彎坡路面的車路耦合仿真分析

趙書美，鄭易楠，曹源文，魏 冬

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074;2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096;3.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶 400074)

彎坡路面的車路耦合仿真分析

趙書美1，鄭易楠2，曹源文3，魏 冬3

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074;2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096;3.重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶 400074)

車輛與道路相互作用的研究不僅只考慮路面不平整度對車輛動載荷的影響，而且應考慮行駛工況對車輛動荷載的影響。針對車-路耦合作用的特點，運用ADAMS/Car動力學仿真軟件，建立了重型卡車的多自由度仿真模型和3D彎坡路面模型，通過分析彎坡路面和平直路面下車輛對路面的動載荷作用。表明，彎坡路面的疲勞破壞程度比平直路面的大。

路面不平度;彎坡路面;動荷載;耦合振動

汽車行駛在不平整的路面上，車輪對路面會產生附加的動荷載，即關于靜荷載的波動，這種動荷載將加速路面平整度的衰減。而路面平整度的變差又將使車輪對路面產生的附加動荷載增大，這就是路面平整度與汽車動荷載之間的耦合作用［1］。山區(qū)高速公路由于地形復雜，不同形式的平縱組合所形成的彎坡，是山區(qū)高速公路線形中常見的組成部分，也是道路破壞比較嚴重的部分［2］。應用多體動力學建模研究車輛對路面的動載荷作用是十分必要的。

1 重型卡車仿真模型的建立

筆者選擇東風EG1168G1作為研究重型車輛對路面的作用荷載［3］。東風EG1168G1的主要技術參數(shù)如表1。

應用ADAMS/car建立的簡化汽車模型主要由前/后懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、前/后輪胎、車身6個子系統(tǒng)組成［4］，如圖1。

表1 卡車主要技術參數(shù)及配置Tab.1 Main technical parameters of truck

2 彎坡路面模型的建立

文中的仿真道路選取成渝高速右線K64—K67路段，采用MQ插值方法［5］，應用重慶交通大學開發(fā)的路面譜文件生成軟件(具體流程見圖2)編制路面譜文件。在ADAMS/Car中進行仿真分析時，將路面譜文件導入系統(tǒng)生成的彎坡路面模型［6］，如圖3。

該路段的平曲線、豎曲線數(shù)據(jù)如表2和表3。

表2 成渝右線平曲線數(shù)據(jù)Tab.2 Horizontal curve data

表3 成渝右線豎曲線數(shù)據(jù)Tab.3 Vertical curve data

3 車—路耦合仿真分析

3.1 彎坡路面下的車輪動荷載分析

當車輛以80 km/h的速度通過該彎坡路段時，車輪的動荷載隨時間的變化規(guī)律，如圖4。

汽車通過K64—K67路段的作用時間約是2～156 s，前1 s是汽車動平衡調節(jié)的過程。下面以汽車經過的前2個彎坡為例進行分析，由圖4可以看出。

1)汽車由下坡道行駛變?yōu)樽筠D彎道行駛，再轉為下坡行駛后又是右轉彎道行駛的過程中，汽車前、后左車輪的動荷載在左轉彎道處先減小后增大，在右轉彎道處先增大后減小;而前、后右車輪的動荷載正好相反。

2)汽車在坡道上行駛時，左、右前車輪的動荷載變化趨勢基本相同，大小也相差不是很大，如圖4(a);左、右后車輪的動荷載也一樣，如圖4(b)。

3)汽車進入左轉彎道后，前、后左車輪的動荷載迅速減小，前后右車輪的動荷載迅速增大;進入右轉彎道后，前、后左車輪的動荷載迅速增大，前后右車輪的動荷載迅速減小。

3.2 彎坡路面與平直路面的車輪動荷載分析對比

路面平整度是路面使用性能評價的重要指標之一［7］。以往的車路相互作用分析僅是考慮路面不平度因素進行仿真研究，其中不平整路面常用正弦函數(shù)表征［8］?；诠P者建立的重型卡車模型，正弦函數(shù)作為激勵輸入進行車速為80 km/h的車路耦合仿真，得到的平直路面下的車輪動荷載如圖5。

彎坡路面的車輪荷載分析除了考慮縱向路面不平度因素外，還結合了行駛路況因素，對2種不同路面下的車輪荷載進行分析可以得出:

1)對比圖4(a)和圖5(a)可以看到，汽車在平直路面上行駛時，兩前車輪的動荷載變化趨勢相同，大小也基本相等;而汽車在彎坡路面上行駛時，左、右前車輪的動荷載變化趨勢相反，大小相差很大。這與汽車所受的離心力直接相關。

圖5 平直路面下車輪動荷載分析Fig.5 Dynamic load analysis on straight road

2)對比圖4(b)和圖5(b)可以看到，汽車在平直路面上行駛時，兩后車輪的動荷載變化趨勢相同，大小也基本相等;而汽車在彎坡路面上行駛時，左、右后車輪的動荷載變化趨勢相反，大小相差很大。其主要因素是離心力。

3)對比圖4和圖5可知，汽車在平直路面上行駛時，前后車輪的動荷載變化比較平緩;汽車在彎坡路面上行駛時，前、后車輪的動荷載有時會突然增大，有時會突然減小。

4 結論

1)利用ADAMS/Car建立了429自由度整車動力學模型和彎坡路面模型。模型的建立為更加精確的進行車路耦合作用計算提供可能，較準確的模擬出車輛在彎坡路面激勵下產生的動荷載作用值。

2)分別對平直路面和彎坡路面下的車輪動荷載進行了分析。汽車直線行駛時沒有離心力的作用，兩前(后)輪的動荷載基本相等;汽車在彎坡路面上行駛時，由于離心力的作用，有使汽車繞兩外輪(右前輪、右后輪)觸地點連線側翻的趨勢，為了平衡這種趨勢和離心力，汽車兩內輪(左前輪、左后輪)的動荷載必然減小。

3)汽車在平直路面行駛時，對路面的動荷載比較平緩，而行駛在彎坡路面上時車輛荷載會突然增大或減小，因此彎坡路面的道路破壞程度比平直路面的大。

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Simulation Analysis of Vehicle－Road Coupling on Curved Ramp Road

ZHAO Shu-mei1，ZHENG Yi-nan2，CAO Yuan-wen3，WEI Dong3
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Traffic，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu China;
3.School of Mechatronics ＆Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In the vehicle and road interaction study，it is not enough to consider the influence of road roughness only on dynamic load，but the driving condition should also be taken into account.According to the vehicle-road coupling characteristics，the models of heavy truck and 3D curved road were built with the ADAMS/Car dynamics simulation software.Meanwhile，the dynamic loads between the wheels and the pavement on curved ramp road and straight road were analyzed comparatively.The result indicated that the pavement damage of curved road was larger than that of straight road

road roughness;curved ramp road;dynamic load;coupling vibration

U461.2

A

1674-0696(2011)03-0436-02

2011-01-10;

2011-03-07

交通運輸部西部交通建設科技項目(2008318814065)

趙書美(1986-)，女，山東濟南人，碩士研究生，主要從事車輛與交通安全方面的研究。E-mail:zhaoshumei-123123@126.com。