当大件货物的质量、尺寸很大时.承载挂车的轴数通常很多,有时还要采用横拼挂车、长货挂车、桥式挂车等特殊车组形式,车组很长、很宽。这时对运输所通行的道路条件要求较高:对于弯道需要更大的道路平曲线半径,对于道路不平则需要更大的竖曲线半径或较小的路面平面度。大件运输经常要进出工厂、工地、码头、装载区等,有时还要通过山区、临时路面和滚装船跳板,急弯和道路不平对大件运输车辆来说,通过能力的矛盾非常突出。因此,对于运输超 重超大货物,当挂车轴数较多或采用特殊车型时,在运输前都要进行道路勘查,确定途经道路的弯道、竖曲线通过能力。如果经勘查不能通过,则障碍通常是由路面或路基、建筑物、电力设施、树木、山崖等构成,进行改造或拆除需要大量的协调,花费大量的资金和时间。这就需要对通过能力的判断尽可能精确,在确保运输通畅的条件下避免大量不合理浪费。


大件运输挂车经过拼接与组合,尺寸变化较大,很难通过运输经验的积累对所有条件下的通过能力做出判断,常常需要根据大件车辆的转向原理进行几何作图和计算,或进行现场放样等方法解决,现在也有通过计算机转弯动态模拟的方法解决。


通过能力的校核是汽车的最小转弯半径应小于道路的弯道半径(道路外缘圆弧半径),道路的通道宽度 要大于汽车转弯半径等于道路弯道半径时汽车的通道宽度。


但实际上我们遇到的弯道常常不是标准的圆弧弯道,车轮转向角也并非瞬间转至合适的角度同定不动地转弯,因此,采用转弯半径和通道宽度进行校核的方法仅仅是理论上的描述,有很大的局限性。对于大件运输来说,很难采用此方法进行判断。为此,需要对车辆转弯过程的规律进行更深人的研究,建立可应对不同弯道形式且较为精确的大件车辆通过能力判断方法。


一、车辆转弯动态过程


车辆转弯时的一般情况是驾驶员先根据弯道选定一个预想的路线,然后操作车辆前外轮沿预想的路线行驶,使车辆顺利通过弯道对车辆转弯动态过程的研究就是当车辆前外轮沿一预想的曲线行驶时,如何确定车辆上各点的轨迹。为此,需要建立车辆转弯时的运动方程。


假设所研究的车辆在转弯过程中遵循定点转向原理,即在各转向瞬间各车轮均沿同一瞬时转向中心作纯滚动,各车轮的运动轨迹为一光滑连续曲线;同时忽略在转弯离心力作用下轮胎变形和侧向滑移对运动轨迹的影响。


通过对车辆前外轮从直行状态进人圆弧曲线、再由圆弧曲线进人直行状态的分析可以看出,车辆驶过一个圆弧弯道一般存在三个转向阶段。


(1) 渐进转向阶段,即车轮转向角不断加大、车辆的转弯半径不断减小,直到车辆的转弯半径等于圆弧曲线半径为止。

(2) 稳定转向阶段,即车轮转向角、转弯半径保持不变,车辆上各点均绕同一定点进行旋转,直到圆弧曲线结束。

(3) 渐离转向阶段,即车辆前外轮开始沿直线行驶,车辆的转向半径不断加大,直到车辆完全变为直行为止。


但是当圆弧曲线较短,在渐进转向阶段车辆的转弯半径尚未减小到圆弧曲线半径时曲线已经结束,这时将没有稳定转向阶段。


稳定转向阶段车辆转弯半径最小,因此所需通道宽度最大。如果整个弯道满足了车辆稳定转向状态下转弯半径与通道宽度的要求,则渐进和渐离转向阶段已经满足。


以上汽车转弯的微分研究为我们建立了转弯过程的动态概念,也为我们后面建立便于应用的弯道通过能力校核方法鉴定了基础。


二、圆弧弯道通过能力


由前面分析可知,当圆弧弯道较长时,车辆存在稳定转向状态;以稳定转向状态下车辆的转弯半径和通道宽度来校核弯道的通过能力可以满足时,则对于不存在稳定转向状态的情况依然满足;稳定转向状态下车体绕一固定点即圆弧曲线圆心转动。因此,稳定转向状态是校核 弯道通过能力的简单方法,当圆弧道路弧线很长(山区回头弯)或进行大致判断时可以采用。


1. 自走式挂车

当挂车的闭锁轴(非转向轴)位于挂车纵中时,是第一轴线或最后一轴线外侧车轮最外缘的圆弧轨迹半径,挂车的转弯半径应大于挂车在最大转向角情况下的最小转弯半径可由挂车在极限转向状态下的最大车轮转向角求得。最大车轮转向角—般是第一轴或最后一轴内侧车轮的极限转角,由挂车的结构决定。


必要时可调整前外轮的圆弧轨 迹曲线在弯道路面上的位置和半径,重新校核。


2. 鵝颈式半挂车

在稳定转向状态下,对于鹅颈式半挂车组,首先牵引车上的各点均以圆弧轨迹转动,牵 引车上的鞍座主销(也称牵引车第五轮)同样按圆弧轨迹转动,根据车辆转弯的运动方程式 (6-5),挂车各点也会与主销一起以圆弧轨迹转动,即半挂车组为一个固定的转向中心。

 

3. 牵引式全挂车组

与半挂车的转向原理相同,在稳定转向状态下,牵引式全挂车组的牵引车、牵引杆、挂车均会绕同一固定的转向中心转动。


全挂车组有两种转向方式:一种是由牵引车带动牵引杆驱动挂车转向;另一种是挂车由人工独立操控液压转向油缸转向。针对不同的转向方式,稳定转向状态下挂车的转向参数不同。


对于由牵引杆驱动挂车转向的方式,为了使转弯时不损失牵引力,一般挂车结构上设计成牵引杆的方向就是挂车牵引座枢轴处在转弯时的速度方向。根据此特点,即可确定全挂车组在稳定转向状态下各部的相对位置和转向参数。


4. 长货车组及桥式车组

长货车组一般通过货物将牵引车的牵引力向后挂车传递,转弯时对后挂车的牵引力为货物纵轴方向的传递力在挂车纵轴线方向的分力,为了保证后挂车有足够的牵引力,后挂车的转盘夹角—般限制其不大于45°。另外,长货挂车的前后挂车一般均可以独立操作转向。


三、直交弯道通过能力


把两条直线道路相交形成的弯道称为直线相交弯道,简称直交弯道。其特点是弯道外侧边缘均为直线。弯道参数主要有:人口宽度妒,、出口宽度%、内圆角半径r和道路夹角常见的十字路口、丁字路口便是p =90°的直角弯道特例,常被称作直角弯道。公路交叉口常见此类弯道,是常见影响车辆通行的弯道。


通过研究直交弯道通过能力,既可以寻求该类弯道精确且方便的校核方法,还可以了解在转弯过程中如何确定挂车最佳的行驶轨迹。研究的方法就是在已知弯道的入口宽度、内圆角半径和道路夹角的情况下,当挂车以最佳转向方式转向时,如何求解所需的最小出口

宽度。


先考虑仅挂车转弯时的情况,再考虑牵引车对转弯的影响。


对挂车来说,根据入口宽度的不同,转弯过程可分为人口存在临界位置、出口存在临界位置、人口和出口均不存在临界位置三种状态,。


1. 入口存在临界位置

入口存在临界位置的转弯过程可分为以下四个阶段:

(1) 挂车可以多种转向方式由直行进人闭锁轴内侧与弯道内圆弧相切,后外轮与弯道外沿相切位置,称为临界位置。

(2) 后外轮沿路外沿行驶至车轮达到极限转角状态位置。

(3) 车轮保持极限转角状态不变行驶至前外轮与出口路线平行位置。

(4) 可以多种转向方式完全进入出口路线。


2. 出口存在临界位置

当人口宽度很宽时,所需的出口宽度就会减小,这时,常常会在出口处出现与前述入口临界位置相似的出口临界位置。根据挂车运动轨迹的可逆性,这时可将弯道出口与人口对调,利用前述的各公式进行计算,计算得出的出口宽度为实际所需的入口宽度。


3. 出口、入口均不存在临界位置

出口、人口均不存在临界位置的转弯过程可分为以下三个阶段:

(1) 挂车可以多种转向方式由直行进入到人口的一个适当位置,在该位置车轮达到极限 转角,而且后外轮轨迹线与弯道外沿//P线相切。

(2) 车轮保持极限转角状态不变转弯至前外轮与出口路线平行,其内轨迹曲线正好与弯 道内圆弧相切。

(3) 可以多种转向方式完全进人出口路线。


4. 牵引车对转弯的影响

对于牵引式全挂车组,在通过直交弯道时虽然挂车可以独立操作转向,但是受牵引杆极限转角的影响,有时牵引车外轮会在挂车轨迹线以外,因此,道路出口宽度需在以挂车计算的基础上再加宽一定的量。由于在直交弯道外侧有充足的空间可供牵引车倒车和摆正位置,因此,在出口处牵引车可实现与出口路线平行行驶。


四、弯道参数的测量


在进行上述圆弧弯道和直交弯道通过能力的校核时,需要弯道的参数值,这必须通过对弯道的测量来取得5但是有些弯道参数难以直接量取,比如圆弧弯道曲线半径和弯道夹角,对此,可采用以下间接测量方法获得。


1.圆弧弯道的内圆弧、外圆弧曲线半径

圆弧弯道常见山区的回头弯,弯道路面外侧多是凸出的山体或深凹的沟壑,测量只能在路面上进行。测量方法在弯道的外圆弧上任意选取一段曲线,测量该曲线段的弦长/和弦高。


2.直交弯道的道路夹角和内圆角半径在直交弯道中,较为常见的是道路夹角为90°的直角弯道,直观上较容易判定。当道路夹角小于或大于90°时,则需要通过测量来确定夹角。当现场测量没有经纬仪等直接量取路线夹角的仪器时,可采用直尺通过间接测量方法取得。


五、弯道通过能力的微分作图法


根据前面汽车转向运动微分方程的推导过程,在汽车转弯过程中,当前外轮位移很小时,闭锁轴车轮位移后的位置可以用轨迹曲线切线上的点近似代替,由此可采用近似作图法,确定大件车组沿一任意曲线行驶时各点的轨迹。当公路弯道形状复杂,车组前外轮行驶的曲线为非圆弧曲线,或由多个相切的不同半径的圆弧曲线构成时,该方法可近似确定出车组各点连续的运动轨迹。


六、弯道通过能力的CAD作图法


有时,弯道情况复杂,弯道外侧、内侧曲线不是光滑连续曲线,或弯道由多个不同方向的弯道组合而成,采用前述的圆弧弯道和直交弯道校核方法难以较为精确地判断通过能力,而采用上述的微分作图法又比较烦琐。这里介绍一种CAD作图法,借助CAD工程绘图工具 可较为方便的解决复杂弯道的通过能力校核问题。但该方法仅适用于自走式挂车和轴数较多的可独立控制转向的平板挂车(牵引车的转弯轨迹可控制在挂车的轨迹界线之内),超大件运输时基本满足此条件。该方法直观、快速和便于交流。


1. 作图法对转向原理的简化

作图法对挂车转向原理一个重要的简化是将驾驶员操控车轮逐渐连续的转向过程简化为阶梯式的转向过程,即或者车轮转角固定不动,或者瞬间转向到一定的角度。液压独立悬架的平板挂车在行驶速度大于一定时,较大幅度地变化车轮转向角,转向系统所承受的转向阻力并不很大。


2. 作图法描述

以弯道内侧只有一个圆角或直角来描述作图的基本方法。作为简化,以挂车车体前、后最外端轨迹取代车轮轨迹。


当挂车通过一个弯道时,特别是弯道较为宽裕的情况下,驾驶员可以采用多种不同的轨迹方式通过弯道,本作图法以极限通过能力来确定轨迹。


3. 复杂弯道作图法

1) 弯道内侧有两个角

当弯道内侧有两个角(圆角或直角)时,可将挂车块分别在内侧的两个角上旋转以寻求临界位置。如果仅其中一个角出现临界位置,则以该位置作为初始位置进行作图即可。如果在两个角上都出现临界位置,则可分别以两个临界位置作为初始位置作图求出轨迹,当其中一个可以通过则弯道可以通过。

2) “S”形弯道

把两个转动方向相反的弯道连接在一起称为“ S”形弯道。

当挂车通过“S”形弯道时,由于挂车的瞬时转向中心始终在闭锁轴上,且内侧最小转弯半径>〇,因此挂车闭锁轴上M点的轨迹应是一条连续光滑的曲线。采用近似作图法,M点轨迹则是一条圆弧和直线或圆弧和圆弧相切并连续的曲线。根据该原理,可确定“S”形弯道作图法:


4. 存在货物扫空时的作图法

当货物探出挂车车体,转弯时探出部分将产生扫空轨迹,挂车转弯时除了要满足车轮轨迹不超出道路边界外,还要满足扫空轨迹内没有超高的扫空障碍。在确定挂车的初始位置时,由于弯道内侧有扫空障碍(墙),则应使挂车闭锁轴上的货物内侧点与扫空障碍(墙)相切,并以^点旋转 挂车块至货物与弯道外侧的电线杆相触为止;在下一步作图过程中,挂车的平移和旋转既要考虑挂车车轮不超出道路边界,还要考虑货物不与扫空障碍干涉(如图中的电线杆),作图法仍然是以挂车始终试图以最大转向角转动为原则。图中的作图过程先将挂车连同货物由位置平移到八位置,再以士(最大转向角对应的转向中心)为基点,将挂车旋转到立置3经过作图,可得出挂车的车轮轨迹如虚线所示,扫空曲线如点画线所示。

以上是根据挂车的转向原理,并将车轮转角的逐渐变化简化为瞬时变化后的CAD作图法。采用该作图的基本方法,也可作出长货、桥式等组合挂车的转弯轨迹,这里不再赘述。当然,也有各种不同的作图法来求解挂车的转弯轨迹,只要所求出的轨迹可以获得弯道的极限通过能力即可。



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