蔣博林 陳 楊
(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 重慶 402260)
道路交通中重載車輛分析模型研究
蔣博林 陳 楊
(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 重慶 402260)
為了研究重載條件下車輛與道路的相互作用,首先必須建立重載車輛的分析模型。對比1/4車輛模型,1/2車輛模型及整車模型,選擇具有空間模擬效果的七自由度整車模型.通過研究重載車輛的動力分析模型和在重載車輛振動下的數(shù)學(xué)模型,驗證了七自由度整車模型模擬重載車輛的具有一定的合理性,為以后相關(guān)設(shè)計、研究工作提供借鑒和參考。
道路交通;重載車輛;整車模型;動力分析;數(shù)學(xué)模型
近年來,隨著我國公路交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展,道路的交通量也逐年遞增,而其中大中型貨運車輛在交通運輸中的比例也在不斷增加。由于重載車輛的軸重和輪胎壓力均超過了道路的設(shè)計標準,導(dǎo)致許多道路路面在沒有達到設(shè)計年限之前就已經(jīng)出現(xiàn)了開裂、車轍、斷板、沉陷等現(xiàn)象,降低了道路的使用性能,對交通安全形成了威脅,給交通運輸也帶來了經(jīng)濟損失。
鑒于重載車輛對道路交通造成的危害,專家學(xué)者對重載車輛與道路結(jié)構(gòu)相互作用的研究也較多,而對重載車輛分析模型的研究則主要是將車輛簡化為 1/4車輛、1/2車輛及整車模型[1-3]。本文首先分析了重載車輛的構(gòu)成和計算參數(shù),并研究了典型車輛分析模型,通過建立七自由度的整車模型,分析了重載車輛的動力分析模型以及數(shù)學(xué)模型。
重載車輛的構(gòu)造主要由車身、底盤、發(fā)動機及其配套的電子設(shè)備等組成,發(fā)動機是使汽車行駛的動力源,一般由機體、曲柄連桿機構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、配氣機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、點為系統(tǒng)(汽油機)等組成。底盤是整個汽車的承載結(jié)構(gòu)部分,承擔(dān)著發(fā)動機以及車身的重量;同時也是動力傳遞裝置,通過軸輪的轉(zhuǎn)動,將發(fā)動機的動力傳遞的車身的各個部分,保證汽車正常運行。發(fā)動機主要由行駛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等組成。車身是駕駛員和工作場所,也是裝載乘客和貨物的地方。包括車前板制件(車頭)、車身本體、駕駛室和貨箱等。電氣電子設(shè)備包括電源、用電設(shè)備、電子設(shè)備及控制系統(tǒng)等。
通過前面的介紹可以簡要得知,重載車輛與普通車輛組成無異??梢园颜麄€系統(tǒng)看成一系列的子系統(tǒng)構(gòu)成,通過各種各種減振彈簧、力學(xué)鉸鏈、阻尼器及橡膠元件等連接而成,是一個復(fù)雜的多自由度“質(zhì)量—剛度—阻尼”動力學(xué)系統(tǒng)。
在進行重載車輛建模時,模型參數(shù)的選取十分重要,它甚至是決定模型是否可行的關(guān)鍵。模型參數(shù)大致分四類:幾何參數(shù)(運動學(xué)參數(shù))、質(zhì)量參數(shù)(主要包括質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等)、力學(xué)特性參數(shù)(剛度、阻尼等)、外界參數(shù)(路譜、風(fēng)力等)。模型參數(shù)的獲取有多種方法:試驗法、查圖法、計算法、CAD建模法等[4]。在建立整體車輛模型時,選取如下幾個因素作為基本設(shè)計參數(shù),即車體重量、車輛非懸掛部分質(zhì)量、輪胎質(zhì)量等車輛的主要部件以及車體的點頭和偏轉(zhuǎn)慣量、阻尼系數(shù)和彈性剛度等內(nèi)容。
由于實際的車輛構(gòu)造自由度非常多,并且其計算量也會非常龐大,使得一般的計算分析無法進行。所以,研究工作者可以按照分析的必須性對車輛系統(tǒng)進行一定的簡化,然后進行相應(yīng)模型的建立。本文考慮建立空間模擬的七自由度模型,如圖1所示。這個模型主要的考慮車輛的七個自由度包括:車體的垂直振動位移、車體俯仰振動位移、車體的偏轉(zhuǎn)振動位移以及四個車輪的振動位移。
圖 1 七自由度整車分析模型
生活中最為常見的就是四輪胎汽車,在運動的過程中,四個輪胎的受力狀態(tài)和響應(yīng)機制都是各不相同的,所承擔(dān)的汽車重量也不盡相同。為了模擬出實際情況下的重載車輛的動力特性,選擇四輪車重載模型作為研究的主體。同時,由于車輪在質(zhì)量、材料、胎紋、胎壓等方面存在差異,四個車輪對路面的作用力各不相同,差異較大;同樣道理,路面對汽車的反作用力在四個車輪上也各不相同,也存在差異。在汽車行駛中,四輪不可能處在完全的水平面上,總存在有上有下的各種情況。汽車的行駛時運動復(fù)雜,除汽車重心做上下垂向運動外,汽車還會產(chǎn)生側(cè)傾運動、俯仰運動、橫擺運動。這些運動并非各自單獨發(fā)生的,而是以合成運動的復(fù)雜形式存在。本文中將重載車輛簡化為如圖 2所示的七自由度模型。
圖2 整車模型受力分析圖
根據(jù)達朗貝爾原理,多剛度體系中的每個剛體運動,都可以轉(zhuǎn)化為在靜態(tài)作用下分析。即等價于在一個剛體的主動力和約束力作用下,再加上一個假想的慣性力作用。即認為剛度體系在瞬態(tài)作用下是一種假想的平衡狀態(tài),通常稱為動力平衡狀態(tài)。通過對上述物理模型的分析,得到重載車輛在動力條件下的平衡方程。
1)車體受力分析
現(xiàn)對質(zhì)量為ms,X和Y方向上慣性矩分別為JX和JY的車體(懸掛部分)進行隔離分析,考慮到車輛本身的質(zhì)量和彈簧阻尼振動的影響,需對其進行獨立分析,模型具體受力如圖3所示。
圖3 車體受力分析圖
①車體沉浮運動平衡方程
在Z軸方向上利用牛頓第二定律可得:
②車體點頭運動平衡方程
由力矩平衡原理可得平衡方程:
③車體偏轉(zhuǎn)運動平衡方程
利用彎矩的平衡原理可得:
2)非懸掛部分受力分析
車輛非懸掛部分共有前非懸掛部分(左、右)和后非懸掛部分(左、右)共4部分,非懸掛部分在豎向上的受力分析見圖4。
圖4 車輛非懸掛部分質(zhì)量受力分析圖
對于非懸掛部分,同樣采用牛二定律進行受力平衡可得:
3)車輪受力分析
根據(jù)車輪在垂直方向的基本受力情況,做出各輪的受力分析如圖5所示:
圖5 車輪受力分析圖
根據(jù)牛頓定律,由如下平衡條件:
將(4)式代入(6)式,即可得
在式(1)至式(7)中:ms為車體質(zhì)量;ψ為車體俯仰角,θ為車體側(cè)滾角,(mti)i=4分別是車輛前后的非懸掛部分質(zhì)量;(mli)i=4分別為車輛四個輪胎的質(zhì)量;(Cti)i=4分別為前后相應(yīng)輪胎阻尼系數(shù),(Csi)i=4分別為前后相應(yīng)的懸掛系緩沖阻尼系數(shù);(Kti)i=4分別為前后輪胎相應(yīng)剛度系數(shù),(Ksi)i=4分別為前后懸掛系剛度系數(shù);Zs為車體的垂直位移,(Zti)i=4分別為前后四個非懸掛部分的垂向位移;(Zli)i=4分別為前后四個輪胎的在豎向方向的位移,、分別為車體對X軸、Y軸的轉(zhuǎn)動慣量(fti)i=4分別對應(yīng)為車輛四個輪胎的動載荷。
4)構(gòu)建動力平衡方程
根據(jù)總的動力平衡原理可知,車輛各部分的內(nèi)力之和等于外力,寫成向量表達形式如下:
通過以上分析步驟,在研究重載條件下車路相互作用或車路耦合動力分析時,只需定義重載車輛的車體質(zhì)量、車輛前后非懸掛部分質(zhì)量、輪胎質(zhì)量等車輛的主要部件以及車體的點頭和偏轉(zhuǎn)慣量、阻尼系數(shù)和彈性剛度等內(nèi)容,即可使用具有七自由度的空間整車模型模擬重載車輛,以接近真實情況。
本文研究重載車輛的動力分析模型和構(gòu)建振動數(shù)學(xué)模型,然后通過合理的假設(shè)與簡化,驗證了七自由度整車模型模擬重載車輛的可行性和合理性。相比 1/4車輛模型和1/2車輛模型,七自由度整車模型具有空間模擬效果,更接近重載車輛的真實情況,為研究重載條件下的車輛-道路相互作用及其動力分析奠定了基礎(chǔ),同時也給車輛和道路設(shè)計理論和方法提供了一定的參考價值。
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[4] 劉炳森.重型車輛—路面耦合作用仿真分析[D].重慶:重慶交通大學(xué),2008.
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1007-6344(2017)10-0068-02