張衛(wèi)亮,張偉博

(1.寶雞文理學院 機械工程學院,陜西 寶雞 721016; 2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學,陜西 西安 710302)

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基于ADAMS的道路養(yǎng)護車側翻穩(wěn)定性研究

張衛(wèi)亮1,張偉博2

(1.寶雞文理學院 機械工程學院,陜西 寶雞 721016; 2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學,陜西 西安 710302)

對道路養(yǎng)護車側翻過程的數(shù)學模型進行了分析,鑒于數(shù)學模型較為復雜,虛擬樣機技術對于復雜模型分析的優(yōu)勢,通過ADAMS建立養(yǎng)護車側翻穩(wěn)定性虛擬樣機模型,對側翻穩(wěn)定性進行了研究.在ADAMS環(huán)境下測量虛擬樣機模型起吊過程中輪胎和地面的接觸力、輪胎位移、彈簧板變形等動態(tài)參數(shù).通過分析仿真主要動態(tài)參數(shù)的變化,判斷起吊過程的動態(tài)穩(wěn)定性.仿真結果為道路養(yǎng)護車的設計、改進提供了一定的參考和依據(jù).

道路養(yǎng)護車; 虛擬樣機; 接觸力; 動態(tài)穩(wěn)定性

側翻是一種比較常見且危害較大的事故.根據(jù)美國高速公路安全管理局(NHTSA)研究發(fā)現(xiàn)，車輛在使用過程中側翻的造成的危害僅次于碰撞[1],因此國外許多發(fā)達國家對側翻的影響因素和如何避免側翻進行了廣泛的研究.近些年隨著我國汽車使用數(shù)量的增加和側翻事故的頻頻發(fā)生,越來越多的學者認識到車輛防側翻研究的必要性.何鋒等[2]考慮懸架和車軸對側傾穩(wěn)定性的影響,推導出了一種側翻門檻值的計算方法;劉合法等[1]建立了獨立懸架和非獨立懸架側傾的數(shù)學模型;吳新燁等[3]在忽略前后軸差異的假設下建立了綜合懸架的模型,并利用MATLAB對該模型進行分析.

道路養(yǎng)護車是一種比較常見的公路養(yǎng)護施工機械,目前大部分道路養(yǎng)護車都是在現(xiàn)有汽車底盤上配置了重型養(yǎng)護施工設備,但這樣做的結果導致了養(yǎng)護車整車重心高度的增加.為了提高養(yǎng)護效率和減輕養(yǎng)護工人的作業(yè)強度,養(yǎng)護車側面的起吊裝置要對養(yǎng)護施工設備進行起吊搬運,而這些養(yǎng)護施工設備質量較大,而在養(yǎng)護車的兩側又沒有防止側翻的擴橋支腿,因此養(yǎng)護設備的起吊存在車輛側翻的風險[4-5].

本文以某型道路養(yǎng)護車為例,綜合考慮道路養(yǎng)護車在工作過程中側翻的影響因素,建立養(yǎng)護車側翻的數(shù)學模型.考慮輪胎、起升動載荷、簧載質量、非簧載質量等對道路養(yǎng)護車起吊過程側翻影響較大的因素,在ADAMS環(huán)境下建立養(yǎng)護車簡化的虛擬樣機模型,通過分析虛擬樣機模型左、右兩側輪胎與地面接觸力大小、輪胎位移等動態(tài)參數(shù),實現(xiàn)對養(yǎng)護車側翻動態(tài)穩(wěn)定性的分析和研究.

1 養(yǎng)護車側翻穩(wěn)定性數(shù)學模型

圖1 養(yǎng)護車側翻簡化模型Fig.1 Maintenance simplified model car rolled over

按照文獻[2]假設:①不考慮轉向系統(tǒng),忽略前后軸差異;②輪胎和地面接觸力作用于輪胎寬度中心位置;③側翻時簧載質量和非簧載質量的質心發(fā)生偏移;④考慮角度很小,角度和它的三角函數(shù)滿足φ≈sinφ≈cosφ≈tanφ.

由圖1中關系建立養(yǎng)護車側翻數(shù)學模型，過程如下.

(1)

式中:Hu為非簧載質量的質心偏移量;hu為非簧載質量質心距地面的高度;φu非簧載質量的側傾角.

(2)

式中:Hr為側傾中心的偏移量;hr為側傾中心距地面的高度.

(3)

式中:Hs為簧載質量的質心偏移量;h為簧載質量的側傾力臂;φs為簧載質量的側傾角;hs為簧載質量的質心距地面的高度[2].

對O點取矩,可以得到:

(4)

式中:Gh為簧載質量的重力;M為起吊動載荷產(chǎn)生的側翻力矩;Kr為懸架組合側傾角剛度.

聯(lián)立式(1)—(4)可得:

(5)

當養(yǎng)護車出現(xiàn)側翻趨勢時,由于側翻力矩的存在,導致養(yǎng)護車兩側輪胎與地面的接觸力大小發(fā)生變化,遠離側翻一側(外側)的接觸力小于靠近側翻的一側(內側).接觸力的大小可以用輪胎的變形表示:

(6)

式中:Fw為外側輪胎與地面的接觸力;k為輪胎的徑向剛度;δ0為非簧載質量側傾角為零時的輪胎變形量;δ為非簧載質量側傾角不為零時輪胎變形量.

(7)

式中:Fn為內側輪胎和地面的接觸力.

(8)

式中:B為輪距[3].

選取養(yǎng)護車整車為研究對象,則得

(9)

式中:Gf為非簧載質量的重力;G為起升動載荷.

聯(lián)立式(5)—(9)可得:

(10)

(11)

(12)

由圖1可知,在整個過程中非簧載質量側傾角φu于某一范圍內變化,考慮到懸架組合側傾角剛度一般較大,因此在整個過程φu變化較小,φu取上限則由計算結果判斷側翻安全性更高(取上限值計算出的外側輪胎接觸力大,內側輪胎接觸力小),根據(jù)兩側輪胎與地面接觸力的關系可以得到:如果內外側輪胎和地面接觸力都大于零,則不會側翻.

為了應用簡單,在此參考相關文獻直接取φu大小為0.31 rad,帶入式(11),(12),即可由數(shù)學模型得出內外側輪胎的接觸力估算值.至于φu取值是否合理,可以通過仿真進行檢驗和修正.具體如下:建立系統(tǒng)仿真模型,假設其他參數(shù)不變,在ADAMS環(huán)境下改變式(11),(12)中起吊側翻力矩M的大小,直到外側輪胎接觸力為零,將此臨界仿真數(shù)據(jù)帶入式(12),即可算出φu大小(此時φu為整個過程較大值).

2 Adams環(huán)境建模和分析

2.1 模型參數(shù)計算分析

①彈簧板等效剛度k1估算[6]:

(13)

式中:n′為板簧端部片數(shù);n為板簧總片數(shù);b板簧寬度;h為板簧高度;E為彈性模量;l板簧長度的一半;取彈簧墊板等效剛度為16000 N·m-1.

②輪胎 輪胎材料多為天然橡膠和再生橡膠等,在ADAMS中建立輪胎模型,修改輪胎胎面材料密度為1 300 kg·m-3,泊松比0.3,彈性模量9.8 MPa[7].

③車架和車載養(yǎng)護設備參數(shù) 簧載質量Gh為2 000 kg,攪拌機質量為300 kg,發(fā)電機組質量為300 kg,起吊裝置質量為200 kg,起吊裝置立柱高度1 600 mm,橫梁長度1600 mm,非簧載質量Gf為880 kg(含6個輪胎、前后橋).車架等效阻尼系數(shù)為1 400 N·m-1·s,整車長度為6 190 mm,寬度為1 990 mm,底盤前懸為1 032 mm,底盤后懸為1858mm,輪胎數(shù)為6,輪胎型號為9.00-20,9.00R20,10.00-20,10.00R20.為了防止側翻,養(yǎng)護車載發(fā)電機組和攪拌機布置在靠近外側,增加整車抗傾翻力矩[5,8].

表1 模型尺寸

④載荷 起吊動載荷G參照文獻[9]來計算,分為6個階段:第一,鋼絲繩瞬間繃緊、將重物從地面上吊起;第二,重物平穩(wěn)上升、離開地面到達一定高度;第三,重物制動、繞起吊立柱旋轉120°、使重物到達車廂內側;第四,重物平穩(wěn)下降;第五,重物下降、慢慢落到車廂;第六,重物落到車廂.

繞立柱旋轉用ADAMS下STEP(x,x0,h0,x1,h1)函數(shù)實現(xiàn):STEP(time,0,0,27,0)+STEP(time,27,0,29,120d)+STEP(time,10,0,35,0).起升動載荷通過ADAMS自帶的IF函數(shù),用嵌套的格式來實現(xiàn):IF(time-2:2767-259*cos(28d*time),2508,IF(time-27:2508,1364-1144*cos(28d*time),IF(time-29:1364-1144*cos(28d*time),2508,IF(time-33:2508,2249-259*cos(28d*time),IF(time-34:2249-259*cos(28d*time),0,0)))))[10,11].

2.2 ADAMS環(huán)境下的建模和分析

根據(jù)以上參數(shù),在ADAMS環(huán)境下進行建模.為了簡化建模過程,作如下簡化和假設:①整車模型忽略前輪轉向系統(tǒng),假設前后橋結構無差異;②地面為剛性地面;③忽略傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、變速系統(tǒng)等部分.

在以上前提下,養(yǎng)護車虛擬樣機模型由駕駛室、車架、車載發(fā)電機組、車載攪拌裝置、輪胎、彈簧板和起吊裝置組成.各部分連接關系為:車載發(fā)電機組、車載攪拌裝置、駕駛室和車架采用ADAMS下的約束Fixed固定連接；車架和車橋之間通過豎直移動副、球副和彈簧連接，如圖2所示.地面和輪胎之間定義接觸,在4個輪胎下面建立4個測量塊,用來測量輪胎和地面之間的接觸力大小.

圖2 養(yǎng)護車1/2模型簡化結構Fig.2 1/2 model simplified structure maintenance car

為了研究養(yǎng)護車側翻影響因素之間的關系,結合養(yǎng)護車在施工作業(yè)中可能遇到的環(huán)境,選擇下面兩種工況對模型進行分析研究.

2.2.1 工況1分析

按照以上簡化模型,在ADAMS環(huán)境下建立養(yǎng)護車起吊過程的虛擬樣機模型如圖3所示.起吊橫梁前端加載起升動載荷,車載發(fā)電機組位于養(yǎng)護車前方靠近外側,車載攪拌裝置位于養(yǎng)護車尾部靠近外側位置,起吊立柱和車廂之間建立轉動副和驅動,保證起吊立柱在起吊過程中實現(xiàn)旋轉動作,4個車輪位于水平剛性地面,彈簧預加載和為7105 N,設置End time=35,Steps=460進行模型求解.

圖4為前方內外側(吊臂固定一側為內側,另外一側為外側,下同)輪胎和地面的接觸力大小,圖中實線為內側輪胎和地面的接觸力大小,虛線為外側輪胎和地面的接觸力大小.仿真結果顯示：起吊初期因為沖擊作用,接觸力出現(xiàn)波動,且內側輪胎接觸力大于外側接觸力；隨著起吊過程的平穩(wěn)接觸力的差值逐漸減小.這主要是因為底盤和車載養(yǎng)護設備布置偏心產(chǎn)生的抗傾翻力矩的作用,整個起吊過程外側輪胎和地面接觸力大于零,由此判斷不會出現(xiàn)傾翻.

圖3 ADAMS環(huán)境下建立的仿真模型Fig.3 Establish the simulation model in ADAMS environment

圖4 前方兩側輪胎和地面接觸力測量Fig.4 Front on both sides of the tire and ground contact force measurement

圖5為后方內外側輪胎和地面的接觸力大小,圖中實線為內側輪胎和地面的接觸力大小.虛線為外側輪胎和地面的接觸力大小,因為底盤和車載養(yǎng)護設備布置偏心產(chǎn)生的抗傾翻力矩的作用,內外側接觸力在仿真過程中一度相等,最后隨著重物繞立柱旋轉120°至車廂上方和偏心力矩的存在,導致外側接觸力大于內側接觸力,整個起吊過程外輪胎和地面接觸力大于零,由此判斷不會出現(xiàn)傾翻.

圖6為后方內外側彈簧板的受力測量,圖中實線為內側彈簧板受力,虛線為外側彈簧板受力.由圖6可以發(fā)現(xiàn),彈簧板的預加載和為7 105 N,因為車載養(yǎng)護設備偏心,因此仿真結束時內側輪胎彈簧板2上面的力逐漸減小,但大于外側彈簧板4上的力,整個過程彈簧板上的力產(chǎn)生了不小的波動.

圖5 后方兩側輪胎和地面接觸力測量Fig.5 On both sides of rear tire and ground contact force measurement

圖6 后側彈簧板受力測量Fig.6 Back spring plate stress measurement

2.2.2 工況2分析

將水平地面修改為“內側低外高”的傾斜地面,傾斜地面與水平地面的夾角為5°,去除車廂上面的車載發(fā)電機組和車載攪拌裝置,車架質量修改為1 000 kg,彈簧預加載和為3 185 N,其余參數(shù)不變,再次仿真.

圖7為外側輪胎和地面位移曲線,由仿真曲線可以發(fā)現(xiàn),在將重物由養(yǎng)護車側面吊離地面時候,因為力臂較大,并且存在沖擊,所以輪胎和地面的位移發(fā)生波動,隨著起吊過程的平穩(wěn),輪胎位移逐漸平穩(wěn),仿真曲線平穩(wěn)位移沒有歸零,是因為輪胎在傾斜地面內發(fā)生了平移導致.

3 結語

將工況1仿真參數(shù)帶入數(shù)學模型,考慮工況2地面和水平面夾角為5°,因此將5°轉換為弧度,加φu,得到φu的大小為0.39 rad,帶入式(12),得到外側輪胎接觸力為零,故φu非簧載質量的側傾角取值合理.將工況1仿真參數(shù)帶入公式(12),計算得到外側輪胎接觸力為10 646 N，大于零,因此工況1不會側翻.對比圖4和圖5發(fā)現(xiàn)計算和仿真結果較為接近,對比發(fā)現(xiàn)仿真結果的動態(tài)性和直觀性好.

圖7 外側輪胎位移Fig.7 Lateral displacement of the tire

由以上數(shù)學模型和仿真分析發(fā)現(xiàn),由于影響?zhàn)B護車側翻的因素很多,主要包括起吊重量、起吊平穩(wěn)性、車架質量、車載發(fā)電機組和攪拌裝置的位置、地面狀況以及車架自身參數(shù)等,因此數(shù)學模型很難對這些因素進行全面而準確的描述.由以上兩種工況對比不難發(fā)現(xiàn):起吊重量越大、起吊沖擊越嚴重、車架質量越小、車載設備布置位置靠近內側、地面內低外高現(xiàn)象越嚴重,則養(yǎng)護車在起吊過程中發(fā)生側翻的可能性就越大.實際應用中可以通過測量不同種類和型號的養(yǎng)護車影響側翻的主要參數(shù),進而修改虛擬樣機模型的仿真參數(shù),可以得到虛擬樣機模型在不同參數(shù)下起吊過程的側翻穩(wěn)定性,通過虛擬樣機仿真,為養(yǎng)護車翻穩(wěn)定性的研究提供依據(jù).

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ADAMS-based rollover stability study on road maintenance vehicles

ZHANG Wei-liang1,ZHANG Wei-bo2

(1.Institute of Mechanical Engineering.Baoji Univ.Arts & Sci,Baoji 721016 ,China; 2.Shaanxi Institute of Technology ,Xi'an 710302 ,China)

Firstly,the mathematical model for rollover process of road maintenance vehicles is analyzed.Due that the mathematical model is relatively complex,the virtual prototyping technology possesses advantages for complex model analysis.By establishing the virtual prototype model via ADAMSTM,the rollover stability is investigated.In lifting process,such dynamic parameters as tire and ground contact force,tire displacement,spring plate deformation are measured.With main dynamic parameter variations,the dynamic stability of lifting process is determined.Finally,the simulation results set a reference to design and improvement on road maintenance vehicles.

road maintenance vehicle; virtual prototype; contact force; dynamic stability

寶雞文理學院重點項目(ZK14073)

張衛(wèi)亮(1986-),男,講師.E-mail:zhangweiliang-243@163.com

TH 113.2

A

1672-5581(2016)02-0147-05