三轴车在波形路面上的动荷载研究

衣艳丽，曹源文

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆400074;2.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074)

车辆在道路上行驶时，会对路面产生随时间和车速不断变化的随机动荷载。车辆动载会缩短车辆的行驶寿命，并对路面造成破坏;另外，当动载荷过大时，汽车的操纵性变差，甚至可能发生汽车跳离地面的情况，严重影响到乘车人员的生命安全。长期以来，路面结构在设计时往往将车辆荷载简化为静载，这与实际动载情况差异较大［1］。因此，研究确定车辆实际动荷载是十分必要的［2-5］。

随着汽车技术的发展，车速不断提高，为满足日益扩大的货运市场需求，各种新型的重型、超重型车辆不断涌现，而且重型车辆的采用，一方面提高了运输效率，降低了运输成本;另一方面却加速了路面破坏，大大降低了路面的使用寿命。目前路面工作的实际使用寿命低于设计寿命，而重载交通被认为是造成路面早期损坏的一个重要的因素［6］。笔者以三轴载货汽车为研究对象，建立整车模型，应用软件对车辆模型的动载进行了仿真，同时根据所得结果分析了动荷载与车速、载重和路面情况之间的关系。

1 三轴车仿真模型

以东风EQ3250FZ3G自卸汽车为研究对象，主要技术参数如表1。

表1 三轴车主要技术参数Table 1 Main technical parameters of trebling-pivot vehicle

应用ADAMS分别建立的子系统包括前后悬架系统、转向系统、前后轮胎系统、车身系统，在整车装配中调用各子系统，组装成整车模型。这时相对应的信使实现配对，互相传递位置、约束等信息，从而将各子系统有机的结合起来［7］。组装之后的整车模型如图1。同时，通过采用图纸查阅法、实验法、计算法等方法，确保了模型的准确性［8-10］。

图1 整车模型Fig.1 full-vehicle model

本模型中车辆的行驶状态质量为25 000 kg，且采用F-Tire轮胎模型，模型中所采用的轮胎有关参数如下:自由半径500 mm;前轮胎质量135 kg;后轮胎质量150 kg;前轮胎垂向转动惯量IZZ为1.7×107kg·mm2，俯仰转动惯量IXX和侧倾转动惯量IYY均为9.0 ×106kg·mm2;后轮胎垂向转动惯量IZZ为2.0 ×107kg·mm2，俯仰转动惯量IXX和侧倾转动惯量IYY均为1.3×107kg·mm2;其中轮胎径向刚度为1 450 N/mm;前后轮胎纵向滑移刚度分别为1×105、1.58×105N/mm;前后轮胎外倾刚度分别为 2.2 ×104、2.37 × 104N/rad;前后轮胎侧偏刚度分别为2.2 ×105、2.37 ×105N/rad。

2 路面模型

笔者对车辆模型在波形路面上的动力进行了分析。为尽量规范计算过程，做具体分析之前，作如下假设:

1)车速范围(35～80 km/h)。

2)左右车轮激励相等。

3)路面始终处于受压状态，不会出现受拉情况。

4)某公路平整度检测结果优秀，路面起伏较小，所以假定路面振幅值较小，集中在0～3 cm之内(路面振幅值与路面弯沉值和车辙值有关。根据现场观察发现当车辆以85 km/h速度通过弯沉量大于3 cm的路段时，跳车明显，则以此为依据认为路面振幅超出3 cm，不在笔者讨论范围之内)。

5)波长集中在0.028～47.22 m之内(路面有效波长λ范围与汽车车速v和汽车响应频率f有关，可表示为f=v/λ。汽车响应频率范围为0.5～20 Hz，所研究车型的最大车速 vmax为 23.61 m/s，最小车速 vmin为 0.56 m/s。则:

由于ADAMS标准界面没有提供现成的匀速直线运动的设置菜单，所以仿真前需要通过dcf文件给车辆定义一个匀速直线运动，此外还需要准备不同路面工况下的路面文件，笔者以MSC提供的位于共享数据库的mid_2d_roof.rdf为蓝本进行修改，将路面波长和振幅分别设为相应的数据，保存后生成相应的路面文件，为下一步仿真做准备。

3 仿真分析

在整个车辆模型中，汽车载重主要压在双后轴上，且后方两个轴上的车轮所受载重相差不大，为研究方便，只选取单个轴上的后轮为研究对象。笔者只研究车辆直线行动荷载状况，假设左右侧车轮所受激励相等，重型卡车轴一侧内外侧单个车轮所受动荷载相等，那么就可以只研究外侧车轮或只研究内侧车轮，以下的动载分析，研究的是后轮左边外侧车轮。

3.1 不同车速下的动荷载分析

标准载重时(12 305 kg)，车辆分别以40、60、80 km/h的速度行驶在波长为7 m的路面上，通过仿真得出动荷载随时间的变化规律如图2。

图2 动荷载分析Fig.2 Dynamic load analysis

对3种不同车速的车轮动荷载进行分析可以得出:车速对车轮响应的影响较大。路面激励相同，不同车速引起的动荷载不同，一般情况下车速越大，动荷载也越大。但是只在此波长路面条件下不能说明情况，所以还需要对不同路面工况下不同车速的车辆进行仿真，为了能使所得数据能更加形象准确的分析出速度对动荷载的影响，现在文中引入动荷载的评价指标K(动荷载系数)，具体得到的数据如表2。

表2 不同车速时不同波长的波形路面的最大动荷系数比较Table 2 Comparison on Kdmaxwith wavelength in different velocity on undulate pavements

从表2 中可以看出，当波长为7、11、15、20、25 m时，最大动荷载系数随着速度的增大而增大，当波长为3、30 m时，最大动荷载系数随着速度的增大，先减小后增大。现以波长为3 m为例，稍作分析可知:速度为35 km/h的状态下的动荷载系数反而大于速度为45 km/h的状态下的动荷载系数，发生这种状况的最主要的原因就是在此路面条件下，车辆以35 km/h的速度行驶时，发生了共振。这种数据结果也印证了这样的观点:动荷载是众多影响因素下耦合作用的结果。

3.2 不同载重下的动荷载分析

车辆以60 km/h的速度分别处于空载、标准载重、常见超载状况下行驶在波长为15 m的路面上，通过仿真得出动荷载随时间的变化规律如图3。

图3 动荷载分析Fig.3 Dynamic load analysis

图3给出了空载(0 kg)，标准载重(12 305 kg)和常见超载时(22 000 kg)的动荷载随时间的关系，比较图中3条曲线均值不难看出随着载重的增加，车辆作用于路面上的动荷载也增加，而且变化非常明显。

3.3 不同路面工况下动荷载分析

并不是所有波长对车辆都有重要影响，其中一部分影响作用很小，可以忽略。笔者分别选取波长为3、7、11、15、20、25、30 m 的路面作为模拟道路输入，仿真分析整车模型标准载重时，在车速为60 km/h时车轮的响应，得出动荷载随时间的变化规律如图4。

图4 动荷载分析整车模型Fig.4 Dynamic load analysisfull-vehicle model

对几种不同波长情况下车轮动荷载分析可以得出:波形路面上产生的动荷载沿线路纵向呈波形分布，波形路面的振幅越大，其对车辆的激励也就越大，相应车辆对路面的动荷载就越大。

4 结论

1)应用ADAMS软件对整车模型进行了仿真分析，得出波形路面激励输入下的车轮动态响应;考虑了不同波长路面、不同车速以及不同载重对车轮动态响应的影响。

2)车速对车轮响应的影响比较大。相同路面激励下，不同车速引起的车轮动荷载不一样。其大小与波长和车速的耦合作用有关。

3)车辆超载时，车轮所受动荷载情况加剧，应避免车辆超载情况，这会对车辆部件和道路都造成造成严重破坏。

4)一般而言，波形路面振幅越大，那么其对车辆的激励也就越大，相应车辆对路面的动荷载作用力也就越大。

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