新型铰接系统参数对BRT客车转向动态性能的影响

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第 lO期2013年 1O月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 163新型铰接系统参数对BRT客车转向动态性能的影响姜右良，陈士安，何 仁(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)摘 要：为防止 BRT客车前后车体发生折叠碰撞，设计了一种可在两车体间同时提供阻尼力矩和弹性力矩的新型铰接系统。建立了BRT客车转向运动的非线性动力学模型及新型铰接系统传力模型，在转向盘角阶跃输入的圆周运动工况下进行了变参数动态仿真，分析了铰接系统阻尼参数和刚度参数对BRT客车转向动态性能的影响。结果表明：仅能提供阻尼力矩的传统铰接系统无论阻尼参数如何变化，都不能防止BRT客车前后车体发生折叠碰撞及横摆振动，且折叠碰撞还会导致中轴轮胎发生侧滑现象；具有适当刚度参数的新型铰接系统可有效克服前后车体产生折叠碰撞、横摆振动与中轴侧滑。达到提升 BRT客车操纵稳定性的效果。

关键词：快速公交系统；客车；铰接系统；刚度参数；转向动态性能中图分类号：TH16；U463．4 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0163—04I nfluences of New Articulation System Parameters on Steering DynamicCharacte ristics 0f BRT VehicleJIANG You—liang，CHEN Shi-an，HE Ren(School of Automotive and Trafic Engineering，Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 212013，China)Abstract：To preventfolding collision offront and rear carriages ofBRT vehicle，a new type articulation s~tem which Canprovide dampingtorque and stifness torque at the sn time is designed．BRT vehicle steering nonlinear dynam ic model andforce mo del of FleW articulation s~tem transmission are established．Dynam ic simulation of changingparameters are carriedout in the circular motion condition with steeringwheel step input，and influences ofdampingparameters and stifnessparameters on dyJmm steering characteristic ofBRT vehicle are analyzed．The results show that the traditiond articulations~tem only providing damping torque Can’t eliminate the carriages folding collision and yaw vibration no matter how thedamping parameter changes．Furthemmre，folding colision wil bring medial axle sideslip．The new articulation s~tem whichhas appropriate stifness parameter Can overcome the carriages folding colision，yaw vibration and medial axle sideslipefectively，and ach&ve good handling stability ofBRT vehicle.

Key W ords：BRT；Vehicle；Articulation System；Stifness Parameter；Dynamic S~edng Characteristic1引言BRT(Bus Rapid Transit，快速公交系统)客车由前后两个车体组成，中间通过铰接系统连接 ，发动机布置在后车体上，属顶推式铰接客车 。铰接系统是连接两车体的关键部件，其传力性能直接影响到整车的操纵稳定性 。现有的铰接系统采用液压阻尼力提供回转力矩，若阻力矩过小 ，前后车体相对运动速度过快，折叠到极限角度时易造成车体碰撞，当地面提供给中轴轮胎的侧向力较小时(如雨雪路面等)，后车体容易将中轴侧向推出，目前尚未见到有关铰接系统参数对 BRT客车转向动态性能的研究与报道。

为防止BRT客车在转向时发生车体折叠碰撞，设计了一种在左右液压缸的液压臂上增设螺旋弹簧的新型铰接系统目，并通过建模与仿真分析了该系统阻尼和刚度参数对客车转向动态性能的影响。

2 BRT客车转向运动的动力学模型图 1 BRT客车转向运动原理图Fig．1 Steering Principle of BRT Vehicle来稿日期：2012—12—17基金项目：江苏省自然科学基金(BK2008553)作者简介：姜右良，(1987一)，男，山东人，工程硕士，主要研究方向：车辆振动分析与控制；陈士安，(1973一)，男 ，湖北人，工学博士，教授，主要研究方向：汽车安全、节能与环保164 姜右良等：新型铰接系统参数对BRT客车转向动态性能的影响 第10期图中：m 、m 一前 、后车的质量，kg；v 、 一前、中、后轴中心处 前、中、后轴单胎实际负荷 一 、 分别为：的速度。m／s； 、 瑁订、后车质心处的速度，m／s；SPl、s 一前、后车的质心；删一前后车的运动瞬心；艿I，—前轮转角， ；d 、 一前、中、后轴中心处的侧偏角 ，rad；f1．、 厂前 、后车质心处的侧偏角，rad；tb，、 广一前、后车相对于固定坐标系XOY内OX轴的横摆角，rad；P。 f一前、后车行驶轨迹的曲率半径，m；a、b—前车质心到前、中轴的距离，m；c、d一铰接系统中心到中轴、后车质心的距离，m；e—后车质心到后轴的距离，m； 、 ，、 前 、中、后轴所受到的横向力 ，N；、 、 前、中、后轴所受到的纵向力，N； 车对前车的推力，N； 、 一F在前车纵、横方向上的分量，N；肘一铰接系统作用在前后车体上的力矩，N·珊。

图 1中转角、位移、力及力矩的方向均满足右手定则，对前 、后车体进行受力分析有I6]：2、+ + c。 + si 一一 c。 一 vSi — =0Fyvcos~v+ + v-m~v‘si 。一 }c。 一 =o ¨
= (Fy,cos8 +Fx sin6 )叶 (6+c)一 ·b-Mm 2usi ：一 o一譬c。 。

l 2=M一- 。e式中： _前车受到的空气阻力，N； 广前车绕其质心的转动惯量，kg·m ；，腿广 后车绕其质心的转动惯量，kg·m 。

另有17-Ol：暑 )：)F
．
v-C= (3)FvHM=C H理HH= ~o．6l28G：一 “户一(0．0076+0．000056 x 3．6v)：一 户一(0．0076+0．000056×3．6v)式中：c0 、c 、 广前、中、后轴轮胎的侧偏刚度 ，N／rad；C -空气阻力系数；Af一客车的迎风面积，m。； 、 ，厂甫 、中轴的负荷， 动阻力系数。

在竖直方向上对前、后车体进行受力分析得三根轴的负荷分别为：F ~m
叶
lg b
一 焉，
F _ m~ ga m2g e( a+b+c) (4)F ——m
— — —
2
—
g—
d
— — zHH —
P+F 一一 F 一一 —
F
z r一 式中： 、m、'} }广一前、中、后轴的轮胎数目。

在小角度情况下有f7】：：Cal-~TIIt 丧C C Fnnss式中： 、 一比例系数；蹦 胎额定负荷，N。

各轴轮胎侧偏角分别为：? ，+嘉arctan ，一 )=arctan(ta 一蛊 )(5)(6)(7)为方便研究，令后车速度1／,恒定，fi-O，将式(3)代入式(1)与式(2)有：+ H+ cos8v+，孔l ( 1斗 1)sin／3I—ml vcosfll— 口 sj 一F=Om c0 ．= c0 + + sin8一 (8)m lisinfl1一ml l co 1一，埘I ，=( co + sin8) c t~Hb+F2(6+c)+m：“( )sinfl2一F=0m COsfl2=C~ ~HH-m u co (9)I ，：M—C WH oLHHe3铰接系统的传力模型铰接系统具有减小转弯半径增加客车机动性的作用，然而当客车转弯时，横向分力 加大了车体横摆，使得两车体在转弯过程中相对转动角度过大，易造成折叠碰撞。因此，铰接系统除要传递前后车体之间的相互作用力外，还要能够提供适当回转力矩来减缓两车体间的相对运动nq。

传统BRT客车通过液压系统提供阻尼力，阻尼力与到铰接系统竖轴中心的距离形成回转力矩，阻尼特性决定了液压系统不能提供实时合理的回转力矩?】。新型铰接系统在两侧液压臂上加装了压缩螺旋弹簧，转向过程中弹簧被压缩或拉伸，产生随两车体夹角变化而变化的回转力矩 ，如图2、图 3所示。

No．10Oct．201 3 机械设计与制造 165c E F G D图2铰接系统直线运动示意图Fig．2 Linear Motion Scheme of Articulation System图 3铰接系统转向运动示意图Fig．3 Steering Motion Scheme of Articulation System图中：lm客车直线行驶时液压臂长度，m；r—铰接系统的铰盘半径，m； 一客车直线行驶时液压臂与后横梁的夹角，rad；／ 、卜一客车转向时左、右液压臂长度，m；0 、 ，_客车转向时左、右液压臂与后横梁的夹角，rad。

根据图3所示三角关系得左右两侧液压臂与后横梁的夹角及其长度变化量分别为：有：：arctan L二、r+lcosO-rco8( l—中2)arcta !二 2：r+lcosO-rcos( l 2 J△Z．=Z△L=Z ：低 一(10)转矩 是弹簧和液压系统在铰接系统竖轴中心处所产生的转矩之和，于是有：(kA1．+c△f。)OM +(kAl,+CAi，)OM (11)式中：k，弹簧的刚度，N／m；c，液压系统的阻尼，N·s／m。

4铰接系统参数对BRT客车转向动态性能的影响以某18mBRT客车为对象，主要参数为：ml=14500kg，m2='13500kg，a=3．5m，b=2．5m，c=2．0in，d=3．7m，e=0．8rn，Co=0．64，Ax=6．99m2,cnl-一4．6126，C~=-0．5845，F,X =35000N，l=2．SxlO4kg’m ，，雎I-2．OxlO4kg‘m2,r=0．3m，／=1．0m，0=1．22tad，g=9．8m／s 。

转向盘角阶跃试验是评价车辆操纵稳定性的常用方法『】21，令u=8m／s，转向盘角阶跃输人为10。，客车前后车间极限夹角为50。。

4．1传统铰接系统参数对BRT客车转向动态性能的影响传统BRT客车的铰接系统没有预紧弹簧，即k=ON／m，令阻尼c分别取值 ：O、1．0x105,2．0xl05,3．0x105,4．OxlO N·s／m，铰接系统阻尼参数对 BRT客车转向动态性能的影响，如图4一图6所示。

t(s)图4前后车体夹角曲线Fig．4 Fmnt and Rear Cariages An e Cu~esX(n1)图5前车体质心轨迹Fig．5 Mass Center Curves of Front Carriage0 2 4 6 8 10 12t(s)～ c：ON-s／m —— ——C=1．0x10 N-s／m． ． ． ． ． ． C=2．0x105N—s／m ．一 -C=3．0x105N—s／m- -—-—-- -一 C=4 0xl0 N—s／m图6中轴轮胎侧偏角Fig．6 Medial Axle Sideslip由图4～图6可看出客车进入圆周运动后各评价响应参量均存在较大程度的波动，无论阻尼参数如何取值，前后车体最终会折叠到极限角度而引发碰撞；折叠碰撞使前后车产生横摆振动，客车的圆周运动状态不稳定；中轴轮胎的侧偏角达到侧偏极限，出现中轴被推出的侧滑现象。

4．2新型铰接系统参数对BRT客车转向动态性能的影响令液压系统阻尼 C=3．0xl0 N·s／m保持不变，弹簧刚度 k依次取值 0、8．0xl04、1．6x105,2．4xlO5,3．2x10 N／m。

5 O m166 机械设计与制造No．100ct．2013图7前后车体夹角Fig．7 Front and Rear Carriages Angle Curves(I1)图8前车质心轨迹Fig．8 Mass Center Curves of Front Carriage5O- 5一 lO‘.

=：1： j c.

一 I l '
l’_ l- f {●￡(s)— — k=ON／m —— —— k=8
．
0×104N／m? ? ． k=1 6x1O ? ．．k=2．4x105N／m— k=3．2~1o5N／m图9中轴轮胎侧偏角Fig．9 Medial Axle Sideslip由图7～图9可得铰接系统在具有适当阻尼的前提下，随着预紧弹簧刚度的增加，前后车夹角的波动量逐渐减小 ，当刚度达到一定值时，夹角平滑过渡到常数值并保持不变，两车体间无接触碰撞 ；具有适当刚度弹簧的铰接系统缓解了前车的不规则运动，横摆振动和中轴侧滑现象消失，客车圆周运动状态趋于稳定，整车具有较好的操纵稳定性。

4．3仿真结论比较与分析由传统铰接系统参数的仿真响应可知：铰接系统依靠单纯的阻尼作用不能满足车辆稳定转向的要求，阻尼特性决定了系统无法建立起连续稳定的阻尼力矩，两车体最终会折叠碰撞导致客车运动状态不稳定；车体横摆振动严重，折叠碰撞致使中轴出现侧偏现象，整车操纵稳定性较差。系统具有一定阻尼且增加适当刚度的预紧弹簧后，两车夹角随车体运动自适应调节达到稳定，前后车体无碰撞，消除了车体横摆振动和中轴轮胎侧滑现象，增强了BRT客车的操纵稳定性。另外，当系统出现故障时，预紧弹簧可辅助液压系统提供必要的回转力矩，缓冲了因车体相对运动过快造成的折叠碰撞，增加了铰接系统的可靠性。

5结束语(1)针对传统 BRT客车前后车体易发生折叠碰撞现象，改进了铰接系统 ，建立了 BRT客车转向运动的非线性动力学模型和铰接系统传力模型。(2)基于变参数动态仿真讨论了铰接系统阻尼和刚度参数对BRT客车转向动态性能的影响，并分析了中轴出现侧滑现象的原因。(3)经改进设计的新型铰接系统可有效克服前后车体产生折叠碰撞、横摆振动与中轴侧滑，提升了 BRT客车的操纵稳定性，对实际工程有一定的理论及指导意义。

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