车辆辅助过弯系统研究

车辆辅助过弯系统研究

王闯 周洁

中车南京浦镇车辆有限公司，211800，南京

要 车辆过弯能力是衡量车辆性能的重要指标，也是车辆控制的重点和难点。车辆辅助过弯系统，可动态跟踪车辆过曲线工况，实时匹配车辆速度，给出优化过弯方案，辅助车辆安全舒适的通过弯道。

关键词 辅助过弯系统 辅助控制 底架 速度匹配

在过弯道过程中，车辆仅利用车轮与路面的摩擦力来提供向心力，限制其过弯速度。虽然部分线路在小曲线段，路面设计一侧超高，可以提供部分向心力，但是无法做到与车辆速度相匹配。特别是特种无轨车辆，在人工驾驶模式下，驾驶员对弯道曲率、车辆参数及天气引起的路面粘着变化等无法综合判断，难以选择恰当的过弯速度，从而易诱发车辆侧翻、侧滑等事故。此外，车辆自动驾驶的需求在不断增加，车辆在过弯时自匹配以较高速平稳、舒适、安全的通过弯道的需求越来越迫切。基于轨道交通领域摆式列车原理，可在车辆进入弯道时，强制车体向曲线内自身倾斜一定角度，以加大重力横向分量来抵消全部或部分离心加速度。为此，本文对车辆辅助过弯系统组成及控制系统进行分析。

1车辆过弯分析

车辆过曲线时的受力如图1所示。车辆通过曲线时，通常乘客可承受0.05g横向加速度而不会感到不适。因此，常规车辆在不考虑侧滑和侧翻下，允许最大通过速度为：

式中：

——车辆允许过弯速度（）；

——重力加速度（）；

——过弯半径（）；

——车辆轮对间隙（）；

——线路超高高度（）；

——乘客承受超高高度（）。

其中，线路超高高度为线路超高角度ɑ的换算。乘客承受超高高度为乘客所承受加速度的换算。

图1 车辆过曲线时的受力示意图

设置有辅助过弯系统的车辆，会在车辆过弯时附加一个车辆自身倾角。车辆自身倾角带来更大超高量，加大重力的横向分力，平衡更大的离心加速度。

此时，车辆在不考虑侧滑和侧翻下允许最大通过速度为：

式中：

——车辆自身倾斜高度（）。

乘客所承受的离心加速度为：

乘客所承受的离心加速度越大，舒适性越低。因此，车辆自身向曲线内倾斜一定角度可在提升通过速度的同时增加乘客舒适度。

2辅助过弯系统组成

车辆辅助过弯系统包括车辆高度调整模块、辅助过弯检测模块及辅助过弯控制模块，如图2所示。

图2 车辆辅助过弯系统组成

车辆高度调整模块用于检测车辆底架两侧与车轮构架的间距，并控制车辆底架两侧相对于车轮构架的升降。高度调整模块包括高度控制单元和高度执行单元。高度控制单元用于检测车辆底架与车轮构架的距离，并反馈至辅助过弯控制系统。高度执行单元可为空气弹簧、液压缸、私服电机及电磁系统等，用于驱动车辆底架的相对倾斜。同时，高度控制单元也是控制进入高度执行单元介质的开关，即当需要倾斜车辆时，驱动车辆外侧执行单元进行抬升，释放内侧执行单元进行下降。此外，在非曲线路段，车辆高度调整模块也起到控制车辆保持水平状态，过滤路面颠簸干扰，提升乘坐舒适性的作用。

辅助过弯检测模块用于为辅助过弯控制提供必要信息，包括倾角检测单元、速度检测单元、载荷检测单元、转角检测单元、路线检测单元、路况检测单元。

倾角检测单元用于提供车辆底架相对于水平面的倾角信息，该倾角为线路超高导致的车辆倾斜与车辆自身主动倾斜之和。倾角检测单元一是为车辆进入曲线前提供初始数据，判断车辆是否需要主动补充对应过弯速度下所需求的倾斜角度；一是为车辆倾角闭环控制提供反馈信号。

速度检测单元用于提供车辆过弯速度信息，进行过弯倾角需求计算。载荷检测单元用于提供车辆载荷信息，一般通过采取压力传感器信号换算得到整车载荷。转角检测单元用于提供车辆进入曲线的起点、终点及车辆转角信息。此外，设置有信号控制系统的线路，车辆速度、过弯起点、终点及车辆转角信息也可由信号系统提供给车辆。

辅助过弯检测系统的路线检测单元由光感传感器或其它传感器，或多种传感器组合构成，用于检测车轮与轨面或车轮与路面的工况，提供基于经验值的计算用粘着信息。路况检测单元，用于提供车辆可用的线路最大及最小过弯半径。该半径与线路条件及实时车流量有关。

辅助过弯控制模块用于处理来自辅助过弯检测模块的信息，计算车辆过弯所需倾角，控制高度调整模块调整车辆补偿倾角。此外，当车辆无法满足过弯条件时，辅助过弯控制模块也向车辆警示系统及控制系统输出相关信息。

3辅助过弯系统控制

车辆辅助过弯系统控制过程如图3所示。

1）信息输入：辅助过弯检测模块或信号系统将车辆过弯所需信息传输至辅助过弯控制模块。该信息包括倾角信息、速度信息、载荷信息、转角信息、路线信息和路况信息。

2）过弯计算：辅助过弯控制模块根据输入信息进行过弯计算，初步给出车辆过弯时所需车辆倾角。

3）验证最大倾角：辅助过弯控制模块验证初步计算倾角与最大倾角关系。最大倾角与车辆重心、乘客耐受度有关，防止车辆过弯失稳和乘客舒适度降低。若初步计算倾角小于等于设定的最大倾角，则输出至车辆高度调整机构；若大于设定的最大倾角，自动驾驶车辆可根据路况选择进行车辆限速或增加车辆过弯半径后重新进行过弯计算。人工驾驶车辆可选择输出声音或灯光警示信号至驾驶室，提醒司机调整过弯策略。

4）倾角调整：根据辅助过弯控制系统指令，车辆高度调整机构对车辆底架倾角进行调整。

5）当车辆过弯条件满足后，车辆以匹配速度及过弯半径通过曲线路段。

图3 车辆辅助过弯系统控制流程图

4结论

辅助过弯系统能够动态跟踪车辆过弯工况，给出适应车辆速度及路况的过弯方案，使车辆以较高速度安全舒适的通过曲线路段。虽然目前辅助过弯系统尚未成熟，但相信随着驾驶控制系统的发展，将得到更广泛的应用，为人们带来更加安全、舒适和高效的体验。

参考文献

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