五軸半掛車高速下坡轉彎動載響應分析

曹志坡，曹源文，劉志敏

（1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.空軍航空大學，吉林長春 130022）

五軸半掛車高速下坡轉彎動載響應分析

曹志坡1，曹源文1，劉志敏2

（1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074;2.空軍航空大學，吉林長春 130022）

利用ADAMS/CAR建立了某型五軸半掛車（1+5+5）型的車輛模型，以及不同坡度、不同轉彎半徑的路面文件。仿真分析了車輛在彎坡路面高速下坡行駛的過程，說明了過程中動荷載變化的原因，統(tǒng)計分析了車輛在不同彎坡的路面上行駛產(chǎn)生的動荷載，找到了動荷載隨著坡度、轉彎半徑的變化規(guī)律?？蔀槁访嬖O計和車輛設計時考慮動荷載的變化提供參考。

動荷載;靜荷載;坡度;轉彎半徑

自從我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略計劃以來，我國西部地區(qū)交通運輸事業(yè)快速發(fā)展，公路通車里程迅猛增長。然而西部地區(qū)大部分為山區(qū)地形，道路多為彎道與坡道的組合，少有平直路面。在我國及世界其他國家現(xiàn)行的路面設計方法中，把車輛荷載設為靜荷載或近似等效靜荷載，這在車輛行駛在平直路面且車速較低，荷載不大時是適用的。而在西部山區(qū)路面組合復雜的情況下，車輛行駛產(chǎn)生的荷載與其靜荷載會有較大的偏差，造成路面設計時的設計荷載偏低，路面在沒達到設計使用年限就產(chǎn)生早期破壞的現(xiàn)象［1-2］。筆者主要考慮不同彎度和坡度的組合，利用多體動力學仿真軟件ADAMS，建立不同坡度，不同圓曲線半徑的路面模型進行動力學仿真分析，找出車輛行駛時產(chǎn)生的動荷載的變化規(guī)律。

1 車輛及路面模型的建立

1.1 車輛模型的建立

選取一汽某重型牽引車，掛載五軸半掛車（1+5+5）型，其具體參數(shù)見表1。建立車輛模型，如圖1。設置車輛載質量為額定載質量17.1 t，質心位置在（13 025，0，1 851.5）處。

表1 五軸半掛車參數(shù)Table 1 Five axle semi-trailer vehicle parameters

（續(xù)表1）

圖1 五軸半掛車車輛模型Fig.1 Five axle semi-trailer vehicle model

1.2 路面模型的建立

在路面設計時，可以不設緩和曲線，且超高的最小圓曲線半徑r應為150 m，r＜150 m時均應設置回旋線或設置超高、加寬緩和段。同時各級公路的最大縱坡坡度（i）應不大于9%［3］。

考慮安全裕度，取圓曲線半徑最小值為120 m。r=120～1 000 m時每隔80 m取一個值，i=0%～9%時每隔1% 取一個值。共需建立不同坡度，不同圓曲線半徑的路面文件120個。

路面建模器通過定義路面中心線節(jié)點坐標確定道路坡度、彎度，定義道路寬度12 m，摩擦系數(shù)0.9，生成xml格式的路面文件［4-5］。圖2為圓曲線半徑520 m，坡度9%的路面。

圖2 路面模型示例Fig.2 Pavement model example

2 仿真結果分析

2.1 單一彎坡路面仿真結果分析

在同樣的路面條件下，車輛動荷載（D）隨著車速的增加而增大［6］。而車輛車速在上坡時一般都比較低，下坡時比較高，所以只考慮車輛較高車速下坡行駛的工況，即建立驅動文件，使仿真車輛以20 m/s的車速下坡且向右轉彎，計算其產(chǎn)生的動荷載（D）。所有仿真采用同一驅動文件，所以車輛在不同坡度、不同圓曲線半徑路面上仿真時的行駛速度均為恒定車速10 m/s。

選取車輛在i=5%，r=520 m的彎坡路面行駛所產(chǎn)生的仿真結果（圖3），分析車輛在彎坡路面高速下坡時，在各個路段動荷載的變化及其原因。

圖3 i=5%，r=520 m的彎坡路面輪胎動荷載Fig.3 Tire dynamic loading on gradient 5%，turn radius 520 m curved surface slope road

由圖3可知，在平直路面上行駛時車輛的所有輪胎荷載可以認為是靜荷載。在5 s左右車輛開始下坡，輪胎荷載發(fā)生突變，這是由于在建立路面模型時在平路與坡道路面之間沒有設置豎曲線，這個突變后荷載很快恢復到正常值，不會影響仿真結果的解讀和數(shù)據(jù)的采集。

在8～15 s之間前輪荷載減小，2軸和3軸上輪胎的荷載增大，4軸5軸上輪胎荷載基本不變。這是由于車輛在下坡過程中，軸荷發(fā)生轉移，前軸軸荷轉移到牽引車的兩個驅動軸上。在15 s左右車輛開始在下坡路面上右轉，由于離心力的影響［7］，左輪荷載突然增大，右輪荷載突然減小。由于軸荷轉移，前輪荷載突然增大后又呈減小的趨勢，2軸和3軸上輪胎的荷載突然增大后又呈緩慢增大的趨勢，4軸、5軸上輪胎荷載基本不變。

發(fā)生軸荷轉移的主要原因在于離心力與重力的聯(lián)合作用。隨著坡度的增大，2軸、3軸與重心的相對距離減小，在平衡力矩的作用下軸荷增大，且牽引車與半掛車采用鉸接式連接，隨著坡度增大，1軸、4軸和5軸荷載減?。?］。

車輛前輪的靜荷載最大，車輛轉彎時也是左前輪動荷載值最大，這是由于前輪為單胎承壓，后輪均為雙胎承壓。40 s以后的動荷載波動是由于筆者考慮到輸入路面節(jié)點的工作量，每隔10 m取1個節(jié)點坐標，導致彎道路面末端的曲率不連續(xù)，方向盤轉角迅速增大導致車輛離心力的波動。采集動荷載的均方根值時省略40 s以后的值。通過分析發(fā)現(xiàn)，車輛4軸、5軸的靜荷載及轉彎時動荷載均小于其他軸，且動荷載變化不大，因此不必分析4軸、5軸動荷載的變化規(guī)律。

2.2 仿真數(shù)據(jù)采集與分析

對所有路面進行仿真得到車輛靜止時各軸輪胎靜荷載（表2）。

表2 各軸輪胎靜荷載Table 2 Static loads on the tires of each axle

圖4為車輛在同一坡度、不同圓曲線半徑的彎坡路面上高速下坡時各軸車輪動荷載的變化趨勢。

圖4 同一坡度、不同圓曲線半徑各輪胎動荷載Fig.4 Dynamic loads engendered by each tire on the same slope and different turning radius road

由圖4可知，隨著圓曲線半徑的增大，左前輪動荷載迅速下降，右前輪動荷載迅速上升，當轉彎半徑超過680 m后，兩者的動荷載變化平緩并趨于靜荷載。在轉彎半徑超過680 m后，同一轉彎半徑，2軸、3軸左輪動荷載表現(xiàn)出隨著坡度增大而增大的趨勢，這是由車輛下坡轉彎過程發(fā)生的軸荷轉移造成的。同時右前輪受離心力影響減弱，其動荷載隨著下坡距離的增大而減小，見圖4（d），這種現(xiàn)象在圖5（d）也有所體現(xiàn)。

圖5為車輛在同一圓曲線半徑，不同坡度的彎坡路面上高速下坡時各軸車輪動荷載的變化趨勢。

圖5 同一圓曲經(jīng)半徑、不同坡度各輪胎動荷載Fig.5 Dynamic loads engendered by each tire on the same turning radius and different slope road

由圖5可知，當圓曲線半徑為120 m時，左輪動荷載都隨坡度的增大而減小;右輪動荷載都隨坡度的增大而增大。當圓曲線半徑超過200 m時，左前輪動荷載隨坡度的增大而減小，2軸、3軸左輪動荷載隨坡度的增大而增大，且在圓曲線半徑超過680 m后表現(xiàn)的更明顯;右輪動荷載仍隨著坡度的增大而增大。這說明:①當車輛下坡轉彎時，車輛的軸載發(fā)生了轉移，前軸的軸載轉移到了2軸、3軸，其中轉移到3軸的荷載最多;②當圓曲線半徑超過680 m后，下坡距離對右前輪動荷載的影響比坡度對其產(chǎn)生的影響要大。

3 結論

1）車輛在有代表性的路面上行駛的仿真結果表明:在車輛下坡右轉行駛過程中左前輪動荷載值最大，2軸、3軸動荷載變化最明顯，4軸、5軸動荷載變化不大。

2）統(tǒng)計仿真結果中下坡轉彎階段動荷載平滑數(shù)據(jù)段的均方根值，得到車輛在同一坡度、不同圓曲線半徑路面行駛時各軸輪胎動荷載與圓曲線半徑之間的規(guī)律。結果表明，車輛在急轉彎路面上行駛對路面的破壞比較嚴重，圓曲線半徑超過680 m后對路面影響較小。

3）統(tǒng)計分析仿真結果中下坡轉彎階段動荷載平滑數(shù)據(jù)段的均方根值，得到車輛在同一圓曲線半徑、不同坡度路面行駛時各軸輪胎動荷載與坡度之間的規(guī)律。結果表明，隨著坡度的增大，2軸、3軸動荷載明顯增大。因此，在設計載重汽車時應考慮增加鞍座下的軸數(shù)或輪胎數(shù)，以達到在增加載質量的同時減少對路面的破壞的目的。

（References）:

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Dynamic Load Response Analysis on Five Axle Semi-Trailer Running on the Curved Slope Road at High Speed

Cao Zhipo1，Cao Yuanwen1，Liu Zhimin2
（1.School of Mechatronics＆ Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2.Aviation University of Air Force，Changchun 130022，Jilin，China）

A certain kind of five axle semi-trailer（1+5+5）vehicle model and different slope，different turning radius road files was built using ADAMS/CAR.Simulation analysis on the procedure of vehicle running on the curved surface slope road was carried out，and the reason for the variation of dynamic load was also explained.Statistics analysis on dynamic load engendered by vehicle running on different curved surface slope roads was carried out，and the variation regulation of dynamic loading changing with slope and turning radius was found out.The proposed analysis results provide reference that the change of the dynamic load should be considered in the pavement and vehicle design.

dynamic load;static load;gradient;turning radius

U441+.7

A

1674-0696（2013）02-0339-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.36

2012-05-14;

2012-09-12

交通運輸部西部交通建設項目（200831881465）

曹志坡（1987—），男，山東德州人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代車輛設計方法及理論的研究。E-mail:caozhipod630@sina.com。