四軸鉸接客車軸荷計算方法研究

杜微微，趙昌鋒

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

四軸鉸接客車軸荷計算方法研究

杜微微，趙昌鋒

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

以某款18 m純電動鉸接客車為例，對四軸客車的軸荷計算進行理論分析，在此基礎上提出一種四軸鉸接式客車軸荷的計算方法,并進行驗證。

鉸接客車；四軸；軸荷；計算方法

汽車的軸荷是汽車方案設計過程中進行總體布置、分析車架強度和整車性能的重要參數(shù)。對于兩軸汽車，可以根據(jù)靜力平衡方法獲得軸荷[1]。四軸汽車則是一種典型的超靜定結構，軸荷無法通過靜力平衡的方法求解。本文另辟蹊蹺，從能量的角度求解各軸軸荷，為車輛設計初期的軸荷估算提供行之有效的方法。

1 計算模型的假設

本文的研究對象是一款18 m純電動四軸鉸接客車，該車設計總重34 000 kg；前軸、中軸、后軸、隨動轉向橋的軸荷分別為 7 000 kg、13 000 kg、13 000 kg、7 000 kg；底盤總長17 550 mm；科曼空氣懸架；伊卡路斯絞盤；威伯科ECAS系統(tǒng)。它是通過鉸接盤將中軸與后軸鏈接，第四軸采用隨動轉向的形式。

由于研究對象的復雜性，為盡量減少研究的復雜程度，在總體布局階段，可通過以下假設分析軸荷情況：

1）不考慮車輛行駛時的空氣阻力、輪胎和路面間的滾動阻力以及整車各旋轉件慣性力偶矩的影響。

2）主副車之間的牽引連接裝置縱向為剛性連接，在每一研究的瞬時具有相同的減速度；主副車之間的牽引力裝置中忽略摩擦力和動載荷[2]；各車軸具有相同的附著系數(shù)。

2 建立計算模型

根據(jù)ECAS系統(tǒng)控制原理不同，計算模型分為兩種。

2.1 后橋與隨動橋的氣囊連通方案

此方案的ECAS控制原理如圖1所示。后橋氣囊與隨動橋氣囊連通，氣囊內氣壓相同，所以理論上后橋與隨動橋軸荷的大小與氣囊數(shù)量成正比，即4：2。計算模型如圖2所示。

圖1 控制原理圖

圖2 計算模型

根據(jù)圖2可列如下方程：

以后車為研究對象有：

以前車為研究對象有：

聯(lián)解式（1）～式（5）可得

式中：Y為鉸接盤受到的垂向力；G1、G2分別為前、后車總重；Y1～Y4分別為前、中、后、隨動轉向橋軸荷。

2.2 后橋與隨動橋氣囊各自獨立聯(lián)解方案。

此方案的ECAS控制原理是在圖1基礎上，在后橋與隨動橋之間增加一個電磁閥，單獨控制隨動橋氣囊，從而各橋氣囊均獨立控制。此時軸荷的計算模型為超靜定結構，無法運用靜力平衡方法求解。

在建立計算模型的過程中，曾經(jīng)建立過如圖3所示的模型，即假設汽車縱梁為一連續(xù)梁，輪胎與懸架為剛性支承，運用超靜定理論的力法或位移法求解，結果與實際情況相差甚遠[3-5]。后經(jīng)過多方查閱資料，分析發(fā)現(xiàn)輪胎及懸架是彈性元件，應將其視為彈性支承[6-8]，為此，建立如圖4所示的模型。

圖3 剛性計算模型

圖4 彈性計算模型

求解超靜定問題的基本思路：將超靜定結構的多余約束解除，以相應的多余約束力代替其作用，從而得到原結構的相當系統(tǒng)或基本系統(tǒng)；然后利用基本系統(tǒng)在多余約束處所應滿足的變形協(xié)調條件，建立用載荷與多余約束力表示的變形補充方程；最后由補充方程確定多余約束[9]。

對于圖4的模型，其應變余能應為汽車縱梁的應變余能及彈性支座的應變余能之和，因此結構的余能為：

根據(jù)超靜定結構的力法原理，采用圖5的靜定結構作為基本體系，而其他的彈性支座均為多余約束，以其支撐反力代替。

圖5 基本體系

基本體系在荷載及單位力X=1作用下的Mp圖見圖6，M（M2）圖見圖 7。

圖6 Mp圖

圖7 M1（M2）圖

利用疊加原理有：

將式（7）～式（9）分別對X1和 X2求導：

式中：Y11（Y12）為在X1=1（X2=1）作用下，基本體系中第一個支點的支反力；Y21（Y22）為在X1=1（X2=1）作用下，基本體系中第二個支點的支反力；M1（M2）為在X1=1（X2=1）作用下，基本體系的彎矩。

超靜定結構的余能駐值原理為：在內力滿足靜力條件的前提下，如果內力相應的應變還滿足應變協(xié)調條件，則內力必然使余能為駐值[10]。

由超靜定結構的余能駐值原理得：

將式（6）、式（10）和式（11）代入式（12）有：

將式（7）～ 式（9）代入式（13）和式（14）有：

在上式中，Yij、Y1p、Y2p均可通過基本體系求出，積分項可通過對基本體系作彎矩圖，利用圖乘法計算出結果。這樣，將各已知量代入上式，就可以得到二組二元一次方程，可以解出X1、X2。根據(jù)基本體系可以看出，它們分別是后橋和隨動橋的軸荷，將它們帶入式（8）和式（9）即可求出Y1、Y2，即前橋和中橋的軸荷。

2.3 簡化公式

車架的抗彎剛度是很大的，即EI趨于無窮大，積分項近于0。這樣，式（15）和式（16）就變成如下形式：

變形得：

2.4 驗證

以某18 m純電動鉸接客車為例，進行軸荷計算，目標為計算值與試驗值誤差小于300 kg。各軸試驗與計算得到的滿載軸荷見表1。

表1 各軸荷試驗值與計算值對比 kg

由此可見，用本文的近似計算公式得到的結果與試驗值基本相符。達成誤差小于300 kg的目標。

3 結論

應用本文提供的計算方法得到的各軸荷與試驗數(shù)據(jù)基本相符，完全可以滿足總布置在設計初期對整車軸荷估算的要求。

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Study on Calculation Method of Axle Loads for Four-axle Articulated Bus

Du Weiwei,ZhaoChangfeng
（Ramp;DCenter，China FawCo.,Ltd,Changchun 130011,China）

Taking an 18 m pure electric articulated bus for example,this paper presents a theoretical analysis of the axle loads calculation for the four axle bus.Based on this,it proposes a method of calculating the axle loads for the four axle articulated bus and makes verification.

articulated bus;four axes;axle load;calculation method

U462.2+2

A

1006-3331（2017）06-0045-03

杜微微（1982-），女，工程碩士；工程師；主要從事客車整車設計與研究工作。

修改稿日期：2017-05-08