五轴半挂车高速下坡转弯动载响应分析

曹志坡，曹源文，刘志敏

（1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.空军航空大学，吉林长春 130022）

五轴半挂车高速下坡转弯动载响应分析

曹志坡1，曹源文1，刘志敏2

（1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074;2.空军航空大学，吉林长春 130022）

利用ADAMS/CAR建立了某型五轴半挂车（1+5+5）型的车辆模型，以及不同坡度、不同转弯半径的路面文件。仿真分析了车辆在弯坡路面高速下坡行驶的过程，说明了过程中动荷载变化的原因，统计分析了车辆在不同弯坡的路面上行驶产生的动荷载，找到了动荷载随着坡度、转弯半径的变化规律。可为路面设计和车辆设计时考虑动荷载的变化提供参考。

动荷载;静荷载;坡度;转弯半径

自从我国实施西部大开发战略计划以来，我国西部地区交通运输事业快速发展，公路通车里程迅猛增长。然而西部地区大部分为山区地形，道路多为弯道与坡道的组合，少有平直路面。在我国及世界其他国家现行的路面设计方法中，把车辆荷载设为静荷载或近似等效静荷载，这在车辆行驶在平直路面且车速较低，荷载不大时是适用的。而在西部山区路面组合复杂的情况下，车辆行驶产生的荷载与其静荷载会有较大的偏差，造成路面设计时的设计荷载偏低，路面在没达到设计使用年限就产生早期破坏的现象［1-2］。笔者主要考虑不同弯度和坡度的组合，利用多体动力学仿真软件ADAMS，建立不同坡度，不同圆曲线半径的路面模型进行动力学仿真分析，找出车辆行驶时产生的动荷载的变化规律。

1 车辆及路面模型的建立

1.1 车辆模型的建立

选取一汽某重型牵引车，挂载五轴半挂车（1+5+5）型，其具体参数见表1。建立车辆模型，如图1。设置车辆载质量为额定载质量17.1 t，质心位置在（13 025，0，1 851.5）处。

表1 五轴半挂车参数Table 1 Five axle semi-trailer vehicle parameters

（续表1）

图1 五轴半挂车车辆模型Fig.1 Five axle semi-trailer vehicle model

1.2 路面模型的建立

在路面设计时，可以不设缓和曲线，且超高的最小圆曲线半径r应为150 m，r＜150 m时均应设置回旋线或设置超高、加宽缓和段。同时各级公路的最大纵坡坡度（i）应不大于9%［3］。

考虑安全裕度，取圆曲线半径最小值为120 m。r=120～1 000 m时每隔80 m取一个值，i=0%～9%时每隔1% 取一个值。共需建立不同坡度，不同圆曲线半径的路面文件120个。

路面建模器通过定义路面中心线节点坐标确定道路坡度、弯度，定义道路宽度12 m，摩擦系数0.9，生成xml格式的路面文件［4-5］。图2为圆曲线半径520 m，坡度9%的路面。

图2 路面模型示例Fig.2 Pavement model example

2 仿真结果分析

2.1 单一弯坡路面仿真结果分析

在同样的路面条件下，车辆动荷载（D）随着车速的增加而增大［6］。而车辆车速在上坡时一般都比较低，下坡时比较高，所以只考虑车辆较高车速下坡行驶的工况，即建立驱动文件，使仿真车辆以20 m/s的车速下坡且向右转弯，计算其产生的动荷载（D）。所有仿真采用同一驱动文件，所以车辆在不同坡度、不同圆曲线半径路面上仿真时的行驶速度均为恒定车速10 m/s。

选取车辆在i=5%，r=520 m的弯坡路面行驶所产生的仿真结果（图3），分析车辆在弯坡路面高速下坡时，在各个路段动荷载的变化及其原因。

图3 i=5%，r=520 m的弯坡路面轮胎动荷载Fig.3 Tire dynamic loading on gradient 5%，turn radius 520 m curved surface slope road

由图3可知，在平直路面上行驶时车辆的所有轮胎荷载可以认为是静荷载。在5 s左右车辆开始下坡，轮胎荷载发生突变，这是由于在建立路面模型时在平路与坡道路面之间没有设置竖曲线，这个突变后荷载很快恢复到正常值，不会影响仿真结果的解读和数据的采集。

在8～15 s之间前轮荷载减小，2轴和3轴上轮胎的荷载增大，4轴5轴上轮胎荷载基本不变。这是由于车辆在下坡过程中，轴荷发生转移，前轴轴荷转移到牵引车的两个驱动轴上。在15 s左右车辆开始在下坡路面上右转，由于离心力的影响［7］，左轮荷载突然增大，右轮荷载突然减小。由于轴荷转移，前轮荷载突然增大后又呈减小的趋势，2轴和3轴上轮胎的荷载突然增大后又呈缓慢增大的趋势，4轴、5轴上轮胎荷载基本不变。

发生轴荷转移的主要原因在于离心力与重力的联合作用。随着坡度的增大，2轴、3轴与重心的相对距离减小，在平衡力矩的作用下轴荷增大，且牵引车与半挂车采用铰接式连接，随着坡度增大，1轴、4轴和5轴荷载减小［8］。

车辆前轮的静荷载最大，车辆转弯时也是左前轮动荷载值最大，这是由于前轮为单胎承压，后轮均为双胎承压。40 s以后的动荷载波动是由于笔者考虑到输入路面节点的工作量，每隔10 m取1个节点坐标，导致弯道路面末端的曲率不连续，方向盘转角迅速增大导致车辆离心力的波动。采集动荷载的均方根值时省略40 s以后的值。通过分析发现，车辆4轴、5轴的静荷载及转弯时动荷载均小于其他轴，且动荷载变化不大，因此不必分析4轴、5轴动荷载的变化规律。

2.2 仿真数据采集与分析

对所有路面进行仿真得到车辆静止时各轴轮胎静荷载（表2）。

表2 各轴轮胎静荷载Table 2 Static loads on the tires of each axle

图4为车辆在同一坡度、不同圆曲线半径的弯坡路面上高速下坡时各轴车轮动荷载的变化趋势。

图4 同一坡度、不同圆曲线半径各轮胎动荷载Fig.4 Dynamic loads engendered by each tire on the same slope and different turning radius road

由图4可知，随着圆曲线半径的增大，左前轮动荷载迅速下降，右前轮动荷载迅速上升，当转弯半径超过680 m后，两者的动荷载变化平缓并趋于静荷载。在转弯半径超过680 m后，同一转弯半径，2轴、3轴左轮动荷载表现出随着坡度增大而增大的趋势，这是由车辆下坡转弯过程发生的轴荷转移造成的。同时右前轮受离心力影响减弱，其动荷载随着下坡距离的增大而减小，见图4（d），这种现象在图5（d）也有所体现。

图5为车辆在同一圆曲线半径，不同坡度的弯坡路面上高速下坡时各轴车轮动荷载的变化趋势。

图5 同一圆曲经半径、不同坡度各轮胎动荷载Fig.5 Dynamic loads engendered by each tire on the same turning radius and different slope road

由图5可知，当圆曲线半径为120 m时，左轮动荷载都随坡度的增大而减小;右轮动荷载都随坡度的增大而增大。当圆曲线半径超过200 m时，左前轮动荷载随坡度的增大而减小，2轴、3轴左轮动荷载随坡度的增大而增大，且在圆曲线半径超过680 m后表现的更明显;右轮动荷载仍随着坡度的增大而增大。这说明:①当车辆下坡转弯时，车辆的轴载发生了转移，前轴的轴载转移到了2轴、3轴，其中转移到3轴的荷载最多;②当圆曲线半径超过680 m后，下坡距离对右前轮动荷载的影响比坡度对其产生的影响要大。

3 结论

1）车辆在有代表性的路面上行驶的仿真结果表明:在车辆下坡右转行驶过程中左前轮动荷载值最大，2轴、3轴动荷载变化最明显，4轴、5轴动荷载变化不大。

2）统计仿真结果中下坡转弯阶段动荷载平滑数据段的均方根值，得到车辆在同一坡度、不同圆曲线半径路面行驶时各轴轮胎动荷载与圆曲线半径之间的规律。结果表明，车辆在急转弯路面上行驶对路面的破坏比较严重，圆曲线半径超过680 m后对路面影响较小。

3）统计分析仿真结果中下坡转弯阶段动荷载平滑数据段的均方根值，得到车辆在同一圆曲线半径、不同坡度路面行驶时各轴轮胎动荷载与坡度之间的规律。结果表明，随着坡度的增大，2轴、3轴动荷载明显增大。因此，在设计载重汽车时应考虑增加鞍座下的轴数或轮胎数，以达到在增加载质量的同时减少对路面的破坏的目的。

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Zhao Shumei，Cao Yuanwen，Wei Dong.Establishment of simulation model of coupling vibration between road and vehicle［J］.Agricultural Equipment＆ Vehicle Engineering，2011（3）:10-21.

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Chen Yinsan，Yu Qiang.Automobile Dynamics［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2009.

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

交通运输部西部交通建设项目（200831881465）

曹志坡（1987—），男，山东德州人，硕士研究生，主要从事现代车辆设计方法及理论的研究。E-mail:caozhipod630@sina.com。