（机械设计及理论专业论文）组合挂车液压悬挂动载荷分析.pdf

摘要 攘要 在挂车设计中，特别悬车架的设计，需要了解悬挂系统的动载荷问题。尽 管畿率辆设计中，这是一个比较古老的问题，但是目前针对一般汽率设计所采 用的动载荷系数难以照搬劐缝合挂车上。瓯i 嗽研究组合挂车在行驶过程中液压 懋撬凌载蕊羯运交缮越寒越来重要。 本文铁流体力学籀壤氆发，分析了滚殛动载荷形成的摄因。同时，以营逶 全接率液压悬挂系统为研究对象，选取最基本的两油缸并联情况建妲数学模型， 推导比了路面不平度量姆液压动载荷峰值间的关系，为以后多轴线、多油缸并 联情况的动载荷研究打下丁基础。 本交还运用纛羧襻穰技零，嚣耀a d a m s 敬 睾建立了缝合挂警渡垂悬挂系 绫梭爱；黻路垂不平爱霸数作为运动激聚，对模型进行动办学傍粪，最后计算 得磁了车架动载荷系数德。 本文所采用的数学建模与虚拟样机相绪含的方法，为以后类似液压动载荷 问鼹的研究提供了一种思路。同时，通过对仿真数据的分析处理，得出的车架 动载褥系数值，为后续的攀絮设计提供了重黉瓣参考依据。 关镳词：组合挂车，液躐悬挂，动载荷，a d a m s ，虚拟样帆技术 a b s 仃a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft r a i l e rs t n l c t o r ed e s i g n i ti sn e c e s s a r yt ou n d e r s t a n dt h e c o n d i t i o no fd y n a m i cl o a di ns u s p e n s i o ns y s t e m g e n e r a l l ys p e a k i n g ，h y d r a u l i c s u s p e n s i o ns y s t e mi su s e di nh e a v yr o a dv e h i c l e ，b e c a u s eo fi t ss t r o n ga b i l i t yi n l o a d i n gh e a v yc a r g o f o rs u c hr e a s o n ，i ti si m p o s s i b l et ou s et h ed e s i g np a r a m e t e r s o f c i v i lv e h i c l ei n t ot h ed e s i g no f t h et r a i l e rs t r u c t o r e i nt h ep a p e r , h y d r o m e c h a n i c st h e o r yw a su s e dt oa n a | y s et h ec a u s eo ff o r m a t i o n o fd v n a m i cl o a d b a g e do nt h eh y d r a u l i cs u s p e n s i o ns y s t e m ，t h ef o u n d a t i o n a l m a t h e m a t i c sm o d e lw a gb u i l tt oi i l u m i n a t et h ew o r k i n gs t a t u so ft h es y s t e m b y u s i n gt h i sm a t h e m a t i c sm o d e l ，t h ep a p e rg o tt h er e l a t i o nb e t w e e nr o a ds u r f a c e r o u g h n e s sa n dt h em a xp r e s s u r ei nh y d r a u l i cs u s p e n s i o ns y s t e m i nc o n s i d e ro ft h es i t u a t i o no fv e h i c l er u n i n go nt h er o a ds u r f a c e ，v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n i q u ew a su s e dt os i m u l a t ew o r k i n gs t a t u so ft h ev e h i c l e b yu s i n g a d a m s ( ad y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r e ) ，t h ep a p e rb u i l ta3 - dm o d e lo ft r a i l e ra n d h y d r a u l i cs u s p e n s i o ns y s t e mt os t u d yt h ew h o l ec h a n g i n gp r o c e s so fd y n a m i c1 0 a d a tt h ee n do ft h i ss e c t i o n ，t h ep a p e rg o tt h ev a l u er a n g eo ft h ed y n a m i cl o a do n t r a i l e rb o d y t h er e s e a r c hm e t h o du s e di nt h ep a p e r , m i g h tb ea ni n s t r u c t i v ew a yf o rf u t u r e a n a l o g o u sr e s e a r c ho fh y d r a u l i cl o a d f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c l u s i o no ft h ep a p e ri s v a l u a b l ef o rt r a i l e rs t r u c t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：a s s e m b l e dt r a i l e r , h y d r a u l i cs u s p e n s i o ns y s t e m ，d y n a m i cl o a d ， a d a m s ，v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n i q u e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：低兜f 池 砌1 年j 月2 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济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，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：倔鳔肥 m 1 年3 月l 驴日 第1 章引言 1 1 课题的研究背景 第1 章引言 近年来随着我国国民经济持续高速发展，国家西部开发进程的加快，西部矿 业政策的落实，基础设施建设投入力度的不断加大，油田、矿山、林业的开发， 水利、电力、道路和城市建设的上马，如南水北调、西气东输、西电东送、青藏 铁路等重大工程的建设，极大地拉动了重型专用汽车市场需求的大幅度增长。因 此，为适应这种发展的需要，2 0 0 2 年9 月，原国家经贸委发布了工业企业近 期发展导向，在汽车行业方面要求重点发展“高性能、高可靠性、系列化的、 能适应高速公路使用条件的重型半挂车”。 同时，我国高速公路的快速发展也为专用汽车发展提供了良好的使用基础。 专用汽车在降低运输途中的货耗、货差以及提高安全性方面有着显著的优点，一 些易烯、易爆、易碎、易腐、易蚀、易散等物资都需要带有各种专用容器、防腐 设备以及减振装备的专用汽车来运输，另外除公路运输外，石油勘探、市政建设、 环保卫生、消防、机场、医疗、警备、伐木等也都需要各种功能和要求的汽车专 用车。发展专用汽车生产能扩大汽车的应用领域，增加汽车的工业产出，提高运 输效率，降低劳动消耗，并且，专用汽车能适应一般载重车所不能完成的种种特 殊要求，进一步延伸了公路货运的概念。运输业的发展进步使社会对汽车的运输 效率和经济性，以及各种功能和性能的要求越来越高，从而使汽车运输工具向专 用化发展成为必然趋势。 专用汽车中重型挂车以其成本低廉、运输量大以及品种多而备受用户的青 睐，而且挂车运输由于采用了甩挂运输，以及门到门的运输方式，大大减少了货 物装卸时间，缩短了货物周转期，提高了运营效率，将会成为未来公路物流的主 流运输方式。据统计，美国货物周转量的8 0 由汽车列车承担，其中7 0 又是 由半挂车完成，而目前我国这一比例还相当低。不过有理由相信，随着燃油税的 改革，重型车低油耗、大运量、高效率的优势效能特征将体现出来，我国货运车 辆重型化进程将明显加快，重型挂车运输将成为未来公路物流运输的主流。2 0 0 2 年6 月的北京国际汽车展览会上，所有参展企业的牵引车的吨位和功率都较以前 有了显著的提高，这也预示着未来中国挂车发展的方向。 在挂车设计中，特别是车架的设计，需要了解悬挂系统的动载荷问题。尽管 在汽车设计中，这是一个比较古老的问题，但是目前针对一般汽车设计所采用的 动载荷系数是难以照搬到组合挂车上的。一般来说，大吨位运输车辆采用液压悬 第1 章引言 挂，这是由于液压悬挂具有承载能力大，均载性能好等优点。但同时，由于液体 的可压缩性差造成液压悬挂的刚性较大，不利于吸震和减震。随着车速的提高， 液压悬挂系统对车架的动载荷影响日益增大。此外，新型车辆形式的出现，如液 压鹅颈等，增加了车架与地面之间载荷的传递方式，也需要研究其动载荷的影响。 因此研究组合挂车在行驶过程中液压悬挂动载荷问题变得越来越重要。 1 2 国内外研究现状及本课题研究意义 1 2 1 国内外研究现状 在工程技术领域中，对动载荷响应问题的分析一直都是一个实际且复杂的问 题，其中对于液压悬挂系统动载荷的研究又是一个比较特殊的问题。这是由于液 压悬挂系统多用于重型挂车等专用汽车上，要分析液压悬挂的动载荷问题必须把 挂车的结构特点和实际的工作情况联系起来。 本课题所研究的组合挂车已在法国、德国、比利时等国家得到了广泛的应用。 国外各主流厂商对组合挂车已有系列化的定型产品，如：法国n i c o l a s 公司制造 的s b ! 1 1 5 5 、s b i 2 1 5 5 等车型；德国g o l d h o f e r 公司制造的s t z - - v h 6 、s t z v l s 4 等车型。因此可以肯定国外对液压悬挂动载荷问题上的研究已有一定的时 间和基础。 目前，国内计算机辅助设计和仿真分析主要还是集中在轿车等轻型、微型车 辆的开发研制上，对组合挂车研究还刚刚起步，其设计往往还停留在仿制、估算 的阶段，缺乏深入的理论研究和实际测试。国内许多大专院校、科研单位和相关 企业已经慢慢开展了这方面的研制工作并取得了一定进展。如：同济大学设计的 h g 3 5 2 1 - 0 1 型液压鹅颈就可与全挂车相匹配，使全挂车获得半挂车的良好性能； 上海水工机械厂生产的四轴线1 0 0 吨半挂车就采用了液压鹅颈装置，它可以与汉 阳特种汽车制造厂生产的h y 4 7 2 、h y 4 8 0 牵引车组成理想的汽车列车。但是， 对于液压悬挂系统的动载问题还没有深入的研究报道，设计过程中一般凭借经验 来确定动载荷系数。 1 2 2 课题研究意义 悬挂系统作为车辆车架与车轮之间传力部件，起着传递力和力扭，缓冲冲击 力，衰减震动，保证汽车能平顺地行驶的重要作用。因此研究悬挂系统的动载荷 问题对于后续的车架设计有着十分重要的作用。 随着运输行业向着高效性、节能性方向的发展，组合挂车在运输行业中的地 2 蘩1 章g l 言 位将越来越煎要。对液压悬挂的研究也将会随着挂车的蒋及，逐渐被国内的研究 人员所重视。因此，本课题的研究意义主要体现在如下几点： ( 1 ) 本课题的研究采用数学建摸与虚拟样机相结会的方法，不但在理谂上 对动载薅润熬遴行瑷宠分辑，露照搬攥实嚣工况建立了动力学费囊摸墼，秀炎戳 闻蘧的研究撬供了一种愚蘸。 ( 2 ) 通过对动力学仿真数据的处理分析，得到了动载荷量化的参数，为后 续的车架设计中动载荷系数的确定提供了重要的参考依据。 1 。3 课题麓磺瓷内骞 在挂率蜜簖行驶过程中，地面对车辆的作用力通过率轮传到悬挂系统进而影 响到液压系统内部的压力变化，遗成瞬时局部油压的急剧升高或降低，形成液压 动载荷。液聪幼载荷通过悬挂系统传递到车架，形成车架的动载荷。根据上述的 动载萄形成道程，本课题主要的掰究巍容是： ( 1 ) 分掇滚歪悉挂系绫动羧蕊瓣戒因，建立番藏系统弱数学模型雾瓣凌载 荷闷题进行研究，提出理论性的动载荷计算方法。 ( 2 ) 研究路面特性，确定路渐不平度的描述方法，建立其数学模型。 ( 3 ) 利用虚拟样机和仿真技术在a d a m s 中建焱犍车模型，以实际的路面 不平度函数作为输入，进行动力辫仿真。 ( 4 ) 对傍囊结鬟数摆述雩亍楚壤，褥爨量纯豹动载耱系数值。 3 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 2 1 引言 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 悬挂系统是连接车架和车轮的重要部件。对于一般的民用汽车，通常采用弹 性悬挂；对于百吨以上的重型载重挂车，由于承重力大且轴线数多，通常采用液 压悬挂的方式。本章将简单介绍液压悬挂的特点，从流体动力学角度分析动载荷 的成因，并对持车液压悬挂系统建立数学模型，推导出液压动载荷的计算公式。 2 2 悬挂系统的分类及液压悬挂系统的特点 2 2 1 悬挂系统的分类 悬挂系统是车辆车架与车桥( 或车轮) 之间传力装置的总称，其作用是传递 车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由路面不平传给车架的冲击力，并衰减由 此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。按照各悬挂之间的关联性，悬挂系统 可分为非独立悬挂系统和独立悬挂系统。 ( 1 ) 非独立悬挂系统 非独立悬挂系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮和车桥 一起通过悬挂系统连接在车架或车身的下面。非独立悬挂系统具有结构简单、成 本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操 纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。 ( 2 ) 独立悬挂系统 独立悬挂系统是每一侧的车轮都单独通过悬挂系统连接在车架或车身下面 的。其优点足：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力： 可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车行驶的稳定性；左 右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动，提高汽车的舒适性。不 过，独立悬挂系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。现代轿车大都是 采用独立式悬挂系统。 2 2 2 液压悬挂系统的特点 液压悬挂系统属于非独立悬挂系统，液压悬挂机构图如图2 1 所示。 4 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 图2 1 液压悬挂 液压悬挂系统特别适用于挂车等重型载重车辆，它具有如下的优点： ( 1 ) 使载荷均匀地分布在每一根轮轴上，并能自动调节各轴线的负载，使 其均衡。 ( 2 ) 使车架受力更为合理。 ( 3 ) 当挂车通过斜坡时，能使挂车货台保持水平状态。 ( 4 ) 通过液压管路中的压力表，可以方便地得知挂车的载重及分布情况。 ( 5 ) 挂车货台高度可以调节，便于货物装卸和通过桥洞及隧道。 ( 6 ) 利用悬挂行程的改变，可以方便地拆换轮胎和检修车轮。 但液压悬挂系统也有如下缺点： ( 1 ) 液压油的刚性大，不利于吸震和减震。 ( 2 ) 对温度的变化比较敏感。 ( 3 ) 由于液压油的粘性和泄漏等原因，有较多的能量损失。 ( 4 ) 车辆的舒适性和操纵稳定性都较差。 车辆在路面正常行驶时，由于路面不平形成冲击作用于悬挂系统，通过悬挂 系统传到车架，形成所谓的动载荷。为了研究动载荷的成因，就必须对液压悬挂 系统进行分析。本文首先采用数学建模的方法建立液压悬挂系统的数学模型，借 此研究动载荷的成因及其影响，在后续第五章中将利用虚拟样机技术在a d a m s 软件中建立挂车的模型，进行动力学仿真。 2 3 数学建模简介 数学模型是对特定对象、特定目的、特有规律，做一些必要的假设，运用适 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 当的数学工具，得到一个数学结构。简而言之，就是运用数学语言，如函数、图 形、代数方程、微分方程、积分方程等数学式子来描述研究对象在某方面的规律。 数学建模的过程就是利用数学方法去解决实践问题，对问题进行分析研究后 建立数学模型的过程。 2 3 1 数学建模的方法 ( 1 ) 机理分析法 根据人们对现实对象的了解和已有的知识、经验等，分析研究对象中各种变 量之间的关系，找出其内部机理的规律。这种方法的前提是我们对研究对象的机 理有一定的了解。 ( 2 ) 测试分析法 当我们对研究对象的机理不清楚的时候，可以把研究对象视为一个“黑箱” 系统。对系统的输入和输出进行观测，并以这些实测数据为基础进行统计分析来 建模。 ( 3 ) 综合分析法 对于某些实际问题，将上述两种方法结合起来使用。 2 3 2 数学建模的步骤和分类 建立数学模型一般分为如下几个步骤： ( 1 ) 建模准备。在建立数学模型前要对实际问题的背景有深刻的了解，进 行全面的、深入细致的观察，明确所要解决问题的目的和要求，并按要求收集各 种必要信息。 ( 2 ) 模型假设。模型假设是数学建模的关键一步。一般来说，一个实际的 问题是十分复杂的，涉及到很多方面，不可能考虑到所有因素。因此要对问题做 出必要的、合理的简化。 ( 3 ) 模型建立。根据所做的假设，利用适当的数学工具来刻画、描述各种 变量之间的关系，列出数学表达式或图表等数学结构。 ( 4 ) 模型检验。把数学模型求解的结果“翻译”回到实际问题中，与实际 情况进行比较，用实际的现象、数据等检验模型的合理性和适用性。如果结果与 实际相符，则进行下一步应用；如果不符则要返回原来的过程进行修正。 ( 5 ) 模型的应用。用已建立的数学模型分析解释已有的现象，并预测未来 的发展趋势，以便给人们的决策提供参考。 6 第2 章液压悬挂动载荷的珲论分析 图2 2 数学建模的步骤 数学模型可以按照不同的方式来分类。按照模型的应用领域，可以分为数量 经济模型、医学模型、地质模型、社会学模型等。按照建立模型的数学方法，可 以分为几何模型、微分方程模型、图论模型、优化模型等。 对于本文研究的液压悬挂系统，需要采用微分方程模型的方法来对系统特性 进行描述，下面简要介绍一下微分方程模型及其特性。 2 4 微分方程模型 含有未知函数、未知函数的导数与自变量之间关系的方程，称为微分方程。 一般地，n 阶微分方程的形式是： f ( x ，y ，y t ”) ；o 或y ”= ( x ，y ，y ，y ，y “) ； 若在区间i 上存在具有n 阶导数的函数( 曲，满足： f ( x ，矿( x ) ，妒( z ) ，矿( 力，矿”( x ) ) = 0( 2 1 ) 则称( x ) 为微分方程的解。 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 2 4 1 微分方程的定解问题 如果微分方程的解中含有任意常数，并且独立任意常数的个数与微分方程的 阶数相同，这样的解称为微分方程的通解。确定通解中任意常数的条件称为初始 条件。确定了微分方程的通解中任意常数后的微分方程的解成为微分方程的定 解。 求微分方程f ( z ，y ，y 7 ) = o 满足初始条件y l = y o 的定解，称为一阶微分方程 的定解问题，记作： 忙等 亿z ， 二阶微分方程的定解问题，记作： f y 一：( z ，力 y 1 ，= “ ( 2 3 ) 【y l ，= 一般n 阶微分方程的定解问题为： y ”lf ( x ，y ，y y “) y t , , - i ) l = i ( 2 4 ) y l ，。= “ y i 。= y o 2 4 2 微分方程的平衡性与稳定性 在利用微分方程求解的数学模型中，有时建模的主要目的并不是寻求动态的 过程的每一个瞬时的状态，而是研究某种稳定状态的特征，特别是时间充分长以 后动态过程的变化趋势，以及这些稳定状态是否容易受到破坏。这就是微分方程 的平衡性与稳定性。 微分方程的平衡解，即微分方程不变化的解，也就是常数解。一般地，一阶 微分方程： i d r ：，( ( 2 5 ) 口l 右端不显含自变量t ，代数方程厂( 曲= 0 的实根x = x o 称为平衡解。显然它也 是式( 2 5 ) 的解。 根据微分方程( 2 5 ) 的特点又可以将其解分为稳定平衡解和不稳定平衡解。如 第2 章渡摄爨挂动载蔫懿理论分耩 果从任意可能的韧始条件出发，微分方程( 2 5 ) 的解x ( f ) 都满足： i i m 川) = ( 2 6 ) 对称平簿鳃x - - x o 是稳定的；荫潮，称善= 毛是不稳定鹣。 在微分窍疆模鳘孛微分方程辫豹这舞特牲霹毒等多爽耩目蘧瓣讨论是专分鬟 要的。 2 5 液压悬挫系动载荷的成网及数学描述 2 。5 。 裁载臻戏因分橇 车辆在行驶过程由于路面不平、车速变化、车辆转镶原因不可避免会产缴动 载荷。本文主鬻研究路面不平产生的动载荷问题，下丽以重型多轴线全挂率为研 究对象分析动载葡媳戏因。翻2 3 为六轴线全挂车的结构示意图。 1 率槊2 憝镶系统3 轮轴萦统 4 机械转向系缆5 转向端粱荐皋萼i 扦 图2 3 六轴线全挂车结构示意豳 车黎l 燎全挂车翡框粱式承栽平螽，承受着复杂黪空游力系；悬挂系绞2 是全挂车的主要支撑装置，通过每个悬挂缸上的两个截此阀的开关，实现货台的升 降：轮轴系统3 是挂车的行走装溉，采用整体式车轴，可灾现伞方位摆动，以谶殿路 面的要求；机械转向系统4 利用机械杆系将转向缸的转向信号，传递给每个熬接 系统，最终傻器车轮按正确妁方超纷驶；转超虢粱5 是企挂车豹转囊、操于# 部黪， 全莛车支撵窝凌戆调整蠢强割转两熬实瑗，逶过搽缀转趣壤粱上静控翻繁宋瓷戎 的；牵引杼6 楚全挂车的牵引连接装置，牵引车的牵日 力、转向信号等通过举弓l 杆传递给全糖筚。 擘 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 1 发动机土垃滤器3 鞭压裂镒簏绢5 仗碰舀封网6 多路换向髑 7 悬挂蜒& 般也嘎9 安垒冈l o _ 乒研挽向髑手动泵1 2 转向缸 图2 4 六轴线全挂车液压系统原理图 六轴线全挂车液压系统原理图如图2 4 所示。在正常的工况下，液压悬挂系 统中各悬挂油缸之间的油路是相互打通的，以保证载荷均匀地分布在每一根轮轴 上，同时使车架能够保持水平状态。 当挂车静止停放时，由于各油缸相互打通，压力处处相等。当挂车行驶时， 由于路面不平，从竖直方向上观察，车轮随路面不平上下运动，造成悬挂油缸不 处在同一水平位置。悬挂油缸伸长或者缩短必然造成液压油的流动，从流体动力 学的角度分析，在流动液体内，由于惯性力和粘性力的影响，任意点处在个方向 上的压力并不相等。因此，各悬挂油缸之间的存在压力差，液压油从高压处向低 压流动，最终使得各部分压力重新回来相等的状态。 但是，实际的情况不是并非这么简单。由于油液的流动需要一定的时间，同 时路面情况又在不断地发生变化，所以整个系统处在刚要趋于稳定但又被新的外 界干扰所打断的状态。液压系统内部油液不断地流动、压力不断地变化，这就形 成了液压动载荷。液压动载荷通过液压悬挂系统传递到车架，使原本处于平衡状 态的车架的受力情况发生改变，形成了新的动载荷，即车架的动载荷。 2 5 2 动载荷的数学描述 形成液压动载荷主要原因是内部油液的流动，流动油液的动能瞬时地转变为 了压力能。设有一体积为v 的油液，液流速度为v ，密度为p 。根据能量转化和 守恒定律，油液的动能转化为弹性能，如式( 2 7 ) 所示： l p l v 2 1 2k z _ ，_ a p ，2 一 ( 2 7 ) 1 0 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 其中：去p 阶2 油液的动能； 三；屹油液的弹性能； k 油液的等效体积模量； a 只一动载荷的压力升高值。 由式( 2 7 ) 可得： 衅一= p 詹= ( 2 8 ) 其中：c 冲击波在管中的传播速度，其范围一般为8 9 0 1 2 7 0 m s 。 冲击波在管中的传播速度c 可以按式( 2 9 ) 计算： 弘詹2 燕 j 足 ( 2 9 ) 其中：k 液压油的体积模量； d 管道的内径； 艿管道的壁厚； e 管道材料的弹性模量。 知道了c 一，便可以求出液压动载时系统的最大压力： ，腿= p + a 0 一 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中尸为正常工作的压力，就是液压系统动载时的最大压力。 通过悬挂系统传递给车架，就可进一步求出车架在动载荷作用下的最大惯性 力。由式( 2 8 ) 可知，对于一定的液压油和管道材质来说，p 和f 均为定值，因 此唯一能减小a 的办法就是降低v 值。可以通过加大管道的通流界面或者降 低车速来实现。 2 5 3 悬挂系统的数学描述 六轴线全挂车液压系统原理图如图2 4 所示。要对悬挂系统建模分析，首先 要对系统各部件间的关系有明确的认识，抓住主要的问题从而对模型进行简化。 挂车在路面行驶时，各悬挂油缸之间相互打通以保证各轴线的载荷均等。因此， 在正常的工况下，可将系统视作一个多油缸并联的简化液压系统，而系统中的其 它元件，如：换向阀、安全阀、溢流阀等可视为次要的影响因素，这样就可使模 型简化。简化后的系统原理图如图2 5 所示。 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 油 以孔巾扎瘫外 图2 5 六轴线全挂车液压悬拄系统简图 根据上面我们所得到的结论：液压动载荷主要原因是内部油液的流动，流动 油液的动能瞬时地转变为了压力能。当某一油缸受到冲击时( 例如图2 5 中的油 缸1 ) ，油缸内的压力会突然发生变化，与其它并联油缸形成压力差。如果压力 差为正，说明该油缸内压力瞬时增大，该油缸内的液压油将流向压力较低的其它 油缸内；如果压力差为负，说明该油缸内压力瞬时减小，液压油从其它油缸内流 向该油缸。 式( 2 8 ) 给出了计算一般的压力升高值的方法，由于式中p 和c 均为定值， 因此如果确定v 就能够估算出压力的升高值e 一进而求出由于悬挂系统液压动 载造成的车架动载荷的惯性力。当车辆在路面正常行驶时，路面存在不平整现象 造成个悬挂油缸部处于同一水平位置，如何将路面的不平整量转化为所需要的流 速v 是我们关心的问题。 为了找出研究上述问题的一般性方法，可选取最简单的液压缸并联的情况进 行分析。多轴线、多油缸并联的情况可通过本方法推导出来。图2 6 a 为两油缸 并联时的系统简图。现做如下几点假设： ( 1 ) 初始位置时，两油缸处在同一水平位置。 ( 2 ) 两油缸初始压力相同，都为最。 ( 3 ) 两油缸内径相同，直径都为d 。 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 油 车架 缸冉 油； a 车架 y 舭 图2 6 两油缸并联简图 图2 6 a 为两油缸的初始位置；图2 6 b 为受路面不平影响后油缸位置的变化 情况，根据油缸内油液体积的变化量可得到如下关系式： 巧+ 匕= 2 v o ( 2 1 1 ) k 一巧= 万( 鲁 2 】， ( 2 ，z ， a v = k - v o ( 2 1 3 ) 其中：k 两油缸内油液的初始体积； e 左边油缸缩短后的体积； k 右边油缸伸长后的体积； y 流动油液的体积； d 油缸直径； 】，路面位置变化量。 由式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 可得： 巧= + 等】r ( 2 1 4 ) 将式( 2 1 4 ) 带入式( 2 1 3 ) 可得： 肌等y ( 2 1 5 ) 根据体积和流量的关系，以及流量和流速的关系可得： q = 百d v ( 2 1 6 ) 第2 章液压悬挂动载荷的理论分析 v 一斋 ( 2 - t 7 ) r d 、。 、 l 2 其中：q 流量； v 流速。 由式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可得： v = 吉警 眨旧 2 出 、 式( 2 1 8 ) 表明了油液流速与路面变化量之间的关系。该式是在简化模型的基 础上的得到的，实际上悬挂油缸的位置并不是完全的怪直方向，而是跟竖直方向 呈一定的夹角( 如图2 1 ) 所示，而且该结果只适用于两油缸并联的情况。不过， 对于多轴线、多油缸并联的情况也可利用上述方法推论出来，同时进一步将油缸 与竖直方向的夹角考虑在进去，使数学模型更加精确，在此不一一推导。 将式( 2 1 8 ) 中的结果带回式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 就可大致估算出液压动载荷峰 值为： = p + i i 瓦d y 根据液压动载荷峰值可计算出作用于车架的惯性力大小。进一步讨论，将路 面不平度情况转变为时间的函数作为运动输入，就可得到相应动载荷结果的输 出。这史符合实际的工况，因为车辆在行驶的过程中，路面情况是不断变化的， 所以我们关注的是整个过程中动载荷的变化情况，而不仅仅局限于某一时刻。以 上建立的数学模型从理论角度对液压悬挂系统特性进行了研究，具体的仿真过程 可在a d a m s 软件中实现，将在第五章中详细分析。 2 6 小结 本章介绍了液压悬挂的特点，数学建模的一般步骤及方法：从流体动力学角 度分析液压动载荷的成因，即系统内部油液的流动，流动油液的动能瞬时地转变 为了压力能；推导出了液压动载荷的计算公式。 通过对液压悬挂系统特性进行研究，选取最基本的两油缸并联情况建立了数 学模型，推导出了路面不平度量与液压动载荷峰值间的关系，为多轴线、多油缸 并联情况的动载荷分析打下了基础。 第3 章戆藩平整瘦鞫箍蕊究 3 。1 孳l 言 第3 章路谳平整度问题研究 为研究悬挂系统及车架对路面输入激励的响应，酋先需要对路面不平度特性 有一个基本的认识。国l 内# l - 用于表示路面不平度的词语很多，在我国，道路工程 习惯用“平熬魔”，i 嚣车辆工程常用“不平度”。由于本牵憋对路面拇题进行研究， 缀多定义纛纛落来源予遂鼹互程学疆，壅予遵矮学辩痰藏戆考虑，霞矮“挚熬淡” 一词，而在其京章节中使用“不平发”一词。本章将弓l 入路面乎整度的蕊静熊懋 描述方法一闼际平整度指数和路面功率谱密度，同时逐将介绍路面功率谱密魔 的物理意义、寝示方法及分级标准。 3 。2 瘩覆警整澄戆凝念 平整度戆路面施工质量与服务承平的重要指标之一，它是指以规定的标猴蹩 规，间断地戚连续地量测道路表面的凹凸情况，即不平整度的指标。 路面平熬度是在荷载和环境的姥同作用下，加上施工、材料等因素的影响， 嚣形残缒蹯袭聪不嫂赠静起伏。由于路西平整度是菲物理鬣，是约定可计量豹鬃， 这类量戆定义等诗萋方法毒关，穗囊之闯不存在确定豹羧算关系，不霹懿定义、 不同的测量方法会得到不同的结粱。所以，给路面平熬魔一个十分明确的、唯一 的、可定量化的、能普遍接受的概念比较困难。 国际道路平整度试验( i r r e ) 把路面平整度定义为i 踅路表面对于理想平颟的 犏离，它具蠢影响车辆动力特性、行驶质量和路丽动力载穗三者的数值特缝。定 义戆内涵雹戆? 客鼹浮接豢蠡窝囊浚滓侩豢标蘧露努。 客蕊评价捂标是道路表面对予瓒想平面的偏离，邵辩路面平整度进行测鬣、 计算得到的结粜，如方差、功率谱密度等。客观评价指标的优点是测量结果的客 观性，即时问稳定性。 主观评价指标是用乘车人的主观感觉来评价而得到的评价指标。其优点怒恕 运孬参数率簌夫戆感觉纳入了藏嚣乎整度赘评定；疑点是译徐具有不稳定 性，瑟译徐络莱受车辆状况、驾驶援零稆评价人员潮断豹影喷。 第3 章路面平整度问题研究 3 3 平整度测量方法 在几十年的发展过程中，世界各国曾提出多种平整度测定方法和仪器。它们 大体上可划分成两大类型：断面类平整度测定与反应类平整度测定。 3 3 1 断面类平整度测定 断面类平整度测定是直接沿行驶车辆的轮迹量测路面表面的高程，得到路表 纵断面，通过数学分析后，采用一个综合性统计量来表征其平整度。这类方法又 可按测量基准分为五类。 ( 1 ) 固定基准测量 这种方法是在量测路面高程时，建立一个固定的不振动的基准，量取路面与 基准之间的偏离数值，从而得到路面平整度的测量数据。 例如，以前在我国常采用的“3 米直尺”测量法，该方法因为通常采用直尺 的长度是3 米而得名。2 0 世纪7 0 年代中期以前，直尺是我国路面平整度测量的 主要工具。测量时，把直尺平放在路面上，用楔块塞入直尺的尺底间隙，读取楔 块上的测量值如图3 1 ，该测量方法的尺位是人为选择的，测量的重复性差，测 量结果可能因测量人而异，且测量速度慢。 奠块 刺度 豸 直尺 ， 陪淼墨 7 ” 臻塌 图3 1 直尺测量 ( 2 ) 随动基准( 多轮测平车) 测量 固定基准测量方法的优点是基准稳定，缺点是不能连续测量。把基准装上支 承轮，使基准沿着测量方向前进，从而实现连续测量，这就是随动基准测量。多 轮测平车采用多个平衡轮支承的直粱构成随动基准，测量参数是路面相对于基准 梁的垂直位移。 图3 2 中，平衡轮1 两两成对成平衡形式，当路面6 不平时，各轮架可绕平 衡架2 转动，各平衡架又可绕基准3 转动。轮l 兼有平衡和支承仪器的功能，沿 行驶方向两排平衡轮共十六个，单排八个。随动基准3 是一根直梁，直梁中点是 第3 章路面平整度问题研究 测量的参考点，该点处于十六个平衡轮的平均位置。测量轮4 在弹簧的作用下保 持与路面接触，它测量基准3 和路面6 的相对竖向位移并记录在仪器5 上。 图3 2 多轮测平车 l b 多轮测平车测量效率较固定基准有很大提高，在基准长度范围内，测量精度 比较好，且结构简单，成本低，操作方便。它曾得到世界各国，特别2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代的中国的广泛应用。但多轮测平车受长度和速度的限制，难以 反映较高车速下路面较长波长的颠簸和起伏。 ( 3 ) 递推基准测量 递推基准的测量原理是：根据过去已知的一组路面数据和测量参数，用递推 算法求出下一个未知路面数据，在每一个测量节距中重复递推计算。从而得到路 面平整度序列。t r l 高速路面计是在世界上享有盛誉的递推基准设备，由英国运 输与道路研究所( t r r l ) 开发。该仪器是一个长度为4 i 的单轴拖车，采用非接触 式传感器测量路面的高度，测量速度可达8 0 k m h 。 t r l 高速路面计比多轮测平车测量效率更高、测量更准确、测量的路面波长 更长：能方便的提供准确详细的数字记录，以满足数字分析技术的需要；其非接 触式路面测量传感器解决了高速测量时接触式传感器发热和跳离路面的问题。 ( 4 ) 惯性基准测量 1 ) g m r 断面仪 在测试车车身上安置竖向加速度计，以得到惯性参考系。由加速度计的信号， 通过二重积分后，便可以得到车身的位置。车身同路表面之间的距离，可以通过 装在车上沿路表面滚动的跟随轮，利用线性电位计量测得到。将此相对位移同加 速度计得到的车身位移迭加后，便可得到路表纵断面。跟随轮和加速度计可装在 车身的两侧，因而可测到两条轮迹的纵断面。这类仪器最早是由美国通用汽车公 司提出的，因而称作g m r 断面仪。 采用跟随轮时，在测试车行驶速度较高和路表较不平整的情况下，轮子会发 生跳动( 有时跳离路表面) ，从而影响测定结果。因此，g m r 断面仪的测量速度一 般不能超过6 5 k m h ，并且适宜于较平整的路面。 后来提出了一些取消跟随轮的非接触式断面仪改进方案：利用激光、超声、 第3 章路面平整度问题研究 红外线等传感器量测车身同路表面间的距离，如图3 3 所示。 ，一。n 一一、 秘。寡帆 慑性参考秉厂。弋 一一吲一歹。 。一一、 黯面翻车身纳嵩魔 加建瘦甘 图3 3g 职断面仪 2 ) a p l 路面纵剖面仪 法国道路桥梁研究室于1 9 7 4 年完成了用于高速、二级以上公路以及机场跑 道纵剖面分析的a p l 路面纵剖面仪的开发，并根据该仪器的特点制定了路面平整 度评价规范。测试拖车主要由测量轮、车架、测量臂和一低频惯性摆组成，如图 3 4 。拖车的传感频率为0 5 2 0 h z ，对牵引车的运转不敏感。惯性摆提供拟水 平参考系，通过测量测量臂相对于水平惯性摆的角位移，可计算得到测量轮沿路 表的竖向位移，从而得到路表纵断面。a p l 路面纵剖面仪可用于测定各种平整度 的路面，测定速度可在1 5 1 4 0 k m h 范围内变化。 图3 4 a p l 路面纵剖面仪 ( 5 ) 角度基准测量 c h l o e 纵剖面测量仪是典型的角度基准测量方法，如图3 5 所示。仪器主 体结构为单轴拖车和两个测量小轮，测量基准为单轴拖车的车架，两个小轮装在 摆架上，和摆架一起构成测量传感器，测量参数是摆架相对于基准的角度，其采 样间隔为o 3 0 5 m ，但该仪器的测量速度较低。 第3 章路面平整度问题研究 羹量小转 图3 5c h l o e 纵剖面测量仪 断面类平整度测定方法的主要优点是直接得到轮迹带路表面的实际断面，从 而对路面的平整度特性进行分析。其主要缺点是：对于水准测量、梁式断面仪和 直尺来说，测定速度太慢，不宜用于大范围的数据采集；而对于多轮测平车、 t r l 高速路面计、g m r 断面仪、a p l 路面纵剖面仪和c h l o e 纵剖面测量仪而 言，仪器的精密度高，操作运用和维修技术要求高，购置和使用费用也很高，因 而其应用广泛性受到限制。 3 3 2 反应类平整度测定 反应类平整度测定系统是在车上安装传感器和显示器，以传感器测量车辆以 一定速度驶经不平整路面时悬挂系的竖向位移量。仪器得到的测定值，通常是一 个计数数值，每计一个数相应于一定的悬挂系位移量。早在2 0 世纪4 0 年代就出 现的这类仪器是美国公路局的平整度仪( b p r 平整度仪) ，该仪器为一单轮拖车， 通过机械式积分器记录带片弹簧车辆的竖向位移量如图3 6 。其测定速度通常为 3 2 k m h 。 图3 6 b p r 平整度仪 英国t r r l 对这一仪器作了改进，研制出了颠簸累积仪。它与b p r 平整度 仪相似，也可直接安装在车上，量测后轴同车身之间的悬挂系位移如图3 7 。后 轴和装在车身上的滑轮由一钢索连接，滑轮随悬挂系位移按比例转动，机械式离 黼秘 嚣矿iii铲搬 一 州暂一 辐黻声一 飘 、，一 反套篷 囊每、一0 第3 章路面平整度问题研究 合器将此转动单方向的传给脉冲发生器，当位移累积一定量后( 例如2 5 4 r a m ) ， 就送出一脉冲信号给电子计数器。因而，每计一个数就相当于2 5 4 r a m 的位移量。 鞭麓仪! f袅：曼 黔 基舔 回 冉 一一 图3 7 颠簸累积仪 同类型的反应类仪器还有美国的p c a 仪和m a y s 仪、澳大利亚的n a a s r a 平整度仪等。反应类平整度测定系统的优点是价格低廉、操作简便、可用于大范 围的路面平整度快速测定。这类测定系统在2 0 世纪中后期得到世界多国非常广 泛的应用。然而，由于反应类平整度测定系统是对路面平整度的一个间接度量， 其测定结果与测试车辆的动态反应状况有关，即随测试车辆机械系统的振动特性 和车辆的行驶速度而变化。因此，它存在三项主要缺点： ( 1 ) 时间稳定性差由于车辆振动特性会随时间和其他因素而变化，同 一台仪器在不同时期测定的结果不一致。 ( 2 ) 转换性差个部门测定的结果很少能为其他部门所复制，所以不 同部门的测定结果难以进行对比。 ( 3 ) 不能给出路表面的真实断面，因而无法利用测定结果考察和分析影响 路况的路表特性。 为了克服反应类平整度测定的上述第一项缺点，必须经常对平整度仪进行标 定。标定的方法是选择若干平整度己知的标定路段，建立反应类仪器在标定路段 上的测定结果同该路段己知参照平整度之间的回归关系( 即标定曲线) 。标定路 段的参照平整度，通常采用断面类平整度测定方法进行测定。利用此标定曲线， 就可以对反应类仪器在不同时期测定的结果进行转换。这种标定方法的关键是要 能精确的测定标定路段的纵断面，以确定其参照平整度，并且需要一项单一的平 整度指标，可以代表标定路段的纵断面特性，以便于同反应类仪器的测定结果建 立标定曲线。为了克服第二项缺点，还需要寻找一个通用的平整度指标，以便把 不同仪器或不同部门测定的结果统一转换成以这个通用指标表示的平整度值，使 它们能够进行比较。 第3 章路面平整度问题研究 3 4 国际平整度指数 路面平整度的描述方法非常多，根据测量仪器的不同有不同的评价指标，根 据评价方法的差别有客观指标与主观指标之分下面对其中两种典型的描述方 法：国际平整度指数和路面功率谱密度进行详细介绍。 国际平整度指数是世界银行组织召集世界各国专家学者，考虑了公路路面的 长波模型、短波模型、台阶模型以及专家模型等向世界各国推荐的平整度指标。 目前，国际平整度指数已发展成为各国平整度的通用指标。 3 4 1 基本概念及计算模型 国际平整度指数是针对反应类平整度仪进行平整度测定的模拟。它应用力学 方法模拟理想车辆( 1 4 车，即单轮，见图3 8 ) 以一定速度沿路表纵断面行驶时 的反应，计算lk m 距离内系统的相对竖向位移累积值，以m k m 表示。由于反 应类平整度