趙書(shū)美，鄭易楠，曹源文，魏 冬

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096;3.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

彎坡路面的車路耦合仿真分析

趙書(shū)美1，鄭易楠2，曹源文3，魏 冬3

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096;3.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)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(duì)車輛動(dòng)載荷的影響，而且應(yīng)考慮行駛工況對(duì)車輛動(dòng)荷載的影響。針對(duì)車-路耦合作用的特點(diǎn)，運(yùn)用ADAMS/Car動(dòng)力學(xué)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(guò)分析彎坡路面和平直路面下車輛對(duì)路面的動(dòng)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(dòng)荷載;耦合振動(dòng)

汽車行駛在不平整的路面上，車輪對(duì)路面會(huì)產(chǎn)生附加的動(dòng)荷載，即關(guān)于靜荷載的波動(dòng)，這種動(dòng)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(duì)路面產(chǎn)生的附加動(dòng)荷載增大，這就是路面平整度與汽車動(dòng)荷載之間的耦合作用［1］。山區(qū)高速公路由于地形復(fù)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(jiàn)的組成部分，也是道路破壞比較嚴(yán)重的部分［2］。應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)建模研究車輛對(duì)路面的動(dòng)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(fēng)EG1168G1作為研究重型車輛對(duì)路面的作用荷載［3］。東風(fēng)EG1168G1的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

應(yīng)用ADAMS/car建立的簡(jiǎn)化汽車模型主要由前/后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前/后輪胎、車身6個(gè)子系統(tǒng)組成［4］，如圖1。

表1 卡車主要技術(shù)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(yīng)用重慶交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的路面譜文件生成軟件(具體流程見(jiàn)圖2)編制路面譜文件。在ADAMS/Car中進(jìn)行仿真分析時(shí)，將路面譜文件導(dǎo)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(dòng)荷載分析

當(dāng)車輛以80 km/h的速度通過(guò)該彎坡路段時(shí)，車輪的動(dòng)荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4。

汽車通過(guò)K64—K67路段的作用時(shí)間約是2～156 s，前1 s是汽車動(dòng)平衡調(diào)節(jié)的過(guò)程。下面以汽車經(jīng)過(guò)的前2個(gè)彎坡為例進(jìn)行分析，由圖4可以看出。

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

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

3)汽車進(jìn)入左轉(zhuǎn)彎道后，前、后左車輪的動(dòng)荷載迅速減小，前后右車輪的動(dòng)荷載迅速增大;進(jìn)入右轉(zhuǎn)彎道后，前、后左車輪的動(dòng)荷載迅速增大，前后右車輪的動(dòng)荷載迅速減小。

3.2 彎坡路面與平直路面的車輪動(dòng)荷載分析對(duì)比

路面平整度是路面使用性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)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(jìn)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(lì)輸入進(jìn)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(dòng)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(jié)合了行駛路況因素，對(duì)2種不同路面下的車輪荷載進(jìn)行分析可以得出:

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

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

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

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

4 結(jié)論

1)利用ADAMS/Car建立了429自由度整車動(dòng)力學(xué)模型和彎坡路面模型。模型的建立為更加精確的進(jìn)行車路耦合作用計(jì)算提供可能，較準(zhǔn)確的模擬出車輛在彎坡路面激勵(lì)下產(chǎn)生的動(dòng)荷載作用值。

2)分別對(duì)平直路面和彎坡路面下的車輪動(dòng)荷載進(jìn)行了分析。汽車直線行駛時(shí)沒(méi)有離心力的作用，兩前(后)輪的動(dòng)荷載基本相等;汽車在彎坡路面上行駛時(shí)，由于離心力的作用，有使汽車?yán)@兩外輪(右前輪、右后輪)觸地點(diǎn)連線側(cè)翻的趨勢(shì)，為了平衡這種趨勢(shì)和離心力，汽車兩內(nèi)輪(左前輪、左后輪)的動(dòng)荷載必然減小。

3)汽車在平直路面行駛時(shí)，對(duì)路面的動(dòng)荷載比較平緩，而行駛在彎坡路面上時(shí)車輛荷載會(huì)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。

［1］ 任衛(wèi)群.車-路系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的虛擬樣機(jī)-MSC.ADAMS軟件應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:71-73.

［2］李彬，運(yùn)偉國(guó).帶坡度的山區(qū)公路彎道處汽車行駛安全性研究［J］.公路與汽運(yùn)，2007，11(6):52-55.

LI Bin，YUN Wei-guo.Research on vehicle driving safety of curved section of mountain road with slope［J］.Highways＆ Automotive Application，2007，11(6):52-55.

［3］ 呂彭民，董忠紅.車輛-瀝青路面系統(tǒng)力學(xué)分析［M］.北京:人民交通出版社，2010:8-11.

［4］ 陳軍.MSC ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008:225-234.

［5］YAO Yin-bin，LIU Jing-ran.Multi-quadric equations interpolation and its applications to the establishment of crustal movement speed field［J］.Geo-spatial Information Science(Quarterly)，2002，5(2):1-5.

［6］CIRO.MSC Software.MSC.ADAMS/car training［EB/OL］.http://support.adams.com/kb，2008.

［7］徐建平，尚剛，梁乃興.路面不平整引起的汽車動(dòng)載荷計(jì)算分析［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20(1):26-28.

XU Jian-ping，SHANG Gang，LIANG Nai-xing.Analysis of dynamic load caused by driving automobile on undulate pavement［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20(1):26-28.

［8］ 于清.路面平整度與車輛動(dòng)荷載關(guān)系的研究［D］.重慶:重慶交通學(xué)院，2004.

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(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2008318814065)

趙書(shū)美(1986-)，女，山東濟(jì)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。