剛?cè)狁詈现匦推嚱＜巴ㄟ^連續(xù)減速帶的平順性分析*

李韶華 張兵 黃玉亭

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院, 石家莊 050043) (2.河北省交通安全與控制重點實驗室, 石家莊 050043)

引言

道路連續(xù)減速帶是目前公路廣泛使用的強制限速設(shè)施,不同道路選擇合適的減速帶對減緩汽車行駛速度有一定的意義[1].減速帶一般常見于城市道路等低速路段,對于高速公路上減速帶的研究較為少見,尤其是高速公路隧道口處地段[2-4],且我國關(guān)于減速帶的研究多局限于單一減速帶,對于連續(xù)減速帶激勵下汽車動力學的研究較為少見[5-6].研究車輛通過減速帶時的動力學性能,可以在取得良好限速效果的同時,又能保證整車行駛平穩(wěn)性[7-8],為高速公路減速帶的設(shè)計提出理論依據(jù).

目前對重型汽車動力學進行了研究,多將除了懸架彈簧和減振器外的部件均當作剛性體進行處理[9].實際上,車架作為連接整車各個子系統(tǒng)的橋梁,其固有頻率往往出現(xiàn)在人體較為敏感的激勵能量頻率范圍內(nèi),將車架柔性化,組裝成剛?cè)狁詈掀噭恿W模型,并與剛性整車模型運算結(jié)果進行對比,分析車架剛度對平順性的影響,在整車設(shè)計方面不僅可以達到更高的建模和仿真精度,而且節(jié)約成本縮短研發(fā)周期.

本文利用Adams/car軟件建立基于柔性車架的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?通過與剛性車對比驗證了所建模型的正確性.然后,建立了不同規(guī)格道路連續(xù)減速帶模型,仿真分析剛?cè)狁詈险嚹Ｐ鸵圆煌囁偻ㄟ^道路連續(xù)減速帶時的平順性,得出不同車速下起到良好限速效果的減速帶規(guī)格形式.研究成果可為剛?cè)狁詈现匦推噭恿W分析及道路連續(xù)減速帶的設(shè)計提供借鑒.

1 剛?cè)狁詈险嚹Ｐ偷慕⒓膀炞C

通過有限元軟件建立柔性車架,將車架中性文件導入Adams/car中,建立柔性體與剛性體相接處的接口件,在接口件處建立相應(yīng)的通訊器,導入到Adams/car中的柔性車架如圖1所示.保證柔性車架子系統(tǒng)與其它剛性子系統(tǒng)信息交換,組裝成的三軸多體整車模型如圖2所示.

圖1 柔性車架Fig.1 Flexible frame

圖2 剛?cè)狁詈险嚹Ｐ虵ig.2 Rigid-flexible coupled vehicle model

最后得到剛?cè)狁詈险嚹Ｐ唾|(zhì)量參數(shù)為2.48×104kg；轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)為Ixx：6.79×1010,Iyy:1.16×1012,Izz:1.13×1012(kg·mm2).在模型驗證方面,由于試驗車在測點處采用的是速度傳感器,課題組對剛性車和試驗車測點處垂向速度數(shù)據(jù)進行了對比,從而驗證了剛性車的正確性[10].因此,本文也對剛性車與剛?cè)狁詈宪嚋y點處的垂向速度進行對比.在B級隨機路面上滿載工況車速60 km/h時仿真,剛?cè)狁詈宪嚺c剛性車比較駕駛室座椅處、前軸、中軸和后軸垂向速度,如圖3至圖6所示.

圖3 駕駛室座椅處垂向速度時域圖對比Fig.3 Comparison of time history of the vertical velocity at the cab seat

圖4 整車左前軸軸頭處垂向速度時域圖對比Fig.4 Comparison of time history of the vertical velocity at left front axles

圖5 整車左中軸軸頭處垂向速度時域圖對比Fig.5 Comparison of time history of the vertical velocity at the left center axles

圖6 整車左后軸軸頭處垂向速度時域圖對比Fig.6 Comparison of time history of the vertical velocity at the rear axles

從表1可以看出,駕駛員座椅處垂向速度相對誤差較小,剛?cè)彳囻{駛室處垂向速度值為69.22 mm/s,剛性車駕駛室處垂向速度值為62.59 mm/s,但由各軸軸頭處垂向速度數(shù)據(jù)可知,剛性車垂向速度大于剛?cè)狁詈宪嚨拇瓜蛩俣?可能由于車架柔性化起到一定的減振作用,但二者響應(yīng)的趨勢和數(shù)值上基本一致,從而驗證了剛?cè)狁詈险嚹Ｐ偷恼_性.

表1 兩模型車仿真最大速度對比Table 1 Comparison of the maximum speed between the two models

2 連續(xù)減速帶的建立

選取高速公路隧道口鋪設(shè)的連續(xù)減速帶作為研究對象,如圖7所示,該種減速帶由間隔為30 m的三組連續(xù)減速帶組成,每組減速帶有四個周期,其寬度和間距尺寸基本一致,目前在數(shù)值上沒有嚴格要求.每一組減速帶寬度和高度如表2所示,其中,X表示減速帶的寬度,H表示減速帶的高度.

圖7 減速帶實物圖Fig.7 General view of road continuous speed bumps

NumberH/mmX/mmA4600B6600C6500D6550E8600F6650G6700H10600I12600

利用ADAMS/car軟件通過3D ROAD路面建模器建立連續(xù)減速帶.所謂連續(xù)減速帶是指位于三維平滑路面上局部獨立的、形態(tài)各異的障礙.通過設(shè)置該障礙選項,可建立的減速帶形狀有roof三角形凸塊,crown鼓包,plank凸塊以及curb路緣石等.本文在考慮實際情況下,建立帶有crown鼓包的減速帶路面,如圖8所示.由于路面不平度遠小于減速帶的高度,建模及仿真中忽略了路面不平度對車輛性能的影響.

圖8 減速帶模型Fig.8 Model of speed bump

3 仿真結(jié)果

利用建立的柔性車架剛?cè)狁詈险嚹Ｐ驮?5 t噸滿載狀態(tài)下分別以車速30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h和80 km/h行駛在連續(xù)減速帶上,仿真得到車身垂向加速度絕對值的最大值以及轉(zhuǎn)向輪、驅(qū)動前外輪、驅(qū)動后外輪垂向輪胎力的最大值.

3.1 減速帶高度對平順性評價指標的影響

當車輛以不同車速通過A、B、E、H、I五種連續(xù)減速帶路面(高度不同,寬度相同,X為600mm)時,車身垂向加速度和各輪胎垂向力最大值隨車速的變化曲線如圖9～圖12所示.

圖9 車身垂向加速度隨車速的變化Fig.9 Variation of body vertical acceleration with vehicle speed under different bump widths

圖10 轉(zhuǎn)向輪垂向輪胎力隨車速的變化Fig.10 Variation of verticle tire force of steering wheel with vehicle speed under different bump widths

圖11 驅(qū)動前輪垂向輪胎力隨車速的變化Fig.11 Variation of verticle tire force of front driving wheel with vehicle speed under different bump widths

圖12 驅(qū)動后輪垂向輪胎力隨車速的變化Fig.12 Variation of verticle tire force of rear driving wheel with vehicle speed under different bump widths

由圖9可以得到,汽車通過不同高度減速帶時,車身垂向加速度隨著減速帶高度的增大而增大,即車身垂向加速度與減速帶高度成正比,當車速小于60 km/h時,垂向加速度的大小隨車速變化較小,平順性較好,減速帶不能起到良好的限速作用.當速度大于60 km/h時,減速帶寬度為600 mm,高度為10 mm,12 mm時對車身垂向加速度影響較大,說明此速度下該減速帶能起到良好的限速作用.

由圖10可以看出,相同車速下,轉(zhuǎn)向輪垂向輪胎力與減速帶高度成正比,隨著車速增加,垂向輪胎力緩慢變化.車速為70 km/h時垂向輪胎力變化較大,說明該速度下,減速帶高度對車輛性能有一定的影響.由圖11和圖12可以看出,減速帶高度與驅(qū)動輪垂向輪胎力成正比.當車速為60 km/h時,驅(qū)動前輪垂向輪胎力最小,隨后迅速增加,表明該減速帶下對車輛行駛速度有一定的減速效果.驅(qū)動后輪垂向輪胎力在速度為70 km/h時,同樣出現(xiàn)明顯增加的趨勢,以減速帶高度大于8 mm尤為明顯,表明該減速帶下,車輛行駛速度控制在60 km/h能起到良好的限速效果.

3.2 減速帶寬度對平順性評價指標的影響

當車輛以不同車速通過C、D、E、F及G五種連續(xù)減速帶路面(寬度不同,高度相同,H為8 mm)時,得到如圖13～圖16所示車身垂向加速度和輪胎垂向力最大值隨車速變化圖.

由圖13可以得到,汽車通過不同寬度減速帶時,車身垂向加速度與減速帶寬度成反比.當車速小于60 km/h時,垂向加速度的大小隨車速變化較小,平順性較好,減速帶不能起到良好的限速作用.當速度達到70 km/h時,車身垂向加速度發(fā)生明顯變化,數(shù)值迅速增大,說明該速度下減速帶能起到良好的限速作用.

圖13 車身垂向加速度隨車速的變化Fig.13 Variation of body vertical acceleration with vehicle speed under different bump heights

圖14 轉(zhuǎn)向輪垂向輪胎力隨車速的變化Fig.14 Variation of vertical tire force of steering wheel with vehicle speed under different bump heights

圖15 驅(qū)動前輪垂向輪胎力隨車速的變化Fig.15 Variation of vertical tire force of front driving wheel with vehicle speed under different bump heights

圖16 驅(qū)動后輪垂向輪胎力隨車速的變化Fig.16 Variation of vertical tire force of rear driving wheel with vehicle speed under different bump heights

由圖14和圖15可知,轉(zhuǎn)向輪與驅(qū)動前輪的垂向輪胎力隨減速帶寬度增大而減小,減速帶寬度越小,垂向輪胎力數(shù)值越大；當減速帶寬度大于600 mm時,轉(zhuǎn)向輪輪胎力和驅(qū)動前輪垂向輪胎力隨車速的增大而增大的趨勢平緩.車速大于60 km/h時,轉(zhuǎn)向輪垂向輪胎力開始急劇增大,車速達到70 km/h時,驅(qū)動輪垂向輪胎力達到最大值,說明該速度下,減速帶能起到良好的限速作用.由圖16可以看出,減速帶的寬度隨車速的變化對驅(qū)動后輪垂向力的影響并不大,沒有呈現(xiàn)規(guī)律性變化,原因可能是驅(qū)動前軸和驅(qū)動后軸軸距過小,驅(qū)動前軸的輪胎力與后軸輪胎力疊加.

4 結(jié)論

本文考慮車架柔性建立了三軸重型汽車的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⑦M行了驗證.仿真分析了剛?cè)狁詈险嚹Ｐ鸵圆煌囁偻ㄟ^不同規(guī)格道路連續(xù)減速帶時的平順性.研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)減速帶的高度與車身垂向加速度成正比,減速帶寬度與車身垂向加速度成反比.對于文中整車剛?cè)狁詈夏Ｐ鸵韵匏?0 km/h速度行駛在寬度為600 mm,高度為8 mm的減速帶能起到良好的限速效果,同時還能保證車輛行駛的平順性.