張俊玲

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

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汽車輪胎剛度對(duì)道路友好性的影響分析

張俊玲

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

汽車輪胎對(duì)路面的動(dòng)載荷是影響道路破壞的重要因素，它與車速、載重、路面不平度、輪胎剛度及阻尼等有關(guān)。運(yùn)用分析軟件ADAMS，建立了1/4車輛動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)車輛對(duì)路面破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了輪胎剛度對(duì)道路友好性的影響。

重型汽車 輪胎剛度 ADAMS 道路友好性

0 引言

道路友好性是指汽車對(duì)道路破壞程度的大小，破壞程度越大，道路友好性越差；破壞程度越小，道路友好性越好[1]。

影響道路破壞的因素很多，從汽車設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，主要有懸架的靜載荷分布狀況、車軸的形式、 輪胎的形式以及汽車輪胎對(duì)路面的動(dòng)載荷[2]。動(dòng)載荷是由于汽車受到路面不平度的激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)引起的；它與輪胎剛度、阻尼、載重、車速、路面不平度等因素有關(guān)，本文主要分析輪胎剛度對(duì)道路友好性的影響。

1 汽車對(duì)道路破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)

汽車對(duì)道路破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：動(dòng)載荷系數(shù)和95百分位四次冪和力。

1.1 動(dòng)載荷系數(shù)

動(dòng)載荷系數(shù)DLC(即dynamic load coefficient) ，表示動(dòng)載荷偏離靜載荷的程度。

(1)

從上式可看出，動(dòng)載荷變化越劇烈，對(duì)道路破壞程度越大。但事實(shí)上，用DLC評(píng)價(jià)動(dòng)載荷對(duì)道路的破壞程度，是假設(shè)道路破壞程度的大小與動(dòng)載荷之間呈線性關(guān)系，忽略了載荷與道路破壞之間的具體物理關(guān)系，其不能準(zhǔn)確反映出各個(gè)輪胎與路面接觸處動(dòng)載荷的相關(guān)性，所以它只能粗略的反映動(dòng)載荷與道路破壞之間的關(guān)系。一般情況下，動(dòng)載荷系數(shù)DLC僅用于車輛對(duì)道路破壞的初步評(píng)價(jià)。對(duì)于典型的行駛工況和車輛，DLC一般在0.1～0.3范圍內(nèi)。

1.2 95百分位四次冪和力

1996年，Cole和Cebon提出95百分位四次冪和力評(píng)價(jià)指標(biāo)考慮了動(dòng)載荷的空間重復(fù)性[3]，本文使用的就是這個(gè)指標(biāo)。由于動(dòng)載荷的峰值會(huì)反復(fù)出現(xiàn)在道路上某些固定的地方，所以道路的壽命應(yīng)由載荷的峰值決定而非均值。輪荷是一個(gè)隨機(jī)量，沒(méi)有確定的最大值，其峰值可以用95百分位來(lái)近似表示，即：μ+1.644 9σ，其中：μ為輪荷的均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。95百分位四次冪和力就是把各個(gè)輪胎的動(dòng)載荷的四次冪疊加，用來(lái)評(píng)價(jià)整輛汽車對(duì)道路的破壞。用理論道路破壞系數(shù)J表示。

(2)

式中：σA4、mA4表示A4的標(biāo)準(zhǔn)差和均值，A4表示汽車的四次冪和力。

J是峰值載荷和靜載荷道路破壞之比，它反映的是汽車對(duì)道路破壞的性能，而不是破壞的絕對(duì)大小。汽車對(duì)道路破壞的絕對(duì)大小用某裝載量下峰值載荷道路破壞與滿載下靜載荷道路破壞之比表示，即：汽車的絕對(duì)道路破壞系數(shù)。

(3)

由此可見(jiàn)，載荷的增加將使汽車對(duì)道路的絕對(duì)破壞增大。

2 汽車懸架的簡(jiǎn)化與數(shù)學(xué)模型的建立

車輛的懸架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度“質(zhì)量—?jiǎng)偠取枘帷闭駝?dòng)系統(tǒng)，特點(diǎn)是：不確定性，非線性和時(shí)變性。理論上，自由度選取越多系統(tǒng)就越接近真實(shí)，但需要測(cè)定的相關(guān)參數(shù)也就越多，測(cè)量誤差會(huì)使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。因此，對(duì)車輛懸架系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略次要因素，研究其主要因素，從而使問(wèn)題的研究既簡(jiǎn)單又接近實(shí)際。

為便于研究，將車輛的懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)化為車身與車輪兩個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng)的1/4車輛動(dòng)力學(xué)模型，該模型能反映車輛實(shí)際問(wèn)題中的大部分基本特征[3]。1/4模型是最簡(jiǎn)單的汽車振動(dòng)模型(圖1) ，只保留了兩個(gè)最主要的運(yùn)動(dòng)，即簧載和非簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)，在下文中將用它來(lái)進(jìn)行分析。

針對(duì)實(shí)際車輛系統(tǒng)，為便于模型建立，做以下假設(shè)：

1)汽車的車身為剛體，且運(yùn)動(dòng)方向垂直于路面；

2)非懸掛質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方向垂直于路面；

3)前后車輪受到的路面不平度激勵(lì)無(wú)延時(shí)性；

4)左右車輪受到的路面不平度激勵(lì)相等；

5)忽略輪胎的阻尼。

圖1 1/4車輛動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)假設(shè)，建立車身與車輪兩個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng)的1/4車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

其中，ms為簧載質(zhì)量；mu為非簧載質(zhì)量；k1為輪胎剛度，k2為懸架剛度，c2為懸架阻尼，x0為路面不平度位移輸入，x1為非簧載質(zhì)量位移，x2為簧載質(zhì)量位移。車輪動(dòng)載荷為k1(x1-x0)。輪胎對(duì)地面的動(dòng)載荷為：

F=k1(x1-x0)

(4)

3 基于ADAMS空氣懸架建模

選取東風(fēng)某重型汽車，由于重型汽車的后懸架承擔(dān)了大部分載重，所以選取后空氣懸架作為主要研究對(duì)象。本文選用的是某公司的944 N型空氣彈簧，P=0.76 MPa，設(shè)計(jì)高度的剛度值k=5.21×105N·m-1，后懸架的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 懸架主要參數(shù)

圖2 ADAMS建立的四分之一車輛模型

在ADAMS/VIEW中創(chuàng)建幾何點(diǎn)，運(yùn)用零件庫(kù)創(chuàng)建各個(gè)部件，并根據(jù)懸架參數(shù)定義各部件。在約束庫(kù)中選取適當(dāng)?shù)募s束副，以確定部件之間的連接情況和運(yùn)動(dòng)方式?；贏DAMS建立的四分之一車輛模型見(jiàn)圖2。

本文將用裝備944 N型的空氣彈簧的懸架進(jìn)行仿真。

4 輪胎剛度對(duì)道路友好性的影響

輪胎剛度變化可粗略歸結(jié)為輪胎充氣壓力變化，輪胎剛度對(duì)動(dòng)態(tài)輪胎力會(huì)造成影響,為了對(duì)不同輪胎剛度下的動(dòng)態(tài)輪胎力進(jìn)行研究。選取車速40 km/h，B級(jí)路面時(shí)，將原輪胎剛度分別提高10%，50%，100%。得到三種剛度下的車輪動(dòng)載荷，仿真如圖3所示。

圖3 車速40 km/h，B級(jí)路面分別將輪胎剛度分別提高10%，50%，100%得到的車輪動(dòng)載荷

從仿真結(jié)果中可得(表2)。

表2

參數(shù)名稱原剛度提高10%提高50%提高100%車輪動(dòng)載荷均方根值RMS/N498052696565815295百分位四次冪和力?(1018N4)8.678.6710.5111.82道路破壞系數(shù)J5.866.257.057.85

在車速40 km/h，B級(jí)路面的條件下，分別將輪胎剛度提高10%，50%，100%，車輪動(dòng)載荷分別提高了5.80%、31.83%、63.69%；95百分位四次冪和力φ分別增加了0.00%、21.22%、36.33%；道路破壞系數(shù)J分別提高了6.66%、20.31%、33.96%。

由上述分析可得出，在現(xiàn)有參數(shù)基礎(chǔ)上增加輪胎剛度將使車輛對(duì)道路的破壞程度急速增大。即：車輛輪胎剛度在現(xiàn)有參數(shù)基礎(chǔ)上增加會(huì)使道路友好性降低。

而輪胎剛度與輪胎充氣壓力緊密相關(guān)，增加充氣壓力會(huì)直接引起輪胎剛度的增加，導(dǎo)致車輛對(duì)路面作用的動(dòng)載荷增加，使車輛對(duì)道路破壞程度增大。因此，為了提高道路友好性，應(yīng)限制高壓輪胎的使用。

[1] 鄭明軍，林逸，陳瀟凱.空氣懸架車輛道路友好性分析[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2007，34(4)：40-41.

[2] 莊德軍．膜式空氣彈簧非線性彈性特性有限元分析[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2003.

[3] 何鋒，張軍,曹龍?zhí)铮龋贏DAMS的重型汽車道路友好性仿真研究[J]．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2010，37(4)：54-56.

[4] 劉青. 基于ADAMS的大客車空氣懸架系統(tǒng)性能研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2005.

[5] 李曾剛.ADAMS 入門詳解與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[6] 曹永軍.載重汽車空氣懸架道路友好性研究[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2009.

The influence of tire rigidity on the road friendliness of heavy vehicles

ZHANG Junling

The dynamic load of the tire on the road is an important factor that influences the road damage condition, and it relates to the speed and load of the vehicle, the unevenness of the road, and the tire rigidity and damping. With ADAMS, we established the dynamic model of a quarter of the vehicle, and analyzed the influence of tire rigidity on the road friendliness through indexes of road damage condition.

heavy vehicle，tire rigidity，ADAMS，road friendliness

TH21

A

1002-6886(2016)05-0068-03

張俊玲(1973-)，女，貴州貴陽(yáng)人，貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，副教授，工程碩士。

2016-05-27