（载运工具运用工程专业论文）弯坡路面上的车辆荷载仿真分析.pdf

i 嬲渤 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独, 2 t i l f 行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 学位论文作者签名：氲荸表 日期：加j7 年年月7 口e t 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：极移灸 日期：加j f 年午月i o 日 指导教师签名颧r 日期：加f 年年月，0e l 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：氢菩灸 日期：伽f 年q 月肜e t 八为弘 f t 鞋j x 年年月1 0 日 摘要 车辆接受路面的不平度激励，产生不同于静载的动态荷载，并以这种变化的 荷载作用于路面上，使路面产生相应的响应，加速路面平整度的衰减。但是道路 结构在运动车辆荷载作用下的力学行为相当复杂，除受路面平整度的影响外，特 殊行驶工况对车辆动荷载的影响也很重要。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，将路面的 不平度因素和弯坡行驶工况因素结合起来进行研究，分析弯坡路段的道路破坏情 况，显得愈发重要。 通过典型重型车辆和轴载调查，选择东风e g l l 6 8 g l ( 2 型轴) 为仿真样车： 将重型车作一定程度的简化，利用a d a m s c a r 建立了4 2 9 自由度整车动力学模型， 主要包括前后悬架、转向系、发动机和轮胎等子系统模型；通过v c 编程生成非 实测弯坡路面属性文件，建立相应弯坡路面模型，以便进行车轮动荷载的影响因 素分析；综合各因素对实测数据应用路面文件自动生成软件编制实测弯坡路面谱 文件，建立实测弯坡路面模型，用于进行弯坡路面与平直路面的动荷载对比分析： 运用a d a m s c a r 对弯坡路面上的行车动荷载进行了分析和求解。系统研究了弯坡 路面特征参数弯度和坡度、路面不平度、行车速度、载重等因素对车辆动荷载的 影响规律。 结果表明，车辆动载荷系数随着弯度的增大而逐渐靠近1 ，说明附加动载随着 弯度的增大波动变小；车辆动载荷系数随着上、下坡坡度的增加，而逐渐远离l ， 说明附加动载随着坡度的增大波动变大；车辆动载荷系数随着车速的增加，而远 离l ，说明车速越高，振动越严重；车辆动载荷系数随着路面波形幅值的增加而远 离1 ，说明路面不平度越大，车辆振动越严重；空车动载对路面的破坏作用不容忽 视。 因此，基于弯坡路面，综合路面平整度因素和车辆行驶速度及车辆轴重等因 素，通过建模和仿真分析，研究重型车对路面的动荷载作用，确定车辆动荷载影 响系数规律，从而为高速公路路面设计提供合理的车辆荷载，为路面动态设计方 法乃至设计规范的制订做前期准备工作。 关键词：动荷载；弯坡路面；平整度；重型卡车；仿真 a bs t r a c t u n d e 玛o m gt h ep a v e m e n tr o u g h n e s se x c i t a t i o n ，t h ed y n a m i cl o a dt h a ti sd i f f e r e m t h es t a t i cl o a di sg e n e r a t e d a f f e c t e db yt h ed y n a m i cl o a d , t h ec o r r e s p o n d i n gr e s p o n s e o ft h ep a v e m e n tw i l lb ec a u s e d b u tm e c h a n i c a lb e h a v i o rc a u s e db yd y n a 商cl o a d so f t h ev e h i c l eu n d e rt h er o a ds t r u c t u r ei sv e r yc o m p l e x p a v e m e n tr o u g h n e s si st h em a i n r e a s o nf o rd y n a 血cl o a d s ，t h es p e c i a ld r i v i n gc o n d i t i o ns h o u l da l s ob ea l li m p o r t a n t f a c t o r t h ec u r v e dr a m pr o a df o r m e db yo fd i f f e r e n tf o r m so ff l a ta n dv e r t i c a lc l l v e c o m b i n a t i o ni st h ec o m m o nl i n e a rp a r to fm o u n t a i nh i g h w a y t h ea n a l y s i so ft h er o a d d a m a g eb a s e do nc u r v e dr a m pr o a db e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h r o u g ht h es u r v e y so ft y p i c a lh e a v y - d u t yv e h i c l e sa n da x l e1 0 a d , d fe g l 1 6 8 g 1 ( 2s h a r dw a ss e l e c t e da st h es i m u l a t i o np r o t o t y p e h e a v yv e h i c l e sw i l lb es i m p l i f i e dt o s o m ee x t e n t , a n dt h ev e h i c l ed y n a m i cm o d e lo f4 2 9 一d o fw a se s t a b l i s h e db ya d a m s c a r , i n c l u d i n gf r o n t l e a rs u s p e n s i o n s t e e r i n gs y s t e m , e n g i n ea n dt i r e sa n do t h e r s u b s y s t e mm o d e l s t h ep r o p e r t yf i l e so fn o n - m e a s u r e dc u r v e dr a m ps u r f a c ew e r e g e n e r a t e db yv cp r o g r a m , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs u r f a c 2m o d e l sw e r ea c h i e v e df o r a 砌y z m gd y n a m i cl o a d a c c o r d i n gt ot h ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e ds o f t w a r eo fp r o p e r t y f i l e s ，t h er o a df l i e so fm e a s u r e dc u r v e dr a m ps u r f a c ew e r ec r e a t e d 丽t l li n t e g r a t i n g v a r i o u sf a c t o r s ，a n ds o 弱t h es u r f a c em o d e ld e v e l o p e d , w h i c hc a na n a l y z et h ed y n a m i c l o a d sb e t w c g nt h ew h i sa n dt h ep a v e m e n to nc u r v e dr a m pr o a da n ds t r a i g h tr o a d c o m p a r a t i v e l y t h ed y n a m i cl o a du n d e rc u r v e dr a m pr o a di sa n a l y z e da n ds o l v e db y a d a m s c a r , a n ds y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h ep a v e m e n tf e a t u r ep a r a m e t e r s ( c u r v a t u r e & s l o p e ) ，p a v e m e n tr o u g h n e s s ，s p e e d ，a n dl o a da n ds oo n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ev e h i c l ed l ci s a p p r o a c h i n g1w i mt h ep a v e m e n t c u r v a t u r ei n c r e a s e ，s u g g e s t i n gt h ea d d i t i o n a ld y n a m i el o a df l u c t u a t e d 谢mt h ep a v e m e n t c u r v a t u r ei n c r e a s e t h ed l ci sm o v i n ga w a yf r o m1 谢mt h ep a v e m e n ts l o p ei n c r e a s e ， s u g g e s t i n gt h ea d d i t i o n a ld y n a m i cl o a df l u c t u a t e dw i t ht h ep a v e m e n ts l o p ei n c r e a s e t h ed l ci sm o v i n ga w a yf r o m1w i t ht h es p e e di n c r e a s e ，s u g g e s t i n gt h ev i b r a t i o ni s m o r es e r i o u s 、析t l lt h eh i g h e rs p e e d t h ed l ci sm o v i n ga w a yf r o m1 、析mt h ep a v e m e n t a m p l i t u d ei n c r e a s e ，s u g g e s t i n gt h ev i b r a t i o ni sm o r es e r i o u s 晰mt h ea m p l i t u d ei n c r e a s e b e s i d e s ，t h ed e s t r u c t i v ee f f e c to np a v e m e n to ft h ed y n a m i cl o a do f 锄婀v e h i c l ec a l l n o tb en e g l e c t e d t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ec u r v e dr a m pr o a d , t h ed y n a m i cl o a d sa f f e c t e db yt h e p a v e m e n tr o u g h n e s s ，t h ev e h i c l es p e e da n ds oo nw e r ea n a l y z e dt h r o u g hm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n t h ed y n a m i cl o a da n dt h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no fd i f f e r e n tp a v e m e n t p o i n t sw e r ec a l c u l a t e da td i f f e r e n ts e r v i c et i m ea n dt h ep a v e m e n tr o u g h n e s so fd i f f e r e n t s e r v i c et i m ew e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt od y n a m i cl o a di n f o r m a t i o n , t h ec h a n g i n gt r e n d o fd l cw a sa c h i e v e d , w h i c hc a np r o v i d et h e b a s i sa n dr e f e r e n c ef o rp a v e m e n t m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o no p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：t h ed y n a m i cl o a d s ；c u r v e dr a m pr o a d ；r o u g h n e s s ；h e a v yc l u t yt r u c k ； s i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出和研究意义l 1 1 1 问题的提出l 1 1 2 研究意义l 1 2 国内外的研究现状和发展3 1 2 1 车辆动力学研究现状3 1 2 2 车辆和路面相互作用3 1 3 主要研究内容5 第二章车一路系统相关参数调查和分析6 2 1 典型重型车辆和轴载调查6 2 1 1 典型路段车辆组成和轴载调查6 2 1 2 典型路段车辆组成和轴载调查分析8 2 2 平整度及行驶车辆稳定性分析9 2 2 1 路面不平度分析。9 2 2 2 弯坡路面行驶车辆的稳定性分析l l 2 3 小结。1 5 第三章车辆荷载分析16 3 1 车辆荷载分类16 3 1 1 静态荷载1 6 3 1 2 动态荷载1 6 3 2 多自由度系统振动理论。1 7 3 3 四自由度1 + 2 型车辆振动模型19 3 4 车辆动荷载评价指标。2 1 3 5 小结一2 2 第四章车辆系统建模2 3 4 1a d a m s c a r 建模思路2 3 4 2 车辆参数及模型简化一2 3 4 3 重型卡车模型。2 4 4 3 1 前悬架模型2 6 4 3 2 后悬架模型2 9 4 3 3 转向系统模型3 0 4 3 4 轮胎模型3 0 4 3 5 车身模型3 2 4 3 6 整车模型3 3 4 4 小结一3 5 第五章路面系统建模。3 6 5 1a d a m s c a t 道路模型3 6 5 1 12 d 道路3 6 5 1 23 d 道路3 7 5 2 非实测弯坡路面模型3 9 5 2 1 弯坡v c 程序3 9 5 2 2 非实测弯坡路面模型4 1 5 3 实测弯坡路面模型一4 2 5 3 1 插值函数的生成4 2 5 3 2 平面网格划分4 3 5 3 3 路面模型的生成4 3 5 4 本章小结4 6 第六章车一路系统仿真分析4 7 6 1 整车仿真的一般步骤一4 7 6 2 车轮动荷载影响因素分析4 8 6 2 1 不同坡度对车轮动荷载的影响4 8 6 2 2 不同弯度对车轮动荷载的影响5 8 6 2 3 不同车速对车轮动荷载的影响一6 3 6 2 4 路面不平度对车轮动荷载的影响6 7 6 2 5 轴重对车轮动荷载的影响6 8 6 3 实测弯坡路面和平直路面的车轮动荷载分析对比6 9 6 3 1 实测弯坡路面的车轮动荷载分析7 0 6 3 2 平直路面的车轮动荷载分析7 0 6 3 2 不同路面的车轮动荷载对比7 2 6 4 本章小结7 2 第七章结论及展望。7 3 7 1 本文主要研究成果和结论一7 3 7 2 工作展望。7 3 1 i l l 谢。7 4 参考文献7 5 攻读学位期间取得的研究成果。7 8 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究意义 1 1 1 问题的提出 自1 9 8 8 年沈大、泸嘉高速建成通车，我国公路建设进入了以高速公路和高等 级公路为主的崭新时代。截止2 0 0 9 年年底，高速公路里程已超过6 5 万公里【l 】。 经过短短二十年的建设，我国高速公路的发展走完了发达国家半个多世纪的发展 历程，成就斐然 2 1 。在取得巨大成就的同时，也出现了一些问题，特别是在已建成 的高速公路中，路面结构出现了较多的早期损坏，明显表现出路面结构长期使用 性能不足 3 - 5 1 。一些高速公路建成通车后不久，就不得不进行大面积维修，既造成 巨大的国有资产浪费，又影响交通服务能力。这促使我们对现有的设计方法进行 深入研究，提出能够反映实际交通荷载下的车辆和道路相互作用分析方法。 目前世界各国的车一路相互作用分析方法中，把车辆荷载视为静荷载。这在 荷载不大、车速较低、路面平整的情况下基本适合。但从世界公路交通发展的规 律看，随着国家高速公路交通网致密化，交通车辆组成必然向高速重载方向发展。 我国的公路交通现已经进入重交通阶段。尽管可通过采用增加轴数、轮胎数及轮 胎接地面积等措施，使得重载车辆单位作用面积下的静态压强与小吨位车辆相同 或接近，但由于车速的提高和车辆载重的增大，使车辆在运动状态下由于振动所 引起的惯性荷载和冲击荷载会大大增大。静力荷载模式与车辆运行过程中对地面 实际作用力的差异越来越大，地面结构的动力学特性也远非静力学特性所能描述。 因此，使用静荷载模式已不能反映路面的实际受力状况，无法解释动态荷载对路 面作用产生的各种现象。 道路结构在运动车辆荷载作用下的力学行为相当复杂，即受到车辆结构参数、 车辆运行速度和车辆载重的影响，又受路面平整度和道路路况的影响。必须综合 考虑各方面因素，研究车辆对路面的动荷载作用，分析车辆和道路间的相互作用。 1 1 2 研究意义 对于路面结构设计而言，除了设计期限内的累积交通量外，轴载组成或轴载 谱是另外一个重要交通参数。 使用累积当量轴次进行路面设计。但路上行驶的车辆类型很多，所以必须选 定一种标准轴载，把不同类型轴载的作用次数换算为这种标准轴载的作用次数。 考虑到我国公路汽车运输车辆的现状及发展趋势，我国路面设计以双轮组单轴载 2第一章绪论 1 _ 1 0 0 k n 为标准轴载，以b z z _ l o o 表示。 不同轴载的作用次数等效换算成标准轴载的当量作用次数的换算公式为【6 】： ( 1 ) 以设计弯沉值为设计指标及进行沥青层层底拉应力验算，单轴轴载范围 为( 2 5 k n ，1 3 0 k n i，d 、3 5 = c 1 i 吾i ( 1 1 ) 式中： 标准轴载的当量轴次( 次日) ； 刀t 被换算车辆的各级轴载作用次数( 次日) ； 尸标准轴载( 1 斟) ； 被换算车辆的各级轴载( 斟) ； 尼被换算车辆的类型数； c l 一轴载系数，c l = l + 1 2 ( m 1 ) ，m 是轴数，当轴间距大于3 m 时，按单独 的一个轴载计算，当轴间距小于3 m 时，应考虑轴数系数； c 轮组系数，单轮组为6 4 ，双轮组为1 ，四轮组为0 3 8 。 ( 2 ) 进行半刚性基层层底拉应力验算，单轴轴载范围为( 5 0 k n ，1 3 0 k n k fd , x 8 n l = - - - z c ；c 2 , l 詈j ( 1 2 ) 式中： 一以半刚性材料层的拉应力为设计指标时标准轴载的当量轴次( 次日) ； q 被换算车型的轴数系数，以拉应力为设计指标时，双轴或多轴的轴数 系数按式q = 1 + 2 ( m - 1 ) 计算； c ：被换算车型的轮组系数，单轮组为1 8 5 ，双轮组为1 0 ，四轮组为o 0 9 由此可见，不同重量的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。通过式1 1 与式1 2 比较可以重型车对路面的破坏程度巨大。所以，对重型车进行研究具有很 大的使用价值。 现有的车辆与道路相互作用的研究只是考虑路面不平整度对车辆动载荷的影 响，特殊行驶工况对车辆动荷载的影响也很重要。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，将 路面的不平度因素和弯坡行驶工况因素结合起来进行研究，分析弯坡路段的道路 破坏情况，显得愈发重要。 因此，基于弯坡路面，综合路面平整度因素和车辆行驶速度及车辆轴重等因 素，通过建模和仿真分析，研究重型车对路面的动荷载作用，确定车辆动荷载影 章绪论3 响系数规律，从而为高速公路路面设计提供合理的车辆荷载，为路面动态设计方 法乃至设计规范的制订做前期准备工作。 1 2 国内外的研究现状和发展 1 2 1 车辆动力学研究现状 车辆动力学是伴随着车辆的出现而发展起来的- - i - j 专业学科【7 1 。车辆动力学从 严格意义上来讲，包括与车辆系统运动相关的所有研究，然而最为核心的是平顺 性和操纵稳定性这两大领域。一般认为，平顺性主要研究影响车身的垂向跳跃、 俯仰、侧倾振动的因素，而操纵稳定性主要研究车辆的横向、横摆和侧倾运动。 目前，车辆动力学方面的研究己经取得了很大的成就。车辆动力学的研究重点为 如何提高车辆的行驶平顺性，改善乘员的乘坐舒适性。应运而生的主动悬架和半 主动悬架技术就是这一结果的结晶。主动悬架和半主动悬架能根据车辆的行驶状 况，实时的调整悬架参数，从而保持车辆的平稳舒适，振动最小。同时由于主动 悬架和半主动悬架在车辆中的广泛应用也减轻了轮胎的动态作用力。如果在使用 嘴一 这种技术的同时考虑如何减少车辆对路面的动载，将对减轻路面的损伤，提高路 面的使用寿命有很大的裨益。 t 鸳 综观国内外一些成果可知，汽车部分着重研究车辆振动模型：如k e v i n 等的车 辆振动模型1 8 】。公路交通部门只是研究汽车静载下的公路结构的响应，或者是所建 的模型与实际荷载作用有较大的差距，如我国的钟阳、王哲人 9 1 ( 1 9 9 2 ) 把汽车分别 简化为二自由度和五自由度体系，初步分析了车辆荷载与行车速度的关系；东南 大学的黄晓明【l o l 、孙璐【l l 】等在上述模型上利用随机理论作了分析。行驶在路面的 车辆必然对路面产生空间和时间都变化的载荷。传统的路面分析模型都假定荷载 是静态或完全平稳的，完全忽略了荷载的本质特征，但是由大量得到的试验结果 表明，车速对路面的应变响应有很大的影响。 1 2 2 车辆和路面相互作用 车辆与路面相互作用的动力学问题是一个新的科学分支，它主要研究车辆、 道路以及它们之间相互作用的动力学问题。目前在车辆动力学方面的研究已取得 了很大成就，车辆系统的线性建模已相当完善，有平面模型，有空间模型，自由 度可以高达4 0 几个。国内外汽车行业的专家学者，利用随机振动和系统动力学等 理论，研究车辆动力学模型在不平整路面激励下的频率响应函数，以期完善汽车 动态设计和提高其使用寿命。国外的研究机构，特别是许多大型汽车制造公司， 如美国通用公司、福特公司、德国大众公司、日本丰田公司等，在这方面都做了 大量深入的研究工作。国内也进行了相关的研究，如清华大学、吉林工业大学、 4 第一章绪论 中国一汽、中国二汽等单位从理论研究和试验研究两方面做了大量工作，并得到 了许多有价值的结论1 1 2 1 3 。 实际上，高速行驶的车辆运行在不平整路面上，车辆和路面相互作用一个随 机激励，不仅影响车辆的振动，还会对路面的动力响应产生严重的影响。为了深 入分析车辆动力荷载下路面的力学行为，必须对车辆一道路耦合动力学进行研究。 这方面，以d c e n b o n 、j t c h r i s t i s o n 和s o c o n n e h 为代表的研究人员，做出了 突出的贡献；他们利用建立的车辆模型，直接计算车辆的动载，然后利用动载系 数将动载的影响转化为标准轴载作用次数的修正系数或路面静力响应的修正系 数，即反映在路面使用性能和寿命的评价预估模型中。d c e n b o n i 悼 】将车辆响应 和路面响应分开建模，在建立路面模型时着重考虑路面的转移函数和脉冲响应， 借助于振动系统理论，计算运动的点源随机荷载下的路面响应问题。j t c h r i s t i s o n 和s 0 c o n n e l l 则是使用了与路面结构模型有关的影响函数，考虑到不同的响应 ( 如应力、应变) 等将会有不同的影响函数，然后综合影响函数与车辆模型，从 而得到路面结构层某点在随机荷载下的响应【l 犯1 1 。 我国在车辆和路面相互作用研究方面也做了大量工作。早在1 9 6 5 年，方福森、 邓学钧就意识到路面的不平整引起车辆的振动，反过来又影响到路面的响应，如 应力和位移等，但此后多年一直未见这方面的文献，直到2 0 世纪8 0 年代中期， 随着公路建设大规模的发展，这方面研究才蓬勃发展起来。叶开沅田】( 1 9 8 5 ) 在 考虑运动荷载质量、惯性力及阻尼影响的情况下，研究了机车通过连续梁时横向 振动问题的整个过程，并得出在任意运动荷载作用下的连续梁的动力方程的一般 解。成祥生田】( 1 9 8 6 ) 使用变分法计算了弹性地基上的薄板由运动荷载引起的动 力响应，并讨论了关于强迫振动、共振条件及临界速度等问题。钟阳i 2 4 j ( 1 9 9 2 ) 对由路面平整度引起的车辆对路面的随机动压力进行了分析。许金余 2 5 】( 1 9 9 4 ) 将飞机- 道面_ 土基作为一个相互作用的动力系统，对飞机滑行条件下弹性半空间 地基上刚性面板的动力响应进行了有限元分析。杨方庭【2 6 】( 1 9 9 6 ) 和李怀璋i z 7 】 ( 1 9 9 9 ) 考虑车辆动荷载和材料的粘弹性性质，分析了弹性层状体系受到运动荷 载时的响应问题。邓学钧瞄】( 2 0 0 2 ) 将车辆和地面结构视为综合体系，用数学模 型描述了车辆与路面结构接触面的平整度，并分三种情况深入的研究了各种运动 荷载作用下各类路面结构的动力响应。 由此可见，从事车辆动力学研究的工作者侧重于车辆的平顺性问题，一般只 是将道路作为一种随机分布的外界激励，很少涉及车辆运动中对道路的作用及损 伤的研究；道路方面的研究人员主要从路面力学的角度出发，多将车辆视为静止 或完全平稳的荷载去分析路面设计中的问题，对车辆动载以及由此引起的路面动 力反应则较少考虑。因此，将二者相结合，对车辆振动模型与路面结构间的耦合 第一章绪论5 作用进行研究，深入分析车辆动荷载特点及其对路面的作用，不但可以在理论上 搞清二者之间的联系和规律，还可为制定减小路面损伤的有效措施提供依据，以 期延长路面使用寿命，具有巨大的经济和社会效益。 1 3 主要研究内容 本论文结合西部交通建设科技项目“基于平整度的沥青路面使用寿命预估方 法研究 展开研究，分析路面不平整度和弯坡路面特性参数对车辆动荷载的激励 作。主要研究内容如下： ( 1 ) 系统模型相关参数的调查和分析 通过对典型路段车辆组成和轴载调查分析，选择东风e g l l 6 8 g 1 ( 2 型轴) 研 究重型车辆对路面的作用荷载；分别对弯坡路面的不平度因素及特殊路段的稳定 性进行分析。 ( 2 ) 路面平整度及车辆稳定性分析 通过数学分析得出用正弦函数表征不平整路面；弯坡路面上的行驶车辆具有 纵向和横向不稳定性。 ( 3 ) 车辆荷载分析 针对路面不平度引起的车辆振动，选择国内高速公路上常见的二轴车，建立 其四自由度车辆振动模型，研究车辆对路面的动荷载及动荷载评价指标。 ( 4 ) 车一路系统仿真模型建立 将汽车系统作一定程度的简化，利用a d a m s c a r 建立了4 2 9 自由度整车动力 学模型，主要包括前后悬架、转向系、发动机和轮胎等子系统模型。通过v c 编 程生成非实测弯坡路面属性文件，以便进行车轮动荷载的影响因素分析；综合各 因素对实测数据应用路面文件自动生成软件编制实测弯坡路面谱文件，用于进行 弯坡路面与平直路面的动荷载对比分析。 ( 5 ) 车一路系统仿真分析 以典型l + 2 型重型车辆为研究对象，研究车辆对路面作用的动力荷载，分别 分析路面不平度、弯坡路面特征参数，以及车辆行驶速度、车辆轴载对车轮动载 荷的影响。对比实测弯坡路面与平直路面的动荷载。 6 第二章车一路系统相关参数调查和分析 第二章车一路系统相关参数调查和分析 车一路系统动力学模型中包括大量的车辆动力学参数和路面参数，参数的取值 直接影响动力学研究结果能否反映实际交通荷载下路面结构的动力响应。因此，需 要对车一路系统动力学模型中重要的参数进行深入调查研究，其中包括典型重型车 辆、轴载谱、路面平整度等。 2 1 典型重型车辆和轴载调查 2 1 1 典型路段车辆组成和轴载调查 实际交通车辆组成和轴载是进行车一路系统动力响应研究的基础数据。因此， 采用现场调查和收集资料相结合的方法，进行调查研究，包括轴载调查研究及车辆 组成调查研究。 根据2 0 0 4 年1 0 月1 日起执行的道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值 ( g b l 5 8 9 - - 2 0 0 4 ) 强制性标准，我国高等级公路上常见的载货汽车按轴型可分为5 类【8 】：二轴车；三轴车；四轴车；五轴车；六轴车。各轴型货车如图2 1 所示。 二轴车( 前桥为1 型轴，后桥为l 型轴，简称1 + 1 型车) 二轴车( 前桥为l 型轴，后桥为2 型轴，简称1 + 2 型车) 妇鳟 蕊习斛 疆| 善 三轴车( 前桥为1 型轴，后桥为5 型轴，简称l + 5 型车) 四轴车( 前桥为l 型轴，中桥为1 型轴，后桥为5 型轴，简称 1 + 1 + 5 型车) 三轴车( 牵引车前桥为1 型轴，后桥为2 型轴，拖车为2 型轴， 简称l + 2 + 2 型车) 图2 1 我国高等级公路上常见的各轴型货车 f i g 2 1t h ec o m m o nt y p e so f t r u c kw i t hd i f f e r e n tn u m b e r so f a x l eo no u rh i g h g r a d eh i g h w a y 值得说明的是，图2 1 中所指的“1 型轴”是指两侧各有一个轮胎的单轴，即单轴 单轮；2 型轴”是指两侧各有两个车轮的单轴，即单轴双轮；“5 型轴”是指两侧各有 四个轮胎的双联轴，即双联轴，每侧双轮；“7 型轴”是指两侧各有六个轮胎的三联 轴，即三联轴，每侧双轮。 第二章车一路系统相关参数调查和分析 7 ( 1 ) 成渝高速公路轴载谱 选择典型路段成渝高速公路进行调查研究，车型比例统计见表2 1 所示。 表2 1 成渝高速公路车型比例统计表 t a b 2 1t h ep r o p o r t i o ns t a t i s t i co f v e h i c l em o d e l so nc h e n g y uh i g h w a y 车型 二轴车三轴车四轴车五轴车六轴车合计 比例 7 6 8 4 1 2 6 2 8 3 5 0 8 9 1 2 9 1 0 0 o o 从表可见，成渝高速公路上重型车辆以二轴车为主，占7 6 8 4 。三轴车和四轴 车也占有一定的比例，分别占有1 2 6 2 和8 3 5 。四轴车、五轴车和六轴车的比例 很小，可认为是该路段的非典型车辆。根据测试结果，对各类型车辆的轴载进行统 计得到轴载谱，如图2 2 2 5 所示。 图2 2 成渝高速公路1 型轴轴载谱 f i g 2 2t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f1 - s h 矾 图2 4 成渝高速公路5 型轴轴载谱 f i g 2 4t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f5 - s h a f t 图2 3 成渝高速公路2 型轴轴载 f i g 2 3t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f2 - s h a r 图2 5 成渝高速公路7 型轴轴载谱 f i g 2 5t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f7 一s h a 矗 由图2 2 2 5 可以看出，1 型轴近似服从正态分布，因为汽车的前轴多用这种轴 型，汽车载重量的大小对它影响较小。但是1 轴超过6 t 的比例约占3 0 ，即有3 0 的1 型轴处于超限状态。2 型轴轴谱在5 t 和1 8 t 左右出现两个峰值，分别对应着空 车和承载车，其超限比例约为4 0 ；5 型轴约有5 0 的轴载超过了国家规定的最高 限1 8 t ；7 型轴轴载出现两个峰值，分别为3 0 t 和4 5 t 左右。虽然7 型轴超限比例很 8 第二章车一路系统相关参数调查和分析 高，但由于数量很少，可以认为是非典型车辆轴型。 ( 2 ) 渝涪高速公路轴载谱 渝涪高速公路的车型比例统计见表2 2 所示。 表2 2 渝涪高速公路车型比例统计表 t a b 2 2 t h ep r o p o r t i o ns t a t i s t i co f v e h i e l em o d e l so ny u f uh i g h w a y 车型二轴车三轴车四轴车五轴车六轴车合计 比例 8 9 4 5 7 4 2 0 6 0 1 1 0 0 0 根据测试结果对各类型车辆的轴载进行统计得到轴载谱，如图2 6 2 9 所示。 图2 6 渝涪高速公路1 型轴轴载谱 f i g 2 6t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f1 - s h a f t 图2 8 渝涪高速公路5 型轴轴载谱 f i g 2 8t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f5 - s h a f t 图2 7 渝涪高速公路2 型轴轴载谱 f i g 2 7t h e a x l el o a ds p e c t r a lo f2 一s h a f t 图2 9 渝涪高速公路7 型轴轴载谱 f i g 2 9t h ea x l el o a ds p e c t r a lo f7 一s h a f t 根据上图可知，1 型轴中仅有1 3 的l 型轴轴载超过国家规定的最高限6 t ，这 些轴处于超载状态。2 型轴、5 型轴和7 型轴的轴载谱均出现两个峰值。2 型轴超限 率约为4 7 ，其中约有1 2 的2 型轴轴载超过最大轴限的两倍。5 型轴中约有7 8 的轴载超出国家规定限值。7 型轴超限率虽然大于8 5 ，但数量较少，可以认为此 类轴型车辆不时造成路面破坏的典型重型车辆。 2 1 2 典型路段车辆组成和轴载调查分析 通过对成渝高速公路和渝涪高速公路中重型车辆进行3 次2 4 h 连续调查，可得 调查和分析 9 出以下结论： ( 1 ) 高速公路重型车辆中以二轴车为主。渝涪高速公路公路二轴车占8 9 4 ， 成渝高速公路二轴车占7 6 8 4 ，其中以1 + 2 型车为主。因此，在进行车一路系统动 力学研究时，可以以该车为典型汽车分析其对路面的动荷载。 ( 2 ) 超载依然严重。以典型的2 型轴车辆为例，成渝高速公路的超载比例为 3 6 2 ，渝涪高速公路的超载比例为4 5 5 8 。在“治超 大环境下，超载现象在一 定程度上已得到了有效控制，然而，超载现象依然严重，进行超载下车一路动力响 应研究依然很有必要。 ( 3 ) 在调查中发现，高速公路上的重型二轴车以东风、解放、跃进为主，因 此，在车辆动力学研究时，选择此类车型。 2 2 平整度及行驶车辆稳定性分析 路面平整度是指道路表面相对于理想平面的偏离，是路面使用性能评价的重要 指标之一【2 9 】。车辆行驶过程中，不平整路面直接对行驶车辆产生激励，诱发车辆振 动，不但影响行车舒适性，还会对路面产生附加动荷载，严重破坏路面。高速行驶 在弯坡路面上的车辆受不平整路面的激励将产生不同于平直路面下的动态荷载，这 种动态荷载作用于路面上，将会加速路面的永久变形和平整度衰减。 2 2 1 路面不平度分析 一般路面状态都是十分复杂的随机波形，因此在路面波形的分析中最简单的方 法是将路面形状用确定性函数来描述。在国际刊物和出版的专著中，很多学者和研 究人员提出用波形函数来描述不平整道路的路面，特别是m w s a y e r s 在论文中提 出用正弦函数表征不平整路面【3 0 】。因此结合本文的研究，假设路面的波形函数为： g ( x ) = a s i n ( a 珑) ( 2 1 ) 式中：g ( x ) 路面纵向高程； 彳波形幅值； 彩角频率，国= 2 x i a ； x 路面水平方向位移量。 根据此波形函数，可以建立连续式测平仪测量仿真模型，如图2 1 0 所示。由于 连续式平整度仪的检测基准长度为3 m ，因此其轮距e = 1 5 m ，则 f q 3 2g o ) q l = q ( x p ) ( 2 2 ) i q 2 ：g ( x + p ) 1 0第二章车一路系统相关参数调查和分析 g 图2 1 0 连续式测平仪测量仿真模型 f i g 2 10s i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t i n u o u sr o u g h n e s sm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t 测量参考基准点为： g 。= l q l + q 2 】= 丢 g ( x p ) + g ( x + p ) 】 ( 2 3 ) 测量所得的路面凹凸偏差位移值为： a