身安全具有重要的理论与实践意义。
　　半挂汽车列车侧向稳定性受到许多因素的影响，如转向轮转角、路面附着条件、车速、货物类型、质心高度以及侧风等。这些因素又互相影响，在某些工况下可能会占支配地位。本文对其中三个重要的因素进行了大量分析研究，获得了半挂汽车列车侧翻的临界条件。
　　本文在传统的线性模型基础上，在3轴半挂汽车列车轮胎侧偏角中增加了轴侧倾转向、轮胎侧向力变形转向以及轮胎回正力矩变形转向等影响因素。采用该方法建立的改进后的三自由度、五自由度半挂汽车列车线性模型，仍然具有结构简单、计算量小以及便于实时控制等优点，但其性能指标、状态参数接近虚拟样机车辆。
　　针对复杂工况下半挂汽车列车出现的侧向失稳现象，传统解决方法是通过判断车辆的转向类型，然后采取相应的控制策略。而判断转向类型主要是基于横摆角速度和质心侧偏角。由于悬架、转向系变形的影响，这种判断方法具有很大的局限性。本文采用计算轴侧向力是否饱和来判断车辆是否出现了侧滑、激转或折叠等失稳现象。在轴侧向力估算中，需要用到轮胎侧偏角、侧向速度、折叠角以及路面法向反作用力等参数不易测量或者不可能直接测量。基于牵引车和半挂车的侧向加速度与横摆角速度传感器测量到的信息，采用状态观测器等方法对侧偏角、侧向速度以及折叠角进行估计，进而估计出轴侧向力。这些参数在本文提出的侧向稳定性控制中起着非常关键的作用。
　　本文采用估计轴侧向力是否饱和来判断牵引车和半挂车是否发生了不足转向或过度转向，横摆角速度只起辅助作用。在横摆跟踪控制中，采用差制动的方式对牵引车和半挂车的运行状态进行修正。在防侧翻控制中，采用侧翻指数进行判断，然后加以控制。
　　半挂汽车列车在高速通过弯道和高速紧急制动过程中极容易发生折叠现象。针对高速通过弯道出现折叠现象，本文采用在牵引车的前外轮和半挂车内侧车轮施加适当制动力的控制方法，它能快速地防止或减轻折叠的发生。该方法有别于目前国际上普遍采用在牵引车的前外轮施加适当的制动以降低过度转向趋势，在半挂车左右两侧的车轮都施加制动力以降低车速的方法。因为载荷转移的影响，后者会产生一个较大的反向附加转矩，抵消了防折叠效果。论文中，设计了一个模糊控制器，它根据车速和轴侧向饱和程度来确定车轮的ABS制动时间。针对高速紧急制动时出现的折叠现象，本文设计了自动防折叠装置。该装置将在半挂汽车列车因紧急制动而出现折叠趋势的时候进行干预，防止半挂车相对于牵引车之间的转角进一步增加。
　　本文在半挂车模态试验结果的基础上，建立了柔性半挂车车架。传统的侧向稳定控制中基本上都把半挂车作为刚体处理，这与实际有较大的出入。将柔性半挂车用于紧急避障过程中，分析了半挂车的纵向扭转变形对车辆侧翻的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 国外相关研究情况

1．2．2 国内相关研究情况

1．2．3 现有稳定控制系统

1．3 研究的主要工作

1．3．1 研究的主要内容

1．3．2 研究的适用场合

1．3．3 研究面临的问题

1．4 本章小结

第2章 车辆操纵动力学建模及改进

2．1 引言

2．2 半挂汽车列车的结构特点

2．2．1 牵引车结构特点

2．2．2 半挂车结构特点

2．2．3 牵引座结构特点

2．2．4 对稳定性的影响

2．3 列车横摆稳定参考模型

2．3．1 假设条件

2．3．2 三自由度线性模型建立

2．3．3 模拟仿真

2．4 列车侧倾稳定参考模型

2．4．1 假设条件

2．4．2 五自由度线性模型建立

2．4．3 模拟仿真

2．5 线性模型的不足及改进

2．5．1 线性模型的不足

2．5．2 线性模型的改进

2．6 本章小结

第3章 车辆行驶状态参数估计

3．1 引言

3．2 侧向速度估计

3．2．1 直接观测器

3．2．2 全阶观测器

3．3 轮胎侧偏估计

3．3．1 轮胎侧偏角估计

3．3．2 轮胎侧偏力估计

3．4 轮胎作用力估计

3．4．1 制动力估计

3．4．2 法向反作用力估计

3．4．3 侧向力极限估计

3．5 轴向饱和与摩擦估计

3．5．1 轴侧向力饱和

3．5．2 附着系数估计

3．6 其它参数估计

3．7 本章小结

第4章 牵引车横摆跟踪稳定控制

4．1 引言

4．2 电子稳定控制历史与现状

4．3 电子稳定控制系统组成

4．4 传统的电子稳定控制原理

4．5 新电子稳定控制系统

4．5．1 传统电子稳定控制的不足

4．5．2 车辆动力学分析

4．5．3 稳定控制的外力

4．5．4 车辆稳定控制策略

4．5．5 动力学仿真分析

4．6 本章小结

第5章 半挂汽车列车横摆与侧翻稳定控制

5．1 引言

5．2 影响侧向稳定的因素

5．3 侧向失稳的判定

5．3．1 横摆失稳判定

5．3．2 侧倾失稳判定

5．4 电子稳定控制系统组成

5．5 半挂汽车列车稳定控制

5．5．1 牵引车横摆跟踪控制

5．5．2 牵引车防侧翻控制

5．5．3 半挂车防侧翻控制

5．5．4 动力学仿真分析

5．6 本章小结

第6章 半挂汽车列车高速防折叠控制

6．1 引言

6．2 折叠发生原因

6．2．1 高速通过弯道

6．2．2 高速紧急制动

6．3 高速通过弯道防折叠控制

6．3．1 现有的防折叠控制的不足

6．3．2 新的防折叠控制策略

6．3．3 模糊控制器设计

6．3．4 防折叠控制仿真

6．4 高速紧急制动防折叠控制

6．4．1 自动防折叠装置

6．4．2 防折叠装置工作原理

6．5 本章小结

第7章 柔性半挂车车体对侧翻的影响

7．1 引言

7．2 多刚体动力学理论

7．3 柔性体动力学理论

7．4 柔性体半挂车车架的构建

7．4．1 半挂车车架的特点

7．4．2 模态测试

7．4．3 有限元模型

7．4．4 柔性体半挂车车架

7．4．5 动力学仿真分析

7．5 柔性车体对侧翻的影响

7．5．1 柔性车体对侧翻阈值的影响

7．5．2 柔性车体对侧翻控制的影响

7．6 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的论著及专利

作者从事科学研究和学习经历