非轉(zhuǎn)向雙掛車軸半掛汽車的轉(zhuǎn)彎過程分析

趙云鶴

(北安農(nóng)墾交通局)

1 汽車列車的轉(zhuǎn)彎過程

由牽引車帶單掛車軸半掛車組成的汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)所有車軸都能繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動(dòng)，各輪胎處于純滾動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。具有非轉(zhuǎn)向雙掛車軸半軸半掛車與牽引車組成的汽車列車在直線行駛時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀況與一般的單掛車軸半掛列車并無什么不同。而在轉(zhuǎn)彎過程中，由于半掛車所有車輪繞同一轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，即軸轉(zhuǎn)向受到了破壞，而在雙軸車輪上產(chǎn)生了側(cè)向反作用力，這種側(cè)向反作用力到一定數(shù)值時(shí)將引起半掛車車輪的側(cè)向滑轉(zhuǎn)，從而加劇了輪胎磨損。本文在下面的討論過程中，假定列車以低速轉(zhuǎn)彎，忽略由于離心力所引起的側(cè)滑和非幾何約束以往造成的輪胎變形引起的側(cè)向滑轉(zhuǎn)。

2 掛車軸采用串聯(lián)式平衡懸掛結(jié)構(gòu)的汽車列車的轉(zhuǎn)彎過程分析

目前，國內(nèi)外在半掛列車中普遍采用的非轉(zhuǎn)向雙掛車軸的典型結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式鋼板彈簧懸掛結(jié)構(gòu)。圖1為該型“非轉(zhuǎn)向列車”轉(zhuǎn)彎過程中某一瞬間的運(yùn)動(dòng)狀況簡圖。

圖1 非轉(zhuǎn)向列車的運(yùn)動(dòng)狀況簡圖

根據(jù)前面假定可知，牽引車車輪均處于純滾動(dòng)狀態(tài)，過牽引車各輪中心做該點(diǎn)速度方向的垂線，所做垂線的交點(diǎn)Ot即是牽引車的瞬間時(shí)轉(zhuǎn)向中心。此時(shí)，轉(zhuǎn)向輪內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角由轉(zhuǎn)向梯形保證其相互關(guān)系。當(dāng)方向盤向一個(gè)方向打死即a最大時(shí)，前外輪中心到Ot間距離就是牽引車的最小轉(zhuǎn)變半徑。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該車型主要用于干線上集裝箱疏遠(yuǎn)，經(jīng)常使用的路面以二級公路為主。我們以城鎮(zhèn)附近緣石半徑10m為參考，取牽引車前輪輪轉(zhuǎn)彎半徑Rx=14m。一般輪胎側(cè)偏角不超過3°～4°時(shí)可認(rèn)為側(cè)偏力與側(cè)偏角呈線性關(guān)系。當(dāng)側(cè)偏角達(dá)到10℃左右時(shí)，側(cè)偏力達(dá)到最大值，輪胎與地面開始出現(xiàn)滑移趨向，根據(jù)上述結(jié)果判斷，該半掛列車在上述使用條件下不會(huì)因輪胎側(cè)滑造成磨損。

3 半掛汽車列車彎道行駛仿真分析

3.1 半掛汽車列車側(cè)翻試驗(yàn)

汽車側(cè)翻是指汽車在行駛過程中繞其縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)90°角或更大角度，以至車身與地面相接觸的一種及其危險(xiǎn)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。側(cè)翻是半掛汽車列車易發(fā)生的一種危險(xiǎn)工況，對于高速行駛車輛，最后軸車輪離地通常被認(rèn)為是車輛側(cè)翻前的第一征兆。本實(shí)驗(yàn)仿真工況:根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) JT/T426-2000，使半掛汽車以60m/s的速度做直線運(yùn)動(dòng)，在第1s對轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行正玄輸入。

在轉(zhuǎn)向盤正玄輸入后，牽引車與半掛車的橫角速度也按正玄形式變化，而半掛車橫擺角速度滯后牽引車0.5s;轉(zhuǎn)向盤正弦后，牽引車與半掛車的側(cè)向加速度按近似正弦的情況變化，且半掛車的側(cè)向加速度滯后于牽引車;轉(zhuǎn)向盤正弦輸入后，半掛汽車列車右側(cè)車輪的垂直載荷隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化先增加后減少，在此過程中，半掛車右后輪的變化尤為明顯，半掛車后輪垂直載荷迅速增加到53kN，然后迅速減小到零，此時(shí)半掛車右后輪離地，進(jìn)入臨界側(cè)翻狀態(tài)。

3.2 半掛汽車列車甩尾試驗(yàn)

牽引車與半掛車的側(cè)向加速度趨近于穩(wěn)定值;在汽車突然轉(zhuǎn)向的初始階段，牽引車與半掛車的橫擺角速度以幾乎相同的速度增大，牽引車橫擺角速度略大于半掛車，隨著時(shí)間的增加，半掛車的橫擺角速度增速不變，而牽引車的橫擺角速度則快速減小，初步分析可以得知這是由于半掛車的甩尾現(xiàn)象造成的，隨著時(shí)間的增加，牽引車的橫擺角速度有增大的趨勢;在轉(zhuǎn)向的初始時(shí)刻，牽引車與半掛車的折疊角增加，在2.5s左右，情況發(fā)生變化，牽引車與半掛車間的夾角變?yōu)樨?fù)值，且已接近線性的速度增加，由此可知，牽引車與半掛汽車橫擺角速度的差異。

4 結(jié)論

(1)由于半掛汽車轉(zhuǎn)彎列車轉(zhuǎn)彎時(shí)主、掛車之間產(chǎn)生折疊角，從而使掛車車軸半輪的轉(zhuǎn)彎半徑大大小于主車車輪的轉(zhuǎn)彎半徑。而非轉(zhuǎn)向雙掛車軸車輪的側(cè)偏角大小主要取決于該車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，這就使得在單車上輪胎偏磨現(xiàn)象已經(jīng)比較嚴(yán)重的擺臂式平衡懸掛結(jié)構(gòu)在半掛車上很少采用。

(2)從輪胎偏磨考慮，設(shè)計(jì)非轉(zhuǎn)向掛車軸時(shí)優(yōu)先采用串聯(lián)式平衡懸掛結(jié)構(gòu)，只有對軸距L1可以較小時(shí)才考慮采用擺臂式平衡懸掛結(jié)構(gòu)。

(3)合理確定半掛車結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L2、W，可保證半掛車在正常轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)雙軸輪胎在路面上不做橫向滑移。

[1] 左建令，陳慧，余卓平.車輛轉(zhuǎn)向輕便性人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真研究[J].汽車技術(shù)，2006，(4).

[2] 王軍.重型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法研究[D].武漢理工大學(xué)，2006.

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