汽车车轮动载荷的研究

1.2 国内外研究现状
车轮受地面随机载荷激励有两类问题，一类是正问题，就是当车轮受地面 随机激励时，计算其各种响应的自谱与互谱，这种正问题已经比较成熟。另一 类是反问题，有两种：一种是由路面激励与车轮响应的功率谱去寻求车轮系统 本身的特性，也即所谓系统识别问题，由于车轮系统较易辨识，在这方面研究 不多；另一种是根据车轮响应的功率谱及已知的车轮系统特性去反求路面激励 功率谱，即所谓随机载荷识别或反演问题。这种反问题在工程实际中是很重要 的，有时候直接去测量路面随机载荷激励会有困难，但是测量车轮随机动载荷 比较方便，这时就应该用车轮响应功率谱去反演路面激励载荷功率谱。 动载荷计算方法比较多，常用的有时域分析方法和频域分析方法。通常是 建立车辆振动模型，通过频域或时域分析系统特性，由输入激励求出系统响应。 林家浩，钟万勰[1]等人提出随机激励下的结构动力响应分析方法——虚拟激励 法，具体原理在第三章介绍。该方法是一精确高效的方法，运用该方法将平稳 随机响应分析被转化为稳态简谐响应分析，非平稳随机响应分析被转化为确定 性瞬态响应分析，求解和应用十分方便，目前已经在多个工程领域获得较为广 泛的应用。在抗震领域的应用代表有：中国水利水电科学研究院陈厚群（工程 院院士） 、杜修力、梁爱虎等在拱坝多点地震激励分析中发表多篇论著，使虚拟 激励法更具工程实用性[2～3]。河海大学刘汉龙、陆兆溱、钱家欢将虚拟激励法推 广应用于土石坝非线性随机反应和动力可靠性分析[4]。大连理工大学陈健云、林 皋（中科院院士）将虚拟激励法推广应用于拱坝-地基体系的多点输入随机地震 响应分析等[5]。在结构抗风分析上的应用有：大连理工大学孙东科等用虚拟激励 法研究了大型起重机的风振[6]，并与香港理工大学合作，用虚拟激励法研究了青 马悬索桥的风激随机振动[7]。同济大学项海帆（工程院院士） 、朱乐东，香港理 工大学徐幼麟教授等用虚拟激励法完成了香港青马大桥三维气动弹性耦合颤振
南京航空航天大学 硕士学位论文 汽车车轮动载荷的研究 姓名：黄玮 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：赵又群 20060301
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摘
要
本文应用虚拟激励算法，研究了不同因素对车轮随机动载的影响。论文的 主要工作如下： 1. 应用虚拟激励法，将路面不平度随机输入转化为确定性输入，在车辆二 自由度模型基础上，分析了车速和路面不平度对车轮随机动载的功率谱密度和 方差变化趋势的影响。 2. 应用逆虚拟激励法，通过车轮随机动载的功率谱密度和车辆二自由度模 型系统特性，反求激励谱特性即路面不平度激励谱。 3. 提出针对路面状况来调整车速可以降低车轮动载荷，并提出其它的降低 车轮动载荷的方法。 4. 应用 ADAMS 软件仿真分析不同路面激励情况和车速等因素对车轮动态 响应的影响。 综上所述，本文主要研究了汽车车轮动载荷的内在规律性，分析了路面不 平度和车速等因素对汽车车轮动载荷的影响。该研究对降低不平路面上汽车车 轮的动载荷，减轻道路损伤有一定作用。
Key words: Road Irregularities, Wheels, Random Dynamic Loads, Pseudo Excitation Method, Inverse Pseudo Excitation Method, ADAMS
ii
承诺书
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G q ( n)
n
n0 G q ( n0 )
W
Gq ( f ) Gq ( f ) S x (ω ) 0 x
vi
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第一章 绪论
1.1 车轮动载荷
现代汽车的行驶平顺性是汽车主要性能之一。汽车行驶时，来自路面的冲 击以及汽车行驶系和传动系中作用力的大小方向的不断变化，汽车将发生振动。 汽车振动不仅对乘坐者造成不舒适的感觉，而且对所运货物的完整性不利。振 动产生的动载荷，会使汽车机件磨损加剧，甚至造成损坏。此外，在振动时， 由于轮胎、悬架和减震器等能量消耗增加，行驶阻力加大，因而燃料消耗增高， 降低燃料经济性。汽车在不平道路上行驶时，行驶平顺性不良的汽车，车身强 烈振动，驾驶者不得不降低车速，因而降低了汽车的平均行驶速度，导致运输 生产率下降。 车辆直接与地面发生作用就是车轮，研究车辆对地面结构的影响，首先要 对车轮动载荷特性进行研究。由于路面不平整是一个典型的随机过程，所以车 辆作用于路面的附加动载荷也具有随机性。车辆与路面相互作用系统的研究是 一门新近发展起来的领域，主要涉及车辆、道路以及它们之间相互作用的动力 学等三方面问题的研究。该领域发展需要解决很多课题，如路面计算模型、载 荷模型、计算方法等。行驶在路面的车辆必然对路面施加随空间和时间都变化 的载荷。传统的路面分析模型都假定载荷是静态或完全平稳的，忽略了载荷的 本质特性，但是由大量得到的实验结果表明，车速对路面的应变响应有很大影 响。 由于车辆与地面直接接触的是轮胎，大量资料表明轮胎对地面的动载荷是 路面产生破坏的最主要因素，所以研究车辆与地面相互作用，主要就是研究车 轮的动载荷。汽车行驶在路面受到随机载荷的作用，对车轮动载荷的研究就是 确定其载荷谱，随着数字处理技术及其统计精度得到了大幅度地提高，载荷谱 的测定方法一般有两种，即直接测定与间接测定（识别）法。车轮在受到地面 随机载荷作用下，其时间历程具有统计规律性，当其为平稳随机过程时。便可 在时域、频域及幅值域内进行分析。通常，载荷谱从随机载荷的幅值分布和频 率结构两个方面对其加以表述，用功率谱形式的表示的载荷谱是从载荷幅值的
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表清单
图 2.1 图 2.2 图 2.3 图 2.4 图 3.1 图 3.2 图 3.3 图 3.4 图 5.1 图 5.2 图 5.3 图 5.4 图 5.5 图 5.6 图 5.7 图 5.8 图 5.9 路面纵断面曲线……………………………………………………………………… 路面不平度分级图…………………………………………………………………… 不同车速下时间频率与空间频率的关系…………………………………………… 5 7 8
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注释表
m1 m2 k1 k2 c2
车轮质量 车身质量 轮胎刚度 悬架刚度 悬架阻尼系数 路面不平度输入 u 车速 悬挂质量分配系数 路面不平度方差 路面速度输入方差
ε
σ z2
σ v2
x0
x1 x2 F1 S F (ω )
m1 的位移坐标 m2 的位移坐标
车轮对地面的随机载荷 车轮随机载荷的功率谱密度 路面功率谱密度 空间频率 参考空间频率 路面不平度系数 频率指数 时间频率谱密度 加速度的谱密度 路面加速度功率谱 虚拟加速度激励
图 5.10 30km / h 行驶在 C 级路面上车轮垂直加速度与时间的关系……………………… 45 图 5.11 30km / h 行驶在 C 级路面上车轮所受载荷与时间的关系………………………… 46 图 5.12 双波纹路面不平度与时间的关系…………………………………………………… 46 图 5.13 30km / h 行驶在双波纹路面上车轮垂直加速度与时间的关系…………………… 47 图 5.14 30km / h 行驶在双波纹路面上车轮所受载荷与时间的关系……………………… 47 图 5.15 单脉冲激励路面不平度与时间的关系……………………………………………… 48 图 5.16 30km / h 经过路坎时车轮所受载荷与时间的关系………………………………… 48 图 5.17 30km / h 经过路坎时车轮所受冲量与时间的关系………………………………… 49 图 5.18 70km / h 经过路坎时车轮所受载荷与时间的关系………………………………… 49 图 5.19 70km / h 经过路坎时车轮所受冲量与时间的关系………………………………… 50 图 5.20 50km / h 行驶在双波纹路面上车轮垂直加速度与时间的关系…………………… 50 图 5.21 50km / h 行驶在双波纹路面上车轮所受载荷与时间的关系……………………… 51 图 5.22 50km / h 空载车辆行驶在 C 级路面上车轮所受载荷与时间的关系……………… 52 图 5.23 50km / h 满载车辆行驶在 C 级路面上车轮所受载荷与时间的关系……………… 52 表 2.1 表 3.1 路面不平度 8 级分类标准…………………………………………………………… 6 所选车轮参数值……………………………………………………………………… 17
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汽车车轮动载荷的研究
均方值随频率分布上来描述， 保留了载荷的几乎全部信息， 是一种建立在 FFT(快 速傅立叶变换)分析技术基础上，比较精确、严密的随机载荷统计方法，因此， 较多采用功率谱形式的载荷谱。近年来发展起来的“虚拟激励法” ，将平稳随机 激励转化为简谐激励，从而可以用工程人员熟悉的确定性动力分析方法求解， 提高了求解随机响应的效率。
虚拟激励法基本原理………………………………………………………………… 10 车辆二自由度模型…………………………………………………………………… 14 三种车速下车轮动载的功率谱图…………………………………………………… 18 三种路面不平度下车轮动载功率谱图……………………………………………… 19 三种轮胎刚度下车轮动载功率谱图………………………………………………… 20 简化的汽车立体模型………………………………………………………………… 37 简化的双轴汽车平面模型…………………………………………………………… 38 车身与车轮两个自由度振动系统…………………………………………………… 38 车轮振动系统实体仿真模型………………………………………………………… 40 C 级路面不平度随时间变化曲线…………………………………………………… 42 行驶在 B 级路面上车轮垂直方向位移与时间的关系……………………………… 43 行驶在 B 级路面上车轮垂直加速度与时间的关系………………………………… 44 行驶在 B 级路面上车轮所受载荷与时间的关系…………………………………… 44 行驶在 C 级路面上车轮垂直方向位移与时间的关系……………………………… 45