油罐车静态侧倾稳定角的多体仿真计算

摘要:采用ADAMS软件对油罐车最大侧倾稳定角进行了仿真分析,结果显示,基于仿真模型的计算结果最接近真实状态,最后提出了油罐车理论计算经验修正值,为今后类似的设计提供了参考。

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关键词 :油罐车侧倾稳定角多体仿真

中图分类号:U469.6+1.02文献标识[本文来自于www.JyqKW.cOM]码:A文章编号:1004-0226(2015)01-0093-[本文来自于www.JyqKw.com]03

1引言

GB 7258-2012《机动车安全运行技术条件》第4.7.2条规定 “罐式汽车和罐式挂车在满载、静态状态下,向左侧和右侧倾斜最大侧倾稳定角应大于等于230。”此项要求对控制油罐车静态最大侧倾稳定角相较于2004版提出了更高的要求,可见在设计阶段精确校核计算最大侧倾稳定角十分重要。

2汽车侧倾稳定角的评估方法现状分析

目前对汽车侧倾稳定性的评测、计算方法主要分为试验测量和理论计算及计算机仿真计算。

试验测量是使用专用测试设备对汽车静态最大侧倾角进行测量的方法【1】,试验测试的结果准确,但需要完整的车辆及装载物,附加成本高,测试周期长,设备利用率低。并且试验测量为事后控制,如果测试结果不合格,产品研发周期则无法保证。

理论计算或计算机仿真分析是以汽车理论的公式B=ta-1B/2H为基础,进一步推导出计算公式或模型的方法,但一般而言,总有以下一个甚至多个因素被忽略或简化:

a.侧倾过程中悬挂和轮胎的弹性变形;

b.满载或非满载状态下,由于流体、半流态载荷质心位置的侧向移动对侧倾稳定角的影响;

c.轮距B未计入轮胎接触地面宽度的影响,当车轮为双胎时,轮距为两侧双胎对称面距离,与实际的条件相差很大;

d.未计入前、后轮距的差异以及侧倾时一侧的前、后车轮地面法向反力不一定同时为零的影响。

最后,计算结果还需要加入一个经验修正值,其结果很难定量、真实地反映出汽车的侧倾过程。

本文介绍一种在设计阶段就能较为准确地计算出静态最大侧倾角的方法:应用多体系统动力学分析软件ADAMS,建立参数化油罐车侧翻模型,对其侧翻运动过程进行仿真分析,根据侧倾角的变化曲线,可以得到最大侧翻稳定角。下面以某款重卡油罐车为实例进行介绍。

3油罐车侧翻稳定角多体仿真计算过程及结果

样车选择某型油罐车,驱动型式6x4,确定整车基本参数:轴距为(4 300+1 300)mm,轮距为1 960/1 860/1 860,底盘整备质量8 150 kg,满载总质量25 000 kg,轮胎型号10.OOR20,前悬型式为纵置钢板弹簧+筒式减震器,后悬型式为平衡悬挂。

首先根据三维数模建立油罐车底盘多体力学模型,如图1所示。

再确定底盘及整车质心位置。底盘轴荷分配为前桥轴荷3 764kg,中后桥轴荷4 386 kg,以此确定底盘质心纵向水平位置。根据同类车型质心统计数据,设定该车型底盘质心高度为940 mm,横向质心位置设置在其左右对称中心面内。

底盘质心位置确定后,再将罐体添加到整车模型中,形成完整的油罐车整车侧翻模型,如图2所示。满载时上装罐体的质量为16 720 kg(驾驶室准乘2人),上装质心位置为罐体的几何中心正下方20 mm处。

然后,建立一个虚拟翻转试验台,将整车模型驻停在试验台上,给试验台添加一个翻转驱动,带动整车发生侧倾,直至车辆一侧车轮脱离试验台,分别得到侧翻时左右两侧车轮所受地面支反力随转角变化曲线如图3、4所示,求得整车侧倾的稳定角。

图3、4分别表示油罐车向一侧翻转时,另一侧5个车轮所受地面支撑力随着翻转角度增加的变化曲线。当某一轮胎的地面支反力减小到0时,表示该车轮即将脱离地面;当一侧所有车轮的支反力都变为O时,认为该侧车轮均已脱离地面,车辆即将失稳发生侧翻。从曲线中可以看出,各个车轮并非同时脱离地面,而是有一定的先后顺序。对于平衡悬挂而言,由于受推力杆球铰橡胶衬套扭转刚度的影响,中桥与后桥的轴荷不能完全平均分配。在侧翻初始时刻,地面支反力由高到低依次为中桥、后桥和前桥。

在侧翻过程中,前桥车轮最先脱离地面,紧接着是中桥与后桥的双胎外侧车轮几乎同时离地,这时中后桥的双胎内侧车轮依然与地面接触。随着模拟试验台侧翻角的增大,中后桥的双胎内侧车轮对地面的压力慢慢降为0,直至脱离地面,此时前桥车轮早已悬空。

由图3、4可以看出,样车满载25 000 kg时,向左与向右最大侧翻稳定角大小相差很小,向左侧翻最大稳定角为25.840,向右侧翻最大稳定角为26.120。

考虑到由于同一罐体存在改变运输物品的可能,假设在换装运输物品后,极限装载工况下车辆最大总质量为32 000 kg,此时上装罐体的质量为23 720 kg,罐体质心及底盘质心高度不变,按照前述方法得到左右侧各车轮所受地面支反力随转角变化曲线如图5、6所示。

由图5、6变化曲线可以看出,样车满载32 000 kg的极限工况下向左侧翻最大稳定角为23.40,向右侧翻最大稳定角为23.50,此工况下侧倾稳定性已接近临界状态。4与侧翻稳定角理论计算结果的比较 根据《汽车静态侧翻稳定角的计算方法》【2】,考虑到车辆簧载质量对侧倾的影响,对满载32 000 kg时的最大侧翻稳定角α进行计算:

h1=595 mm;h2为后悬挂力矩中心离地高度,通过作图得到h2=621 mm;R为车轮静载半径,R=503 mm。

利用建模时对底盘质心位置的假设,底盘前桥轴荷为3 764kg,中后桥轴荷4 386kg。在考虑满载时的油罐质量,前桥轴荷变为G,=5 920 kg,中后桥轴荷变为G2=25 950 kg。经计算,满载32 000 kg时整车质心高度hg=1 710 mm。

将以上数据带入式(1)~(5)中,求得最大侧翻稳定角 a=28.790。

根据自卸车侧翻问题解决途径探讨【3】,自卸上装纵向中心线与底盘中心线不重合造成的侧倾稳定角损失,一般经验取值为3。,油罐车在侧倾过程中由于罐内流体的侧向移动对侧倾稳定角的影响较固体会更大一些,在此取值为40,这样计算结果修正为:α修_28.79°-4°=24.79°

经过加入此修正经验值,理论计算结果24.79。与仿真计算结果 (左翻23.40,右翻23.50)较为接近。5结语

a.满载25 000 kg时,仿真计算最大侧翻稳定角为向左侧翻25.840,向右侧翻26.120。该车最大侧倾稳定角大于230,符合机动车安全运行技术条件要求。如果装载至32 000 kg时,向左右侧翻的最大侧翻稳定角仿真计算结果分别为23.40,23.50,接近侧翻临界状态。

b.满载32 000 kg时,理论计算的最大侧翻稳定角28.79。,加入经验修正值4。后为24.79。,大于仿真计算结果(23.4。,23.5。)。因为理论计算时,虽然公式考虑了车辆簧载质量对侧倾的影响,并增加了侧翻过程中上装力矩中心侧移修正值40,但没有考虑板簧上跳限位、橡胶弹性元件变形等因素影响,所以计算结果偏大。取油罐车修正值40比较接近真实状态。

仿真模型基于实车得出,考虑因素较全面,仿真计算结果更接近真实状态。

c.仿真计算中,质心位置等仍做出了假设,高度系参考同类车型设定,对计算结果的准确性会有一定影响。在今后的设计研发中,还需进一步对仿真计算的结果进行确认,并完善理论计算修正值,为理论计算提供可靠依据。

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参考文献

[1]邓楚南,袁有才.机动车的侧倾稳定性及侧翻试验台[J].专用汽车,1997(3):47-49.

[2]陈耀明,张满良,汽车静态侧翻稳定角的计算方法【J].汽车技术,1997(4):9-11.

[3]展雪峰,巩凤芝,杜延栋,自卸车侧翻问题解决途径探讨[J].农业装备与车辆工程,2006(9):62.

收稿日期:2014-09-22

浏览次数:  更新时间:2016-12-26 15:13:52
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