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1、92交通与计算机 2006年第4期 第24卷 总131期3车轮随机动载特性的Simulink仿真分析侯占峰 鲁植雄(南京农业大学 南京210032)摘 要 利用汽车的两自由度模型,应用Simulink软件仿真分析了车速与路面不平度对车轮随机动载变化趋势的影响。同时也分析了车轮随机动载的大小对路面疲劳应力的影响,指出了不同车速和路面不平度引起的路面动力反应及损伤变化规律,即车速和路面不平度的增加将导致汽车动载的增加,从而加速路面的损伤。提出了针对路面状况调整车速可以降低车轮随机动载,从而达到减轻路面损伤的要求。关键词 随机动载;车速;路面不平度中图法分类号:U
2、461.5文献标识码:A分器产生,即0 引 言tx(t)=k∫0W(t)dt汽车在行驶过程中,不可避免地会对公路路0面产生冲击作用,而车辆本身也将发生机械振动。式中:k0=2Pn0G(n0)v;W(t)为单位白噪声。路面不平度和车速直接影响车辆振动特性值,同基于上述方法模拟的C级路面不平度时程曲时也影响车轮对地面的随机动载,使车轮载荷有-62-1线如图1所示,其中G(n0)=256×10m·m,一定的动荷变化,最终导致路面的疲劳损伤。车速v=30mös。随着计算机、机械动力学理论和控制技术的发展,人们对车辆整车振动的研究不断地深入,建立了各种车辆振动分析模型
3、,并以路面不平度作为系统激励,对整车振动响应进行计算。笔者利用车辆的两自由度模型,应用Simulink软件仿真分析了车速和路面不平度对车轮随机动载变化趋势的影响,仿真结果将对减少路面破坏、降低路面维图1 积分白噪声路面修费用具有重要的理论指导意义。2 车轮随机动载分析1 路面不平度的模拟为了研究车轮对地面的随机动载,把车轮简作为车辆振动激励的路面不平度输入,通常化为二自由度振动模型,如图2所示。图中m2为[1]车辆振动模型的车身质量用路面功率谱密度进行描述,当分析汽车在时,k2为悬架刚度系数,c域内的振动特性时需要进一步把路面不平度在频为悬架阻尼常数,m1为
4、车轮质量,k1为轮胎刚度域内的性能转化为在时域内的时间序列。本仿真系数。因轮胎阻尼影响不大而忽略不计。车轮与利用白噪声经积分的方法产生随机轮廓。其原理车身垂直位移分别为x1、x2,q为路面的随机激[2]励如下。,坐标原点选在各自的静平衡位置。当车速为定值时,速度时域功率谱即为白噪[3]2声,谱密度为常数4PG(n0)n0v。于是,路面轮廓可由谱密度为2Pn0G(n0)v的白噪声通过一积收稿日期:2006203224;修改稿收到日期:20062062223教育部回国留学基金项目资助(批准号:教外司留176号)图2 车辆振动模型车轮随机动载特性的Simulink
5、仿真分析——侯占峰 鲁植雄93[4]二自由度系统的振动微分方程为 根据文献[2]提供的路面功率谱数据G(n0)=ba-62-1m10x1c-cx1250×10m·m时,分别在30、60、90kmöh3b+a+0m2x2-ccx2种车速下的车轮随机动载的时域特性曲线如图4k1+k2-k2x1k1所示。当车速v=50kmöh时,车辆分别在A级、B=q-k2k2x20级、C级3种不同路面上的动载曲线如图5所示。 车辆通过路面时,车轮对地面的随机载荷为Fd=k1(x1-q) 考虑到建立仿真模型的方便,将系统的振动微分方程写成矩阵形式¨õMX+CX+KX=K′Q
6、 这是一个二阶系统,定义如下的状态变量:1230kmöh;2260kmöh;3290kmöhõ图43种车速下的车轮随机动载曲线Z1(t)=X(t)Z1(t)=Z2(t)õZ2(t)=X(t)õCKQZ2(t)=-Z2(t)-Z1(t)+MMM 输出方程Y=Z1。 写成状态方程为õZ(t)=AZ(t)+BU(t)图53种路面上的车轮随机动载荷曲线Y(t)=CZ(t)+DU(t)从图中可以很清楚的观察到,随着车速的增式中:加,车轮的动载荷呈现递增的趋势,随着路面等级Z1(t)X(t)的下降,车轮的动载荷明显的增大。Z(t)==õ;Z2(t)X(t)3车速与
7、路面不平度对路面疲劳应0I力的影响A=;-1-1-MK-MC 当车辆行驶通过路面时,车辆运动会引起路0B=-1;C=I4×4;D=04×4面的动力反应,使其产生相应的动态应力。路面的MQ[5]动态疲劳应力主要由轮载引起,轮载决定应力的 根据上面的状态方程,利用Simulink所建[6]波形和趋势。路面上任一点的疲劳应力为立的汽车振动仿真模型如图3所示。模型建立后R=KdFD(x,y,t)在进行仿真之前,首先在模型中输入参数,然后在Simulink窗口中进行仿真分析。式中:R、Kd、F分别表示路面任一点的疲劳应力、路面应力的随机动载系数和轮力;D(x,y,
8、t)为与路面任一点的动位移Wnm(x,y,t)相关的
