路面循环载荷施加试验装置的设计*

□ 李 硕 □ 苏 鸣2 □ 罗 涛 □ 孙 琴

1.武昌首义学院 机电与自动化学院 武汉 430070 2.武汉科技大学 机械自动化学院 武汉 430080

1 设计背景

随着我国经济的快速发展,各类汽车的保有量也在不断增加,重型载重汽车的超载运输、各种车辆的超速行驶等在道路上经常可见,公路交通压力大,路面结构的可靠性及耐久性都存在较大的考验。目前，国内外对于载重汽车在不同的载荷条件下对路基影响的研究主要处于静态研究阶段,对于动态研究特别是监测还较少。

笔者设计了一种路面循环载荷施加试验装置,基于Pasternak路基模型，可以针对路面在承受载荷时进行动态监测,并作相应的分析。装置设计简图如图1所示。从路面力学的角度出发,考虑到路面在车辆载荷的作用下存在变形,即车辆与路面存在耦合作用，采用模拟刚性路面,忽略车辆与路面间的耦合作用,将模拟车辆系统作为一个数学上的线性系统。在模拟路面上建立多个测量点,各个测量点的影响值就是车辆对路面的影响[1-3]。

2 工作原理

路面循环载荷施加试验装置主要由模拟车辆载荷结构、动力输出结构、压力测试结构、机架结构四部分组成。将四个定向轮固定在一块钢板上,模拟为一个移动车辆。再将一个推杆固定在钢板上,推杆的上方安装丝杆螺母，带动模拟车辆可以在机架丝杆上做直线运动。丝杆的右端连接链轮,直流电动机的动力通过链条传递到丝杆上。当电动机通电后,通过链传动带动丝杆旋转,此时推杆连接的模拟车辆作直线运动,模拟车辆的载荷重力通过定向轮施加到路基上。由于模拟车辆作直线运动，因此可以确保试验的连续性,从而提高测量数据的准确性。

▲图1 路面循环载荷施加试验装置设计简图

3 模拟车辆载荷结构

模拟车辆载荷结构如图2所示。四个定向轮作为模拟车辆轮胎，一块5 mm厚的钢板作为车身。在钢板中间固定一个法兰,法兰主要用于连接推杆,推杆的上端连接在动力传输板的法兰上。动力传输板上安装有丝杆螺母，用于与丝杆配合。四根固定螺杆将定向轮固定钢板与动力传输板连接,在固定螺杆伸出动力传输板部分加入减振弹簧,模拟车辆的减振机构,同时也起到固定作用[4]。

▲图2 模拟车辆载荷结构

根据调研,在道路行驶的轿车、普通货车、面包车，其载重一般在15 kN～25 kN区间内。因为条件有限,作为模拟车辆,将负载缩小一定倍数。模拟车辆需要的最小输出压力设置为300 N,最大输出压力设置为600 N[5]。

4 模拟车辆振动模型

汽车在实际行驶时是一个十分复杂的振动系统,所以建立一个能完全反映实际振动状态的模型是比较困难的。笔者对模拟车辆进行了相应简化[6]，将其简化为二自由度模型,如图3所示。假设车辆沿直线运动,且只有垂直振动。

▲图3 模拟车辆二自由度模型

5 模拟车辆结构静力学分析

在模拟车辆载荷为600 N时，对定向轮固定板进行静力学分析,定向轮固定板的等效应力及整体变形云图分别如图4、图5所示。可以看出，在受600 N载荷力的情况下,受力最大的位置在螺孔部分,变形最大的位置在定向轮固定板的中央位置,所有的应力值和变形值都在设计允许范围以内[7-8]。

▲图4 定向轮固定板等效应力云图▲图5 定向轮固定板整体变形云图

在施加600 N载荷力情况下对动力传输板进行静力学分析，动力传输板的等效应力及整体变形云图分别如图6、图7所示。可以看出，在受载荷力的情况下,受力最大的位置在动力传输板的两侧,变形最大的位置在法兰连接孔上,所有的应力值和变形值都在设计允许范围以内。

▲图6 动力输出板等效应力云图▲图7 动力输出板整体变形云图

对模拟车辆整体结构在受到600 N载荷力情况下进行静力学分析,整体变形云图如图8所示。在受载荷力的情况下,受力最大的位置在定向轮与路面接触部位,变形最大的位置在定向轮固定板。

▲图8 模拟车辆结构整体变形云图

6 压力测试结构

6.1 结构设计

压力测试结构如图9所示。应用一个压力传感范围为0～10 kN的压力传感器,固定在下板上。压力传感器的上端放置一块4 mm厚的钢板,钢板的四周用四个压缩弹簧加螺柱固定。钢板在受压恢复时,能够快速复位。

▲图9 压力测试结构

6.2 受力分析

根据路面的力学模型,将路面分为硬路面、柔性路面、半刚性路面三大类。 刚性路面模型可以看作是由弹性Pasternak地基支撑的无限矩形阻尼板。 Pasternak路基模型涉及压缩弹簧之间的相互剪切力,压缩弹簧作为弹性元件,安装在模拟路基下,模拟路基在横向剪切力的作用下产生变形[9-10]。Pasternak路基模型如图10所示。

▲图10 Pasternak路基模型

图10中，F为车辆匀速v移动所产生的竖直力,即路面受到的载荷；x0为车辆移动的距离,即车辆所处位置。设路面的横向变形为y,纵向变形为x,车辆运动时间为t，则路基的动力响应控制方程为:

(1)

式中:M为路基单位长度的质量;E为路基的弹性模量;I为路基转动惯量;K为路基弹性模量;C为路基阻尼因数;Gp为路基所受剪力。

匀速运动载荷对路基产生的恒力F0对路基的作用函数为：

F(x,t)=F0δ(x-vt)

(2)

式中：δ(x-vt)为狄拉克函数。

设函数f(x0)为任意函数,可得:

(3)

式(1)、式(3)可作为模拟路面的数学模型。设计中以一块4 mm厚钢板模拟剪切板,钢板下方加装压缩弹簧模拟路基阻尼,在钢板正中间加装传感器采集试验数据。模拟路基结构如图11所示。

▲图11 模拟路基结构

7 整体结构

路面循环载荷施加试验装置的整体三维结构如图12所示。压力传感器外接显示装置,可对循环载荷的大小及分布规律进行实时监测,并可绘制出压力分布动态图。

▲图12 路面循环载荷施加试验装置整体三维结构

8 结束语

笔者设计了一套路面循环载荷施加试验装置,通过试验及数据分析,可对不同行驶速度和载荷的车辆对路面的压力做出监测,进而可以为路面载重设计提供参考。

路面循环载荷施加试验装置主要基于二自由度车辆模型与Pasternak路基模型进行设计。

这一装置是在实验室环境下进行的初步探索,尚未解决的难题有很多,如试验车速不能达到实际车速,忽略空气阻力、坡度阻力和加速度影响等,有待进一步改进。