弯坡路面的车路耦合仿真分析

赵书美，郑易楠，曹源文，魏 冬

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074;2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096;3.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074)

弯坡路面的车路耦合仿真分析

赵书美1，郑易楠2，曹源文3，魏 冬3

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074;2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096;3.重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074)

车辆与道路相互作用的研究不仅只考虑路面不平整度对车辆动载荷的影响，而且应考虑行驶工况对车辆动荷载的影响。针对车-路耦合作用的特点，运用ADAMS/Car动力学仿真软件，建立了重型卡车的多自由度仿真模型和3D弯坡路面模型，通过分析弯坡路面和平直路面下车辆对路面的动载荷作用。表明，弯坡路面的疲劳破坏程度比平直路面的大。

路面不平度;弯坡路面;动荷载;耦合振动

汽车行驶在不平整的路面上，车轮对路面会产生附加的动荷载，即关于静荷载的波动，这种动荷载将加速路面平整度的衰减。而路面平整度的变差又将使车轮对路面产生的附加动荷载增大，这就是路面平整度与汽车动荷载之间的耦合作用［1］。山区高速公路由于地形复杂，不同形式的平纵组合所形成的弯坡，是山区高速公路线形中常见的组成部分，也是道路破坏比较严重的部分［2］。应用多体动力学建模研究车辆对路面的动载荷作用是十分必要的。

1 重型卡车仿真模型的建立

笔者选择东风EG1168G1作为研究重型车辆对路面的作用荷载［3］。东风EG1168G1的主要技术参数如表1。

应用ADAMS/car建立的简化汽车模型主要由前/后悬架系统、转向系统、前/后轮胎、车身6个子系统组成［4］，如图1。

表1 卡车主要技术参数及配置Tab.1 Main technical parameters of truck

2 弯坡路面模型的建立

文中的仿真道路选取成渝高速右线K64—K67路段，采用MQ插值方法［5］，应用重庆交通大学开发的路面谱文件生成软件(具体流程见图2)编制路面谱文件。在ADAMS/Car中进行仿真分析时，将路面谱文件导入系统生成的弯坡路面模型［6］，如图3。

该路段的平曲线、竖曲线数据如表2和表3。

表2 成渝右线平曲线数据Tab.2 Horizontal curve data

表3 成渝右线竖曲线数据Tab.3 Vertical curve data

3 车—路耦合仿真分析

3.1 弯坡路面下的车轮动荷载分析

当车辆以80 km/h的速度通过该弯坡路段时，车轮的动荷载随时间的变化规律，如图4。

汽车通过K64—K67路段的作用时间约是2～156 s，前1 s是汽车动平衡调节的过程。下面以汽车经过的前2个弯坡为例进行分析，由图4可以看出。

1)汽车由下坡道行驶变为左转弯道行驶，再转为下坡行驶后又是右转弯道行驶的过程中，汽车前、后左车轮的动荷载在左转弯道处先减小后增大，在右转弯道处先增大后减小;而前、后右车轮的动荷载正好相反。

2)汽车在坡道上行驶时，左、右前车轮的动荷载变化趋势基本相同，大小也相差不是很大，如图4(a);左、右后车轮的动荷载也一样，如图4(b)。

3)汽车进入左转弯道后，前、后左车轮的动荷载迅速减小，前后右车轮的动荷载迅速增大;进入右转弯道后，前、后左车轮的动荷载迅速增大，前后右车轮的动荷载迅速减小。

3.2 弯坡路面与平直路面的车轮动荷载分析对比

路面平整度是路面使用性能评价的重要指标之一［7］。以往的车路相互作用分析仅是考虑路面不平度因素进行仿真研究，其中不平整路面常用正弦函数表征［8］。基于笔者建立的重型卡车模型，正弦函数作为激励输入进行车速为80 km/h的车路耦合仿真，得到的平直路面下的车轮动荷载如图5。

弯坡路面的车轮荷载分析除了考虑纵向路面不平度因素外，还结合了行驶路况因素，对2种不同路面下的车轮荷载进行分析可以得出:

1)对比图4(a)和图5(a)可以看到，汽车在平直路面上行驶时，两前车轮的动荷载变化趋势相同，大小也基本相等;而汽车在弯坡路面上行驶时，左、右前车轮的动荷载变化趋势相反，大小相差很大。这与汽车所受的离心力直接相关。

图5 平直路面下车轮动荷载分析Fig.5 Dynamic load analysis on straight road

2)对比图4(b)和图5(b)可以看到，汽车在平直路面上行驶时，两后车轮的动荷载变化趋势相同，大小也基本相等;而汽车在弯坡路面上行驶时，左、右后车轮的动荷载变化趋势相反，大小相差很大。其主要因素是离心力。

3)对比图4和图5可知，汽车在平直路面上行驶时，前后车轮的动荷载变化比较平缓;汽车在弯坡路面上行驶时，前、后车轮的动荷载有时会突然增大，有时会突然减小。

4 结论

1)利用ADAMS/Car建立了429自由度整车动力学模型和弯坡路面模型。模型的建立为更加精确的进行车路耦合作用计算提供可能，较准确的模拟出车辆在弯坡路面激励下产生的动荷载作用值。

2)分别对平直路面和弯坡路面下的车轮动荷载进行了分析。汽车直线行驶时没有离心力的作用，两前(后)轮的动荷载基本相等;汽车在弯坡路面上行驶时，由于离心力的作用，有使汽车绕两外轮(右前轮、右后轮)触地点连线侧翻的趋势，为了平衡这种趋势和离心力，汽车两内轮(左前轮、左后轮)的动荷载必然减小。

3)汽车在平直路面行驶时，对路面的动荷载比较平缓，而行驶在弯坡路面上时车辆荷载会突然增大或减小，因此弯坡路面的道路破坏程度比平直路面的大。

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Simulation Analysis of Vehicle－Road Coupling on Curved Ramp Road

ZHAO Shu-mei1，ZHENG Yi-nan2，CAO Yuan-wen3，WEI Dong3
(1.School of Traffic＆ Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Traffic，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu China;
3.School of Mechatronics ＆Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In the vehicle and road interaction study，it is not enough to consider the influence of road roughness only on dynamic load，but the driving condition should also be taken into account.According to the vehicle-road coupling characteristics，the models of heavy truck and 3D curved road were built with the ADAMS/Car dynamics simulation software.Meanwhile，the dynamic loads between the wheels and the pavement on curved ramp road and straight road were analyzed comparatively.The result indicated that the pavement damage of curved road was larger than that of straight road

road roughness;curved ramp road;dynamic load;coupling vibration

U461.2

A

1674-0696(2011)03-0436-02

2011-01-10;

2011-03-07

交通运输部西部交通建设科技项目(2008318814065)

赵书美(1986-)，女，山东济南人，硕士研究生，主要从事车辆与交通安全方面的研究。E-mail:zhaoshumei-123123@126.com。