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）

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(yàn)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(jì)、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

0 引言

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(yùn)車輛在交通運(yùn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致許多道路路面在沒有達(dá)到設(shè)計(jì)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(yùn)輸也帶來了經(jīng)濟(jì)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(jì)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。

1 重載車輛構(gòu)成和計(jì)算參數(shù)

1.1 重載車輛的簡介

重載車輛的構(gòu)造主要由車身、底盤、發(fā)動機(jī)及其配套的電子設(shè)備等組成，發(fā)動機(jī)是使汽車行駛的動力源，一般由機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、點(diǎn)為系統(tǒng)（汽油機(jī)）等組成。底盤是整個(gè)汽車的承載結(jié)構(gòu)部分，承擔(dān)著發(fā)動機(jī)以及車身的重量；同時(shí)也是動力傳遞裝置，通過軸輪的轉(zhuǎn)動，將發(fā)動機(jī)的動力傳遞的車身的各個(gè)部分，保證汽車正常運(yùn)行。發(fā)動機(jī)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。可以把整個(gè)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(gè)復(fù)雜的多自由度“質(zhì)量—?jiǎng)偠取枘帷眲恿W(xué)系統(tǒng)。

1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

在進(jìn)行重載車輛建模時(shí)，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(yùn)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(yàn)法、查圖法、計(jì)算法、CAD建模法等[4]。在建立整體車輛模型時(shí)，選取如下幾個(gè)因素作為基本設(shè)計(jì)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(diǎn)頭和偏轉(zhuǎn)慣量、阻尼系數(shù)和彈性剛度等內(nèi)容。

2 典型車輛分析模型

由于實(shí)際的車輛構(gòu)造自由度非常多，并且其計(jì)算量也會非常龐大，使得一般的計(jì)算分析無法進(jìn)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(jìn)行一定的簡化，然后進(jìn)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(gè)模型主要的考慮車輛的七個(gè)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(gè)車輪的振動位移。

圖 1 七自由度整車分析模型

3 動力分析模型的構(gòu)建

生活中最為常見的就是四輪胎汽車，在運(yùn)動的過程中，四個(gè)輪胎的受力狀態(tài)和響應(yīng)機(jī)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(shí)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(shí)，由于車輪在質(zhì)量、材料、胎紋、胎壓等方面存在差異，四個(gè)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(gè)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(shí)運(yùn)動復(fù)雜，除汽車重心做上下垂向運(yùn)動外，汽車還會產(chǎn)生側(cè)傾運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、橫擺運(yùn)動。這些運(yùn)動并非各自單獨(dú)發(fā)生的，而是以合成運(yùn)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

4 構(gòu)建振動數(shù)學(xué)模型

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，多剛度體系中的每個(gè)剛體運(yùn)動，都可以轉(zhuǎn)化為在靜態(tài)作用下分析。即等價(jià)于在一個(gè)剛體的主動力和約束力作用下，再加上一個(gè)假想的慣性力作用。即認(rèn)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(jìn)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(jìn)行獨(dú)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(yùn)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(diǎn)頭運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(gè)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(gè)非懸掛部分的垂向位移；（Zli）i=4分別為前后四個(gè)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(gè)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(dá)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(shí)，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(diǎn)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(shí)情況。

5 結(jié)論

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(yàn)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(shí)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(shí)也給車輛和道路設(shè)計(jì)理論和方法提供了一定的參考價(jià)值。

[1] 鄭京杰，李躍軍.汽車對路面上行駛的車輛對路面隨機(jī)動壓力的分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，1992，5（2）：40-43.

[2] 申永剛，項(xiàng)貽強(qiáng).行駛車輛引起復(fù)雜場地及結(jié)構(gòu)振動的試驗(yàn)研究[J].振動與沖擊，2008，27（5）：89-94.

[3] 吳志華.基于車輛—道路耦合系統(tǒng)下的道路友好特性研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2010.

[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