三軸車在波形路面上的動荷載研究

衣艷麗，曹源文

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074;2.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074)

車輛在道路上行駛時，會對路面產(chǎn)生隨時間和車速不斷變化的隨機(jī)動荷載。車輛動載會縮短車輛的行駛壽命，并對路面造成破壞;另外，當(dāng)動載荷過大時，汽車的操縱性變差，甚至可能發(fā)生汽車跳離地面的情況，嚴(yán)重影響到乘車人員的生命安全。長期以來，路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時往往將車輛荷載簡化為靜載，這與實(shí)際動載情況差異較大［1］。因此，研究確定車輛實(shí)際動荷載是十分必要的［2-5］。

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，車速不斷提高，為滿足日益擴(kuò)大的貨運(yùn)市場需求，各種新型的重型、超重型車輛不斷涌現(xiàn)，而且重型車輛的采用，一方面提高了運(yùn)輸效率，降低了運(yùn)輸成本;另一方面卻加速了路面破壞，大大降低了路面的使用壽命。目前路面工作的實(shí)際使用壽命低于設(shè)計(jì)壽命，而重載交通被認(rèn)為是造成路面早期損壞的一個重要的因素［6］。筆者以三軸載貨汽車為研究對象，建立整車模型，應(yīng)用軟件對車輛模型的動載進(jìn)行了仿真，同時根據(jù)所得結(jié)果分析了動荷載與車速、載重和路面情況之間的關(guān)系。

1 三軸車仿真模型

以東風(fēng)EQ3250FZ3G自卸汽車為研究對象，主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 三軸車主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of trebling-pivot vehicle

應(yīng)用ADAMS分別建立的子系統(tǒng)包括前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后輪胎系統(tǒng)、車身系統(tǒng)，在整車裝配中調(diào)用各子系統(tǒng)，組裝成整車模型。這時相對應(yīng)的信使實(shí)現(xiàn)配對，互相傳遞位置、約束等信息，從而將各子系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來［7］。組裝之后的整車模型如圖1。同時，通過采用圖紙查閱法、實(shí)驗(yàn)法、計(jì)算法等方法，確保了模型的準(zhǔn)確性［8-10］。

圖1 整車模型Fig.1 full-vehicle model

本模型中車輛的行駛狀態(tài)質(zhì)量為25 000 kg，且采用F-Tire輪胎模型，模型中所采用的輪胎有關(guān)參數(shù)如下:自由半徑500 mm;前輪胎質(zhì)量135 kg;后輪胎質(zhì)量150 kg;前輪胎垂向轉(zhuǎn)動慣量IZZ為1.7×107kg·mm2，俯仰轉(zhuǎn)動慣量IXX和側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量IYY均為9.0 ×106kg·mm2;后輪胎垂向轉(zhuǎn)動慣量IZZ為2.0 ×107kg·mm2，俯仰轉(zhuǎn)動慣量IXX和側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量IYY均為1.3×107kg·mm2;其中輪胎徑向剛度為1 450 N/mm;前后輪胎縱向滑移剛度分別為1×105、1.58×105N/mm;前后輪胎外傾剛度分別為 2.2 ×104、2.37 × 104N/rad;前后輪胎側(cè)偏剛度分別為2.2 ×105、2.37 ×105N/rad。

2 路面模型

筆者對車輛模型在波形路面上的動力進(jìn)行了分析。為盡量規(guī)范計(jì)算過程，做具體分析之前，作如下假設(shè):

1)車速范圍(35～80 km/h)。

2)左右車輪激勵相等。

3)路面始終處于受壓狀態(tài)，不會出現(xiàn)受拉情況。

4)某公路平整度檢測結(jié)果優(yōu)秀，路面起伏較小，所以假定路面振幅值較小，集中在0～3 cm之內(nèi)(路面振幅值與路面彎沉值和車轍值有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛以85 km/h速度通過彎沉量大于3 cm的路段時，跳車明顯，則以此為依據(jù)認(rèn)為路面振幅超出3 cm，不在筆者討論范圍之內(nèi))。

5)波長集中在0.028～47.22 m之內(nèi)(路面有效波長λ范圍與汽車車速v和汽車響應(yīng)頻率f有關(guān)，可表示為f=v/λ。汽車響應(yīng)頻率范圍為0.5～20 Hz，所研究車型的最大車速 vmax為 23.61 m/s，最小車速 vmin為 0.56 m/s。則:

由于ADAMS標(biāo)準(zhǔn)界面沒有提供現(xiàn)成的勻速直線運(yùn)動的設(shè)置菜單，所以仿真前需要通過dcf文件給車輛定義一個勻速直線運(yùn)動，此外還需要準(zhǔn)備不同路面工況下的路面文件，筆者以MSC提供的位于共享數(shù)據(jù)庫的mid_2d_roof.rdf為藍(lán)本進(jìn)行修改，將路面波長和振幅分別設(shè)為相應(yīng)的數(shù)據(jù)，保存后生成相應(yīng)的路面文件，為下一步仿真做準(zhǔn)備。

3 仿真分析

在整個車輛模型中，汽車載重主要壓在雙后軸上，且后方兩個軸上的車輪所受載重相差不大，為研究方便，只選取單個軸上的后輪為研究對象。筆者只研究車輛直線行動荷載狀況，假設(shè)左右側(cè)車輪所受激勵相等，重型卡車軸一側(cè)內(nèi)外側(cè)單個車輪所受動荷載相等，那么就可以只研究外側(cè)車輪或只研究內(nèi)側(cè)車輪，以下的動載分析，研究的是后輪左邊外側(cè)車輪。

3.1 不同車速下的動荷載分析

標(biāo)準(zhǔn)載重時(12 305 kg)，車輛分別以40、60、80 km/h的速度行駛在波長為7 m的路面上，通過仿真得出動荷載隨時間的變化規(guī)律如圖2。

圖2 動荷載分析Fig.2 Dynamic load analysis

對3種不同車速的車輪動荷載進(jìn)行分析可以得出:車速對車輪響應(yīng)的影響較大。路面激勵相同，不同車速引起的動荷載不同，一般情況下車速越大，動荷載也越大。但是只在此波長路面條件下不能說明情況，所以還需要對不同路面工況下不同車速的車輛進(jìn)行仿真，為了能使所得數(shù)據(jù)能更加形象準(zhǔn)確的分析出速度對動荷載的影響，現(xiàn)在文中引入動荷載的評價指標(biāo)K(動荷載系數(shù))，具體得到的數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同車速時不同波長的波形路面的最大動荷系數(shù)比較Table 2 Comparison on Kdmaxwith wavelength in different velocity on undulate pavements

從表2 中可以看出，當(dāng)波長為7、11、15、20、25 m時，最大動荷載系數(shù)隨著速度的增大而增大，當(dāng)波長為3、30 m時，最大動荷載系數(shù)隨著速度的增大，先減小后增大?，F(xiàn)以波長為3 m為例，稍作分析可知:速度為35 km/h的狀態(tài)下的動荷載系數(shù)反而大于速度為45 km/h的狀態(tài)下的動荷載系數(shù)，發(fā)生這種狀況的最主要的原因就是在此路面條件下，車輛以35 km/h的速度行駛時，發(fā)生了共振。這種數(shù)據(jù)結(jié)果也印證了這樣的觀點(diǎn):動荷載是眾多影響因素下耦合作用的結(jié)果。

3.2 不同載重下的動荷載分析

車輛以60 km/h的速度分別處于空載、標(biāo)準(zhǔn)載重、常見超載狀況下行駛在波長為15 m的路面上，通過仿真得出動荷載隨時間的變化規(guī)律如圖3。

圖3 動荷載分析Fig.3 Dynamic load analysis

圖3給出了空載(0 kg)，標(biāo)準(zhǔn)載重(12 305 kg)和常見超載時(22 000 kg)的動荷載隨時間的關(guān)系，比較圖中3條曲線均值不難看出隨著載重的增加，車輛作用于路面上的動荷載也增加，而且變化非常明顯。

3.3 不同路面工況下動荷載分析

并不是所有波長對車輛都有重要影響，其中一部分影響作用很小，可以忽略。筆者分別選取波長為3、7、11、15、20、25、30 m 的路面作為模擬道路輸入，仿真分析整車模型標(biāo)準(zhǔn)載重時，在車速為60 km/h時車輪的響應(yīng)，得出動荷載隨時間的變化規(guī)律如圖4。

圖4 動荷載分析整車模型Fig.4 Dynamic load analysisfull-vehicle model

對幾種不同波長情況下車輪動荷載分析可以得出:波形路面上產(chǎn)生的動荷載沿線路縱向呈波形分布，波形路面的振幅越大，其對車輛的激勵也就越大，相應(yīng)車輛對路面的動荷載就越大。

4 結(jié)論

1)應(yīng)用ADAMS軟件對整車模型進(jìn)行了仿真分析，得出波形路面激勵輸入下的車輪動態(tài)響應(yīng);考慮了不同波長路面、不同車速以及不同載重對車輪動態(tài)響應(yīng)的影響。

2)車速對車輪響應(yīng)的影響比較大。相同路面激勵下，不同車速引起的車輪動荷載不一樣。其大小與波長和車速的耦合作用有關(guān)。

3)車輛超載時，車輪所受動荷載情況加劇，應(yīng)避免車輛超載情況，這會對車輛部件和道路都造成造成嚴(yán)重破壞。

4)一般而言，波形路面振幅越大，那么其對車輛的激勵也就越大，相應(yīng)車輛對路面的動荷載作用力也就越大。

［1］鄧學(xué)鈞，孫璐.車輛-地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］Wheeler E.Dynamic loading of pavements［J］.Nordic Road＆Transport Research，1993，2(2):100-103.

［4］喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］鄧學(xué)鈞.車輛-地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，32(3):474-479.Deng Xuejun.Study on system dynamics of vehicles and pavement structure［J］.Journal of Southeast University，2002，32(3):474-479.

［6］沙慶林.高速公路瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防［M］.北京:人民交通出版社 ，2001.

［7］陳軍.MSC ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［8］楊旭.三軸重型車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.

［9］朱偉.基于虛擬樣機(jī)的罐裝車仿真與動態(tài)參數(shù)采集［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［10］陳少軒.中重型卡車總體設(shè)計(jì)指南［EB/OL］.(2011-01-18)［2012-01-13］http://wenku.baidu.com/view/f6ced101a6c30c 2259019ed1.html.