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摘 要

本课题主要研究汽车拖车组合系统（Car-trailer Combinations, CTC）中铰接装置的力学特性，试图揭示不同的铰接装置建模方式对拖挂车组合系统系统动力学特性的影响。一般在对拖挂车组合系统系统进行分析时，牵引车与拖车的关联耦合仅体现在铰接点侧向力上，未包含实际铰接处的耦合关系，通过对拖挂车组合系统系统中铰接装置进行理论建模，并将该模型加入到拖挂车组合系统系统动力学模型中，讨论不同的铰接装置的建模方式对拖挂车组合系统系统动力学特性造成的影响。

关键词：汽车拖车组合系统，铰接点，动态稳定性

Abstract: This paper mainly studies the mechanical characteristics of articulated devices in Car-trailer Combinations (CTC), trying to reveal the effects of different articulated device modeling methods on the dynamic characteristics of the trailer combined system. Generally, when analyzing the tractor-trailer combination system, the correlation coupling between tractor and trailer is only reflected in the lateral force of articulation point, which does not include the coupling relationship of actual articulation. Through theoretical modeling of articulation device in the tractor-trailer combination system, the model is added to the dynamic model of the tractor-trailer combination system, and the modeling of different articulation device is discussed. The influence of the mode on the dynamic characteristics of the combined system of car and trailer.

Key words：Car-trailer Combinations (CTC), hitch, Dynamic Stability

目 录

摘要

摘要

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2研究现状 1

1.2.1国外拖挂式车辆及其铰接点研究现状 1

1.2.2国内拖挂式车辆及其铰接点研究现状 2

1.2.3研究现状小结 2

1.3拖挂式房车铰接点的分类及差异 3

1.3.1挂车的分类 3

1.3.2铰接装置的分类 3

1.4铰接点对拖挂式车辆稳定性的影响 4

1.5本文的主要研究内容 4

第二章 方案设计 5

2.1拖挂式房车铰接点的选型 5

2.2建立三维模型并进行静力学分析 5

2.2.1球铰连接器建模 5

2.2.2 静力学分析 5

2.3建立理想化模型 8

2.4相关公式的推导 9

2.5Matlab/Simulink建模 12

2.5.1铰接点模型Simulink建模 12

2.5.2拖挂式房车与铰接点联合模型 13

第三章 Simulink动态仿真 15

3.1临界速度实验 15

3.1.1实验内容 15

3.1.2试验条件及方法 15

3.1.3仿真试验结果及处理 16

3.1.4结论 19

3.2可变阻尼实验 19

3.2.1实验内容 19

3.2.2参数设置与结果分析 19

3.3本章小结 20

结论 21

参考文献 22

致谢 23

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

汽车拖车组合系统（Car-trailer Combinations，简称CTC），由牵引车和拖车组合而成，它们通过铰接装置进行连接，包括以旅游和娱乐为主的拖挂式房车和以运输为主的拖挂式卡车。根据挂车类型的不同，铰接点可分为多种类型。铰接式车辆在运动时由牵引车提供动力和转向。拖车上的所有车轮都完全从动且不具备转向装置，但是具有可与前车联动的刹车装置。铰接式车辆的运动是拖车和牵引车两部分运动的耦合，因此同一般的乘用车相比，铰接式车辆的运动更为复杂，往往更容易发生失稳现象（包括侧向摆振和侧翻）。铰接式车辆的翻车事故特别危险，比其他事故造成的损害更大。因此对铰接式车辆的运动进行研究，并对其运动进行合理的物理和数学建模以找出影响铰接式车辆运动稳定性的因素，无论从科研还是维护交通安全的角度出发都具有重要的意义。

1.2研究现状

1.2.1国外拖挂式车辆及其铰接点研究现状

目前国外研究中所建立有关拖挂车组合系统的物理数学模型多是在研究拖挂车组合系统的侧向稳定性、转向稳定性等运动特性时所提出的，并且这些模型多是基于经典的线性二自由度或者三自由度模型的基础上结合拖挂车组合系统的结构通过合理的外推而建立。比如文献[1]中德国的Fisher教授对拖挂式房车的动态稳定性进行了研究，拖车类型为中置轴，铰接点为球铰连接器，在其研究过程中引入了铰接点的侧偏阻尼，对研究铰接点模型提供了一定的参考价值。文献[2]中Hübner同样对中置轴拖车进行了类似研究，文献[5]中Reimpel在其拖车稳定性的研究中也针对相似的拖车模型，使用牛顿-欧拉方程得到了拖车系统的横摆运动方程，并且讨论了不同类型的铰接点联结形式对拖车系统稳定性的影响。以及文献[6]中Karnopp在其关于车辆稳定性研究的著作中，对半挂式汽车拖车组合系统中拖车模型的建立做了一定的研究，其中对于围绕铰接点中心做摆振行为的拖车摆振，在不考虑牵引车动力学方程的情况下，针对与牵引车前进方向之间存在铰接角的拖车，考虑不同的铰接点数学模型，分别建立了单自由度和三自由度两组拖车模型，并采用拉格朗日方法建立了完整的拖车摆动方程，在此基础上研究了拖车系统的临界速度。但是综合来看，目前国外研究中对于铰接点的动力学分析一般仅引入一到两个自由度，尚无可以作为描述汽车拖车组合系统系统铰接点的一般物理模型，因此基本可以确定目前若要对拖挂车组合系统系统的铰接点做理论研究，需要在确定具体研究方向的基础上合理的选择或建立合适的物理数学模型。

1.2.2国内拖挂式车辆及其铰接点研究现状

从文献查阅结果来看，国内对拖挂车组合系统系统动态稳定性的研究还相对国外起步较晚，但在一些高等院校近年来也开展了对拖挂车组合系统系统相关的研究。其中，部分学者也注意到了铰接装置自身的动力学特性。例如文献[10]中刘宏飞对于半挂车辆的侧向稳定性进行了研究，在其研究中针对车体横摆角速度、车轮侧向力等主要参数建立了汽-拖车组合系统横向单轨双质心模型并引入了铰接点（鞍座）的侧偏阻尼，总结了系统稳定性与铰接点阻尼的关系并提出了增加半挂车辆中鞍座的阻尼可以有效降低系统横摆振幅和摆振频率进而提高系统的横向稳定性这一理论。在他的另一篇文献[11]中给出了对半挂车辆鞍座模型的具体建模过程，虽然仅有一个自由度且铰接点类型也比较特殊，但是依然为本课题提供了很好的参考。除此以外，国内对于简化的铰接点车辆模型已经有了非常详实的研究，例如张宁博士及其团队在文献[13]中对于车辆摆振做了系统的研究，基于简化铰接点的车辆模型进行了系统的建模（包含单轨模型和），为铰接点理论模型的仿真提供了载体。类似的研究还有文献中张立军等应用MATLAB/Simulink对三自由度汽车拖车组合系统模型采用了模糊PID控制研究，对汽车拖车组合系统系统稳定性的研究取得了一定的成果。还有的团队完全不考虑铰接点的约束，例如文献中包继华等分别利用牛顿定律和拉格朗日方法建立车辆系统的平动和横摆微分方程，并通过仿真测试了不同车速下的横摆角速度瞬态响应以及相对横摆角响应特性，值得一提的是模型建立过程之中不考虑车辆之间的约束力，有效降低了汽车拖车组合系统模型建立的难度。

1.2.3研究现状小结

从文献调研结果来看，国内外对汽车拖车组合系统的研究目前已经比较普遍，特别是国外学者在对于拖挂车组合系统系统的研究过程中开发了大量用于描述拖挂车组合系统系统的物理数学模型以及计算机仿真模型，并且在对拖挂车组合系统动态稳定性的影响因素做了大量研究之后提出了丰富的用于改善拖挂车组合系统系统稳定性的控制方法和控制策略。然而目前的研究中大多是将铰接点等效为纯刚性的连接点，或是仅引入一到两个自由度的刚度和阻尼因素，对铰接点本身的动力学分析的研究进展依旧相对缓慢，没有一个普适的多自由度铰接点理论模型。但是基于国内外的研究现状来看，无论是铰接点的刚度还是阻尼都可以在已有的系统运动模型的基础上加以数学和物理分析推导得出合理的定量方程，并且结合已有的理论和计算机仿真分析判定所得到的方程的可行性，并据此建立普适的铰接点理论模型，在此基础之上进一步探讨铰接点的动力学参数对于汽车拖车组合系统动力学响应的影响。因此所开展的课题是具有可行性和研究意义的。

1.3拖挂式房车铰接点的分类及差异

铰接装置作为汽车拖车组合系统的核心，是汽车拖车组合系统中传递前车后车之间牵引力的唯一途径。因此铰接装置视车辆类型的不同有不同的结构，其自由度以及对应的动力学特性也不尽相同。在经过充分且详尽的市场调研后，此处总结了大多数类型的铰接装置的特性，并以此作为研究过程中的选型依据。

1.3.1挂车的分类

铰接装置的类型与挂车相关，因此在研究铰接装置之前，本文将先对挂车做出分类。就市场调研的结果来看，根据车轴的数量及其分布，目前市面上的挂车基本可以分为三类：半挂车，全挂车，以及中置轴挂车。半挂车的车轴（不论数量）集中在车厢后部，因此自身无法独立承担载荷，需要前车分担载荷。

全挂车至少有两个车轴，分布于车厢前后，可以自主承担载荷。

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