（机械工程专业论文）某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究.pdf

， | l i i ie ii i ! i ii ii i i iiiu l y 19 0 7 4 6 0 e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls t u d yo nah e a v yd u t yt r u c k s r o l l o v e rs t a b i l i t y b y z h a n g t i n g l o n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o ry en a n h a i s e n i o re n g i n e e rb a iy u n z h i m a y ，2 011 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：多次啡日期：年岁月够日 学位论文版权使用授权书 作者签名：妖磁锡日期：忙乡月哆日 导师签名：l j p 挪日期：9b i 年厂月l 弓日 自锄之、 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 摘要 目前，我国正大力加强基础设施建设，很大程度上带动了重型机械包括重型 卡车在内的发展。近五年来，重型卡车在我国的销量逐年稳定递增，并且趋向于 重型化发展。这意味着道路上行驶的重型卡车越来越多，重型化导致重型卡车的 安全系数降低，重型卡车的安全性不容忽视，尤其是侧翻安全性。 本文结合企业对重型卡车技术改进的需求，围绕重型卡车的侧翻稳定性能， 主要进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) 对某重型卡车进行静态侧翻试验及双移线试验。通过对静态侧翻试验 中得到的轮胎载荷结果进行处理，得到横向载荷转移率和模拟侧向加速度关系曲 线。在双移线试验中得到侧向加速度和车身侧倾角的时间历程响应。通过对时间 历程中的峰值进行分析，计算出某重型卡车的侧倾角梯度。结论表明，车身侧倾 角梯度随速度的变化，在其平均值附近波动。 ( 2 ) 根据某重型卡车的结构参数及关键部件的性能，建立了由1 4 个子系统 组成整车多体动力学模型。使用静态侧翻试验结果和双移线试验结果，对整车多 体动力学模型的准静态响应和瞬态响应进行验证。结论表明，整车多体动力学模 型与实车的匹配程度很高。 ( 3 ) 使用经过验证的整车多体动力学模型进行不同装载工况时的动力学仿 真，对侧翻稳定性的评定指标侧翻阈值、横向载荷转移率、车身侧倾角进行了深 入分析。结果表明装载物料密度的减小，会使重型卡车的侧翻稳定性下降；车速 的增加，会使重型卡车的侧翻稳定性下降。 关键词：重型卡车；侧翻试验；模型验证；动力学仿真；物料密度 i i 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，o u rc o u n t r y i s m a k i n g e f f o r t st o s t r e n g t h e n i n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o n ，l a r g e l y d r i v e n t h e d e v e l o p m e n t o fh e a v ym a c h i n e r y i n c l u d i n g h e a v y d u t yt r u c k s p a s tf i v ey e a r s ，s a l e so fh e a v y - d u t yt r u c k si nc h i n as t e a d yg r o w t h y e a ra f t e ry e a r ，a n dt e n dt oh e a v yd e v e l o p m e n t t h i sm e a n st h a th e a v y d u t yt r u c k s o nr o a d sw i l lb em o r ea n dm o r e h e a v yh e a v y - d u t yt r u c k sl e a dt ot h ef a c t o ro fs a f e t y d e c r e a s e st h es a f e t yo fh e a v y d u t yt r u c k sc a nn o tb ei g n o r e d ，e s p e c i a l l yi nr o l l o v e r s a f e t y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er o l ls t a b i l i t yo fh e a v y - d u t yt r u c k s ，m a i n l yf o rt h e f o l l o w i n ga s p e c t so ft h es t u d y ( 1 ) c o n d u c tas t a t i c s t a t er e l i e v e r t e s ta n dd o u b l el a n ec h a n g et e s to na h e a v y d u t yt r u c k o b t a i nt h ec u r v eo fl a t e r a l l o a dt r a n s f e rr a t ea n dt h es i m u l a t e d l a t e r a la c c e l e r a t i o nb yp r o c e s s i n gt h et i r el o a dr e s u l t so b t a i n e df r o mt h es t a t i c - s t a t e r o l l o v e rt e s t d u r i n gt h ed o u b l el a n ec h a n g et e s t ，o b t a i nt h et i m eh i s t o r yo fl a t e r a l a c c e l e r a t i o na n db o d yr o l la n g l e t h r o u g ha n a l y s i so ft h ep e a ko ft i m eh i s t o r i e s ， c a l c u l a t e do u tah e a v y d u t yt r u c k sg r a d i e n to fr o l la n g l e c o n c l u d et h a tt h ec h a n g e s w i t hs p e e do fb o d yr o l la n g l e sg r a d i e n tf l u c t u a t ea r o u n di t sa v e r a g e ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fah e a v y d u t yt r u c k sa n dt h e p e r f o r m a n c eo fi t sk e yc o m p o n e n t s ，e s t a b l i s h e dam u l t i - b o d yv e h i c l ed y n a m i cm o d e l c o m p o s e do f14s u b s y s t e m s u s et h es t a t i c - s t a t er e l i e v e rt e s tr e s u l t sa n dd o u b l el a n e c h a n g et e s tr e s u l t sf o rt h ea u t h e n t i c a t i o no fm u l t i - b o d yv e h i c l ed y n a m i cm o d e l s q u a s i s t a t i cr e s p o n s ea n dt r a n s i e n tr e s p o n s e c o n c l u d et h a tt h em a t c h i n gd e g r e eo f t h em u l t i - b o d yd y n a m i cm o d e la n dt h er e a lt r u c ki sv e r yh i g h ( 3 ) u s e av a l i d a t e d m u l t i b o d yd y n a m i cv e h i c l e m o d e lf o rt h e d y n a m i c s i m u l a t i o n so fd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n s m a k ed e p t ha n a l y s i so fr o l ls t a b i l i t y s a s s e s s m e n ti n d i c a t o r s ：r e l i e v e rt h r e s h o l d ，l a t e r a ll o a dt r a n s f e rr a t i o ，b o d yr o l la n g l e c o n c l u d et h a td e c r e a s i n gt h el o a d i n g d e n s i t ya n di n c r e a s i n gs p e e dw i l ld r o p h e a v y d u t yt r u c k sr o l ls t a b i l i t y k e yw o r d s ：h e a v y - d u t yt r u c k ；r o l l o v e rt e s t ；m o d e lv a l i d a t i o n ；d y n a m i c s i mu l a t i o n ；l o a dd e n s i t y 1 1 i 某重型卡车侧翻件能的试验与仿真研究 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 1 1 重型卡车发展现状l 1 1 2 国内外研究现状2 1 2 课题研究的意义4 1 2 1 企业技术改进需求4 1 2 2 侧翻事故的严重性与多发性o 4 1 2 3 课题研究的必要性4 1 3 课题研究的主要内容4 第2 章侧翻稳定性试验6 2 1 引言6 2 2 侧翻评定指标6 2 2 1 侧翻阈值6 2 2 2 横向载荷转移率7 2 2 3 车身侧倾角7 2 2 静态侧翻稳定性试验7 2 2 1 试验原理7 2 2 2 试验设备9 2 2 3 试验方法1 0 2 2 4 试验结果分析1 l 2 3 瞬态侧翻稳定性试验1 l 2 3 1 试验原理1 2 2 3 2 试验设备1 2 2 - 3 3 试验方法一1 3 2 3 4 试验结果分析1 4 2 4 本章小结一1 6 第3 章动力学建模与模型验证l7 3 1 引言17 i v 工程硕十学位论文 3 2 整车主要参数1 7 3 3 整车多体动力学模型建模1 8 3 3 1 驾驶室相关子系统建模1 8 3 3 2 转向系子系统建模j 1 8 3 3 3 动力传动系子系统建模1 9 3 3 4 车身子系统建模2 0 3 3 5 横向稳定杆子系统建模2 0 3 3 6 钢板弹簧悬架相关子系统建模2 1 3 3 7 车桥子系统建模一2 5 3 3 8 车轮子系统建模2 7 3 3 9 整车装配模型2 8 3 4 静态侧翻稳定性模型验证2 9 3 4 1 静态侧翻稳定性仿真试验台。2 9 3 4 2 静态侧翻稳定性模型验证2 9 3 5 瞬态侧翻稳定性模型验证3 l 3 5 1 驾驶机器( d r i v i n gm a c h i n e ) 3 l 3 5 2 双移线仿真分析3 2 3 5 3 双移线仿真结果误差分析3 3 3 6 本章小结3 7 第4 章侧翻稳定性仿真分析一3 8 4 1 引言3 8 4 2 重型卡车装载工况分析3 8 4 3 静态侧翻仿真分析一3 9 4 3 1 轮胎垂向载荷分析3 9 4 3 2 侧翻评定指标分析4 l 4 4 瞬态侧翻仿真分析4 2 4 4 1 仿真工况设计4 2 4 4 2 仿真结果分析4 2 4 5 本章小结4 6 结论与展望4 8 参考文献5 0 致 射5 3 v 。- 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 重型卡车发展现状 1 1 1 1 发展现状与发展趋势 目前，我国重型卡车发展的显著特点是销量大，持续稳定增长。图1 1 【1 l 【2 】1 3 】 是我国近1 0 年来重型卡车的销量及增长率。自2 0 0 5 年以来，在我国宏观经济的 影响下，重型卡车的销量逐年平稳增长，并且年增长率有上升的趋势，如图1 1 所示。直至2 0 1 0 年9 月份，国内重型卡车销量已达7 6 5 万辆，已经是2 0 0 9 年 全年销量1 2 倍，销量已超过美国，成为世界上重型卡车销量最大的国家。 我国近 眸重型卡车销量与增长率l ! ! 塑墨= ：鱼兰墨i 2 0 0 1 l 2 0 0 2 l 2 0 0 3 l 2 0 0 4 i 2 0 0 5 i 2 0 0 6 l 2 0 0 7 i 2 0 0 8 l r ( x 2 9 1 2 0 9 1 月0 了 售量 省长率 1 47i2 452 56 l 3 54l2 36 l3 07l4 88i 5 4 16 3 5i7 65 7 7 4 l 6 7 i 4 2 i 3 8 5i - 3 3 1 l 3 0 6i 1 8l 1 1 i1 7 2i 2 0 5 1 8 0 4 0 紊 子 t 7 2 0 霉 0 - 2 0 - 4 0 图1 1 我国近1 0 年重型卡车销量与增长率 国内以至全球范围内，为了满足市场的需求，重型卡车朝着重型化、大功率、 低排放、高技术化四个方向发展。 ( 1 ) 重型化 全球范围内，l6 吨以上载货汽车销售量不断增加。在日本，重型卡车产品 标准的极限，过去确定的总质量在2 6 吨以内，为使重型汽车的标准同欧洲接轨， 将重型汽车标准总吨位提高到4 0 吨以上。 ( 2 ) 大功率 大功率是重型化的衍生物，随着重型卡车吨位的不断提高以及重型卡车市场 对动力性能的要求，更大功率的发动机就应用到了重型卡车上。从目前我国重型 孢 剪 o e 圣耋誊 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 卡车进口情况来看，所配装的发动机功率范围为4 1 0 - 4 5 0 马力，并且有逐年上升 的趋势。 ( 3 ) 低排放 在提倡环保的当今社会，低排放不仅能够减轻对环境的污染，而且能够提高 汽车的经济性。 ( 4 ) 高技术化 重型卡车e s p ( 电子稳定程序) 、a c c ( 适应性巡航控制) 、l o s ( 车道偏离报警 系统) 、t p m s ( 轮胎气压监测系统) 等技术的应用【3 】。 1 1 1 2 国内重型卡车企业竞争激烈 根据中国汽车协会的数据显示，2 0 1 0 年前9 月份，中国重卡( 包括整车、 非完整车辆、半挂牵引车) 销量最高的车企是一汽，取代了去年的中国重汽。一 汽今年的重卡销量比2 0 0 9 年增长9 0 0 2 至1 7 9 5 万辆。去年排名第三的东风， 今年重卡销量比2 0 0 9 年增长1 0 4 4 4 至7 5 4 万辆，升至第二位。中国重汽今年 重卡销量仅比2 0 0 9 年增长5 3 1 6 ，排名第三。中国重汽今年以来销量增速慢于 竞争对手的一大原因是，该公司的半挂牵引车销量增速低于竞争对手，而半挂牵 引车是今年以来中国销量增速和市场份额提升最快的重卡类别。 表1 12 0 l o 年前9 月份重卡销量前十( 单位：辆) 各车企在重卡销量竞争激烈，首先是前五位的争夺，尤其是前三甲。另外， 6 1 0 位的重卡销量也相当接近。各大车企都以各种策略占领重卡市场。 1 1 2 国内外研究现状 汽车侧翻是指汽车在行驶过程中绕其纵轴旋转9 0 度或者更大的角度，以至 于车身与地面相接触的侧向运动，是最为危险的汽车事故之一。侧翻可以由一种 因素或多种因素结合引起。主要有以下两种类型：一种汽车在水平路面上行驶， 2 工程硕十学位论文 当其侧向加速度值超过一定限值，由于轮胎的载荷转移，使得内侧轮胎的垂向受 力为零而导致侧翻；另一种是由于汽车与路面障碍物发生侧向碰撞，而使汽车被 “绊倒 ，导致侧翻【6 】【。 1 1 2 1 国外研究现状 国外对重型卡车侧翻稳定性能的研究可追溯到上世纪8 0 年代，当时主要利 用侧翻试验台研究重型卡车的侧翻稳定性能【8 j l9 1 。 目前，国外对重型卡车在静态侧翻稳定性和瞬态侧翻稳定性方面的相关研究 有很多。研究方法已经从理论分析发展到试验研究、仿真分析以及相互之间的结 合。下面列举了国外近年来对重型卡车侧翻稳定性方面的一些研究： ( 1 ) o s c a rf l o r e s c e n t e n o 等人运用仿真方法分析轴距变化对三轴重型卡车 动态侧翻稳定性的影响【l0 1 。 ( 2 ) d a na f i t t a n t o 等人通过试验方法对8 轴牵引车的静态及瞬态侧翻稳 定性能进行研究】。 ( 3 ) 美国b a t t e l l e 研究中心通过试验方法与仿真方法结合，对重型卡车侧 翻时的保护装置进行研究l 屹】。 ( 4 ) h a n sp r e m 等人通过试验与仿真结合的方法分别对三轴油罐车和四轴 牵引车进行静态侧翻试验及仿真，从载荷分配方面分析两款车的侧翻稳定性1 1 3 l 。 1 1 2 2 国内研究现状 目前，国内对汽车侧翻性能研究的比较多的是客车的侧翻安全性试验研究 【1 4 】- 【17 1 ，而对于重型卡车的侧翻性能的试验研究相对是比较少的。 在重型卡车的侧翻稳定性研究领域，对自卸车在举升过程的侧翻试验研究较 多1 8 】。【2 们，而对于重型卡车在行驶中的侧翻稳定性能的研究很少，并且研究方法 还是处于理论分析、仿真分析的层次，在试验研究方面，几乎是空白。下面近年 来国内针对重型卡车侧翻稳定性方面进行的研究： ( 1 ) 上海交通大学的田骅在其硕士学位论文中，建立基于分布载荷的静态 侧翻稳定性数学模型，分析载荷变化对稳定性的影响。并针对特定的消防车，在 虚拟仿真软件a d a m s 中构建虚拟样机模型，验证基于分布载荷的静态侧翻稳定 性数学模型i 引1 。 ( 2 ) 重庆交通大学的邱鹏飞在其硕士学位论文中，建立基于载荷式的混凝 土搅拌运输车侧翻数学模型，以某型号车型为研究对象，讨论了各工况转向盘转 角与临界侧翻速度的关系，并探讨了质心偏移对各工况下的临界侧翻速度的影响 大小。 从国内外对重型卡车的研究情况的比较可以发现，国外的研究在理论和仿真 的基础上，较多的结合试验研究，研究对象已经发展到牵引式重型卡车。国内对 重型卡车的研究非常少，缺乏试验研究，研究对象也只局限于独立式的重型卡车。 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 1 2 课题研究的意义 1 2 1 企业技术改进需求 课题来源于学校与企业的合作项目，主要针对某重型卡车关键性能的分析研 究。本文对某重型卡车的侧翻稳定性能进行试验与仿真研究，研究结果有利于指 导企业对现有重型卡车产品的改进，以技术占领市场，提高企业的竞争力。 1 2 2 侧翻事故的严重性与多发性 在汽车交通事故中，汽车侧翻事故率尽管不是很高，但是，侧翻事故一旦发 生，带来的危害是非常严重的。美国高速公路交通安全管理局( n h t s a ) 对交 通事故进行的统计数据显示，在所有的交通事故中，汽车侧翻事故产生的危害程 度仅次于汽车的碰撞事故，居第二位。在美国，1 9 9 9 年的侧翻事故虽然只占汽 车交通事故的5 ，但是侧翻事故的死亡率却占2 0 2 5 ，严重损伤率达到1 5 t 4 1 。 重型卡车与其它车辆比较，满载质量更大，质心更高，而且离地间隙也要高 于普通车辆，所以在车身宽度基本不变的情况下，重型卡车的侧翻稳定因子 ( s t a t i cs t a b i l i t yf a c t o r ，s s f ) 值会减小，产生侧翻的可能性增大。 为了满足现代运输的要求，重型卡车的车速也在不断提高，行驶的路面条件 和随机因素影响很多，对驾驶员的操纵能力也很高。重型卡车在高速紧急转向时 会产生较大的侧向加速度，由于其质心高，从而会产生较大的侧翻力矩使汽车失 去平衡，造成侧翻事故。 重型卡车司机为了追求更高的利润，超载、超速现象常有发生，进一步提高 了重型卡车的质心高度和转向是的侧向加速度，使重型卡车发生侧翻事故的几率 进一步提高。 重型卡车由于经常工作于矿山、工地等道路状况比较差的地方，轮胎、制动 气管、车灯等部件非常容易受损，但由于得不到及时的检修，存在较大的事故隐 富【5 1 i t h ,o 1 2 3 课题研究的必要性 由于侧翻事故具有严重性和多发性，对重型卡车侧翻性能的研究是很有必要 的。但是，从国内外的研究现状对比可以发现，国内在对重型卡车侧翻稳定性方 面的研究是相对薄弱的，并且在试验研究方面非常缺乏。因此，本课题对某重型 卡车的侧翻稳定性进行试验与仿真研究，是非常有必要的。 1 3 课题研究的主要内容 本课题是在学校与企业的合作项目基础上开展的。项目主要针对重型卡车的 4 1 = 程硕七学位论文 相关关键性能进行分析研究。 本课题主要是针对某重型卡车的侧翻稳定性能进行试验与仿真研究，主要内 容如下： ( 1 ) 对重型卡车发展现状、研究现状、侧翻事故的特性三个方面进行分析， 提出本课题研究的必要性。 ( 2 ) 进行某重型卡车的静态侧翻试验以及双移线试验，对静态侧翻试验中 的轮胎载荷进行分析，对双移线试验中的侧向加速度及侧倾角响应进行分析。 ( 3 ) 根据某重型卡车的结构参数以及关键部件的性能参数，建立整车多体 动力学模型，并根据试验时的实际情况，对模型进行仿真设置，验证模型的正确 性。 ( 5 ) 使用经过验证的整车多体动力学模型，进行不同装载工况下的静态侧 翻仿真分析和瞬态侧翻稳定性仿真分析。 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 2 1 引言 第2 章侧翻稳定性试验 本章主要对某重型卡车进行侧翻稳定性试验及对试验结果的分析。试验内容 主要包括静态侧翻稳定性试验和瞬态侧翻稳定性试验两方面。 2 2 侧翻评定指标 2 2 1 侧翻阈值 侧翻阈值指的是汽车开始侧翻时所受到的侧向加速度值，以单位重力加速度 表示l6 1 。 侧翻阈值用于评定汽车的侧翻稳定性，侧翻阈值越大，表示汽车的侧翻稳定 性能越高，汽车越不容易发生侧翻。 影响侧翻阈值的因素主要有质心高度、轮距，但由于轮距主要受路面宽度限 制，变动不能太大，因此质心高度是影响侧翻阈值的最主要因素。侧倾中心的高 度也会对侧翻阈值有一定影响2 5 1 。轿车的质心高度比较低，其侧翻阈值比较高： 重型卡车的重心一般比较高，故其侧翻阈值比其他车型都要低。表2 1 列出了几 种常见汽车类型的侧翻阈值范围。 表2 1 几种汽车侧翻阈值的范围【6 1 侧翻阈值对侧翻事故率有一定的影响，图2 1 统计了国外多种汽车的侧翻阈 值和侧翻事故率，从图中可以看出，随着侧翻阈值的增大，侧翻事故率的比重有 减少的趋势7 1 。 6 工程硕十学位论文 ( a ) 微型轿车( b ) 轿车和多用途车 图2 1 几种车辆的侧翻事故率和侧翻阂值 2 2 2 横向载荷转移率 汽车在转向过程中，内侧轮胎力减小，外侧轮胎力增大，用于抵消由于侧向 加速度产生的侧倾力矩。横向载荷转移率定义为右侧轮胎垂向载荷与左侧轮胎垂 向载荷的差，与左右轮胎垂向载荷总和的比值，如式( 2 1 ) 。 ff l t r = 坠二二旦( 2 1 ) ? 孤+ 壬? z l 式中：三豫一横向载荷转移率；一右侧轮胎垂向载荷；r z , 一左侧轮胎垂 向载荷。 横向载荷转移率可用于判断汽车侧翻的危险程度，当汽车是静止平衡或者直 线行驶状态，左右轮胎垂向力相等，l t r = 0 ；当汽车向左转向时，轮胎垂向力 转移至右侧轮胎，r 0 ；当汽车向右转向时，轮胎垂向力转移至左侧轮胎， l t r v d “o ) = 一s 坦p 0 v f ，v d ，“d ，v s , u s ) s 堙刀o ) o r ，s i ，l ，d ( 3 1 0 ) 【s t e p ( v ，一v s ，u s ，v s , - - u s j弘，一y s v ，s 式中：，一接触点滑动速度；1 ，s 一粘滞滑动速度；一摩擦纯滑动转换速 度；”s 一静摩擦系数；u d 一滑动动摩擦系数；材( 一) = 蜘；z ，仳) = 一”s ；u 0 ) - - 0 ； “【- v d ) = u d ；“p d ) = 一“d 。 3 3 6 4 钢板弹簧建模流程 钢板弹簧模型建模的流程有三大块，分别是数据采集、模型生成、模型处理， 如图3 1 5 所示。数据采集主要是采集钢板弹簧的形状尺寸参数。模型生成是在 a d a m s c h a s s i s 中使用其钢板弹簧前处理工具，根据输入的参数生成一系列的离 散部件和梁单元。模型处理是在a d a m s v i e w 和a d a m s c a r 中进行，在 a d a m s v i e w 中将钢板弹簧模型的梁单元进行参数化，并调整参数，得到与试验 相符合的刚度特性和阻尼特性。在a d a m s c a r 的t e m p l a t e 模式中，增加相应的 通讯器，使钢板弹簧模型能够与整车模型中的其它子系统连接。 数据采集模型生成模型处理 厂、 ，、 在a d a m s v i e w 中对 测量钢板弹簧自 b e a m 单元参数化 由状态下的弧线 形状、簧片厚度 ? 厂、 t r 、 在l e a f s p r i n gp r e 中输入 修改b e a m 单元参数， 钢板弹簧参数，生成带有 调整钢板弹簧刚度阻 b e a m 单元信息的a d m 尼特性，使其与试验 文件 结果匹配 i 厂、 在a d a m s c a r 中处理 钢板弹簧模型 l 图3 1 5 钢板弹簧建模流程图 3 3 6 5 前桥钢板弹簧建模 前桥弹性元件是4 片的钢板弹簧。钢板弹簧采用铰链和吊耳结构的连接方 式，前端通过铰链与车架连接，后部采用吊耳结构，吊耳的一端通过铰链与板簧 工程硕士学位论文 卷耳连接，另一端通过铰链与车架连接。 ，_ l - 删- 一 图3 1 6 前桥钢板弹簧模型图3 1 7 前桥钢板弹簧刚度验证 经过在a d a m s v i e w 中对梁单元的参数和摩擦接触力的参数进行调整以后， 前桥钢板弹簧模型的刚度阻尼特性与实际钢板弹簧的刚度阻尼特性是等效的，如 图3 1 7 所示。 3 3 6 6 平衡悬架钢板弹簧建模 平衡悬架中的弹性元件是1 2 片的钢板弹簧。为了提高整车动力学模型在仿 真求解中的稳定性，1 2 片的钢板弹簧使用6 片的钢板弹簧等效模型。在建模中， 等效模型的单片厚度是实际单片弹簧厚度的2 倍。 t l t 图3 1 8 平衡悬架钢板弹簧模型图3 1 9 平衡悬架钢板弹簧刚度验证 对等效钢板弹簧模型的刚度仿真曲线与试验曲线进行比较，图3 19 所示， 等效模型的平均刚度与实际钢板弹簧的平均刚度是相等的。在钢板弹簧一个压缩 伸张周期内，试验曲线与仿真曲线虽然在形状上略有差别，但是它们所围成的 面积是等效的，说明在一个压缩伸张周期内，由于钢板弹簧簧片间由于摩擦力 损耗的能量是等效的，即等效钢板弹簧模型与实际钢板弹簧的阻尼特性等效。 3 3 7 车桥子系统建模 3 3 7 1 前桥子系统建模 前桥子系统由车桥、减振器、转向节、转向横拉杆四个主要部件构成，它们 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 之间通过移动副、旋转副、万向节副、球副连接，图3 2 1 所示。 h o o k o - 万向节剐 s p h e - 球副 图3 2 0 前桥子系统模型图3 2 1 前桥子系统模型结构拓补图 前桥所采用的减振器是液力减振器，当车架和车桥做往复相对运动时，减振 器中的活塞在缸筒内也作往复运动，促使减振器壳体内的油液反复从一个内腔通 过窄小的空隙流入另外一个内腔，孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦对振动 的阻尼力，衰减车身振动，改善汽车的行驶平顺性1 3 。 在a d a m s c a r 中，减振器采用n o n l i n e a rd a m p e r 模型建立。n o n l i n e a rd a m p e r 是一种定义两个部件之间力速度关系的模型，它通过两个部件上的两个局部坐 标点之间的相对速度，并根据实际试验中得到的力速度曲线( 图3 2 2 ) 得到相 应的阻尼力的大小。n o n l i n e a rd a m p e r 的力速度公式由式( 3 1 1 ) 定义p 圳。 f o r c e = a k i s p l ( v r ( i m a r k e r ，jm a r k e r ) ，0 ，s p l i n e ) ( 3 11 ) 式中：而脱一阻尼力；彳脚卜一样条函数，根据变量职的值，根据s p l i n e 取 得相应的f o r c e 值；v r 一局部坐标点f 和局部坐标点，之间的相对速度；s p ，扬p 一 力速度关系曲线。 图3 2 2 减振器力速度关系曲线 3 3 7 2 平衡悬架子系统建模 当汽车行驶于凹凸不平的路面时，对于非平衡悬架，会发生其中一桥的轮胎 离地的现象，图3 2 3 ；而平衡悬架可以使前后桥轮胎始终保持与地面的接触。 工程硕士学位论文 平衡悬架结构主要有两种形式。一种结构是反弓钢板弹簧的中心与车架通过 旋转轴连接在一起，钢板弹簧的两端通过弹簧座与前桥和后桥连接，如图3 2 4 ( a ) 。 另一种结构是前桥和后桥分别使用单独的钢板弹簧，钢板弹簧的吊耳和两桥之间 的平衡梁连接在一起32 1 ，如图3 2 4 ( b ) 。 图3 2 3 非平衡悬架车桥 h 苎i 2 h ( a ) 平衡悬架形式1( b ) 平衡悬架形式2 图3 2 4 平衡悬架车桥 本文所分析的重型卡车，二桥和三桥采用的是平衡悬架形式l 。平衡悬架由 二桥子系统、三桥子系统和后桥钢板弹簧子系统装配而成( 图3 2 7 ) ，其主要部 件是二桥桥壳、三桥桥壳、推力杆、虚拟部件、板簧，它们通过旋转副、圆柱副、 点线副连接，结构拓补图如图3 2 8 。 册：旋转副 c y l i n ：圆柱副 图3 2 7 平衡悬架装配模型 图3 2 8 平衡悬架结构拓补图 3 3 8 车轮子系统建模 轮胎使用a d a m s t i r e 中的f i a l at i r e 模型。f i a l at i r e 计算轮胎力需要定义的 参数有轮胎自由半径、轮胎宽度、径向刚度、纵向滑移刚度、侧偏刚度、径向阻 尼系数，具体数值如表3 3 。 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 表3 33 15 8 0 轮胎参数 类别参数 型号 质量 x x i y y i z z 自由半径 径向刚度 纵向滑移刚度 侧偏刚度 阻尼系数 3 1 5 8 0 1 4 0k g 1 0 5 e 7n m m 2 1 8 e 7n m m 2 5 4 7 5m m 1 1 4 0n m m 6 1 5 4 n 朋坍 3 0 8 8 n d e g 2 2 sn s | m m 前桥使用的是左右单轮承载，二桥、三桥使用的是左右双轮并排承载。单轮 承载能力是3 7 5 0 k g ，双轮并排承载能力是6 2 5 0 k g 。 工程硕士学位论文 3 4 静态侧翻稳定性模型验证 3 4 1 静态侧翻稳定性仿真试验台 静态侧翻稳定性仿真使用本文作者在a d a m s c a r 中进行二次开发的三轴卡 车侧翻仿真试验台( t e s tr i g ) ，作为整车装配模型中的t e s tr i g ，图3 3l ( a ) 所示。 t e s tr i g 的转动使用t a b l e 部件边缘的旋转副和驱动实现。驱动函数在分析 提交窗口中使用s t e p 函数定义，图3 3 1 ( b ) 所示。 轮胎部件和t a b l e 部件之间通过轮心的m a r k e r 和t a b l e 表面的m a r k e r 之间的 距离计算t a b l e 对轮胎的作用力。 左侧车轮使用t a b l e 部件表面的衬套限制车轮的横向位移。 ( a ) 侧翻仿真试验台( b ) 分析提交窗口 图3 3 l 三轴卡车侧翻试验台( t e s tr i g ) 3 4 2 静态侧翻稳定性模型验证 静态侧翻仿真状态和试验状态如图3 3 2 所示，仿真根据试验的实际情况进 行，货箱中装载两块混凝土配重块，共3 吨；试验台面的最大侧翻角度设置为 2 0 度，转动速度为0 1 度秒。 ( a ) 试验状态( b ) 仿真状态 图3 3 2 静态侧翻仿真状态与试验状态对比 将仿真后的横向载荷转移率与试验结果进行对比，如图3 3 3 所示。 2 9 某重型卡车侧翻性能的试验与仿真研究 ( a ) 一轴横向载荷转移率( b ) 二轴& 三轴横向载荷转移率 ( c ) 整车横向载荷转移率 图3 3 3 静态侧翻横向载荷转移率仿真与试验对比 对图3 3 3 中的静态侧翻横向载荷转移率仿真结果和试验结果按照式( 3 1 2 ) 进行误差平方计算，式3 1 2 中尺2 的取值范围是 0 ，1 】，当其越接近1 ，表示数值 模型的全局近似程度越好。计算得到的误差平方值如表3 4 所示。 窆( 只一只) 2 r 2 = 1 一号1h 。 ( 3 1 2 ) ( 咒一歹) j = l 式中：刀一试验采样点数；r 2 一误差平方值；乃一第f 个试验值；只一第f 个 仿真值；罗一试验采样点的均值。 表3 4 静态侧翻横向载荷转移率的误差平方值 分类误差平方值 一轴 二轴和三轴 整车 0 9 9 4 5 0 8 7 4 0 0 8 3 8 6 表3 4 中数据显示，一轴l t r 的误差平方值非常接近l ，从图3 3 3 ( a ) 也可以 看到，仿真曲线与试验曲线是非常接近的。二轴和三轴l t r 的误差平方值略微偏 小，从图3 3 3 ( b ) 可以看到，仿真曲线与试验曲线的初始值发生了偏置。整车l t r 的误差平方值最小，其原因是累积了一轴、二轴和三轴的误差。但是，一轴、二 轴和三轴以及整车的横向载荷转移率的误差平方值均在0 8 以上，说明整车动力 学模型与实车模型的静态侧翻稳定性能是匹配的。 工程硕十学位论文 3 5 瞬态侧翻稳定性模型验证 验证瞬态侧翻多体动力学模型，通过在a d a m s c a r 中进行双移线仿真分析， 对仿真结果和试验数据比较，验证瞬态侧翻多体动力学模型的正确性。 3 5 1 驾驶机器( d r i v i n gm a c h i n e ) 驾驶机器相当于一个虚拟驾驶员，它根据使用者定义的指令，控制虚拟样机 模型转向、加速、制动，以及档位切换。同时，驾驶机器可以在仿真中实施开环 控制和闭环控制。闭环控制有机器控制( m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 和智能驾驶员( s m a r t d r i v e r ) 两种模式1 3 0 1 。 3 5 1 1 驾驶机器控制模式1 3 0 l 在开环控制中，驾驶员模块可以将试验中记录的转向、油门、制动、档位、 离合器等信号作为虚拟汽车模型的输入。 闭环控制的机器控制模式中，使用者定义汽车目标行驶路径、目标速度、目 标纵向加速度中其中一个或者多个的时间关系或路程关系数据，驾驶机器根据使 用者定义的目标，控制虚拟样机模型以目标速度和纵向加速度沿着目标路径行 驶。 闭环控制的智能驾驶员模式中，使用者需要定义目标路径以及性能指标要求 ( 例如，汽车行驶极限的5 0 ，8 0 ，l0 0 ) ，驾驶机器会自动控制虚拟样机模型 的转向、速度，使其沿着目标路径行驶。 3 5 1 2 驾驶机器事件文件1 3 0 l 驾驶机器的指令文件储存在x m l 事件文件( e v e n tf i l e ) 中，x m l 事件文件 可以使用事件生成器( e v e n tb u i l d e r ) 生成，如图3 3 4 。 图3 3 4