CN113239453A - 非公路自卸车车架载荷计算方法 - Google Patents
非公路自卸车车架载荷计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种非公路自卸车车架载荷计算方法,包括:对没有载荷转移的工况,运用悬架动力学模型进行悬架取载,对有载荷转移的工况,运用整车动力学模型进行整车取载。本发明可以准确得到车架实际载荷,为车架强度计算提供较为合理的边界条件,避免车架强度计算时载荷不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及车架载荷仿真计算的技术领域。更具体地说,本发明涉及一种非公路自卸车车架载荷计算方法。
背景技术
宽体自卸车车架作为重要承载件,其可靠性对整车使用寿命至关重要。而宽体自卸车在矿山恶劣的路面作业时,其车架实际承受载荷复杂且难以计算。目前应用较多的载荷计算方法是以经验动载系数与承载质量的乘积,或者在车架与悬架的连接点加载强制位移来模拟车架强度计算载荷,此种加载方法简单粗暴,计算结果不能很好反应车架实际受力,因此不能给予车架结构设计提供正确的设计指导。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题,并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种非公路自卸车车架载荷计算方法,其可以准确得到车架实际载荷,为车架强度计算提供较为合理的边界条件,避免车架强度计算时载荷不准确的问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种非公路自卸车车架载荷计算方法,包括:
对没有载荷转移的工况,运用悬架动力学模型进行悬架取载,对有载荷转移的工况,运用整车动力学模型进行整车取载。
优选的是,没有载荷转移的工况包括前桥上跳、扭转工况和后桥上跳、扭转工况。
优选的是,有载荷转移的工况包括整车制动、加速、上坡、下坡以及左转弯、右转弯工况。
优选的是,运用ADAMS软件分别建立前、后板簧悬架动力学模型,分别获得前、后悬架在上跳或扭转工况的车架与悬架连接点位置的载荷。
优选的是,运用ADAMS软件建立整车动力学模型,分别获得整车制动、加速、上坡、下坡以及左转弯、右转弯工况的车架与悬架连接点位置的载荷。
优选的是,包括:
S1:运用ADAMS软件分别建立前、后板簧悬架动力学模型,确保轮胎定位角、运动副、弹性元件与阻尼原件参数与同类车辆设计参数一致;
S2:在轮心位置分别输入前、后悬架在上跳或扭转工况对应的最大行程,进行悬架动力学仿真,确保悬架仿真刚度曲线中空载点与满载点的刚度与设计状态一致;
S3:以矿区测试获得的悬架冲击加速度中选取常用冲击系数作为取载时的参考轴荷系数,分别找出前、后悬架在参考轴荷系数对应的轴荷状态下,对应悬架上跳或扭转的行程,再提取该行程下车架与悬架连接点位置的载荷。
优选的是,包括:
P1:运用ADAMS软件建立整车动力学模型,包括驾驶室、平台附件、货箱、车架、转向系统、动力传动系统、轮胎系统、制动系统以及前后悬架系统,确保各系统质量及其质心位置与整车质量及其质心位置以及前、后轴质量分别与设计满载状态一致;
P2:分别进行整车制动、加速、上坡、下坡以及转弯工况的仿真;
P3:对于矿区测试中整车在常用的制动、加速以及左、右转弯工况,选取整车仿真结果中整车质心在对应工况的冲击系数所发生的时刻下,分别提取车架与悬架连接点位置的载荷;
P4:对于矿区常用的上坡与下坡工况,选取整车仿真结果中前、后轴荷不再发生变化时,提取车架与悬架连接点位置的载荷。
本发明至少包括以下有益效果:
第一、首先运用动力学仿真分析软件ADAMS建立了非公路自卸车的前、后悬架动力学模型(建模过程中搭建了板簧模型,模拟了实际前后悬架的杆系拓扑关系,引用了设计输入的轮胎定位角、衬套刚度、缓冲块刚度及间隙、减震器阻尼力),在此基础上,分别对前后悬架模型进行平行轮跳仿真分析,得出各悬架的刚度曲线(轮心位移与轮心力的关系曲线),曲线上满载轴荷的轮心力对应了轮心位移为0mm的位置,表明设计状态为满载状态。空载轴荷的轮心力对应了轮心位移分别为前悬架轮心-30mm,后悬架轮心-37mm,此时前、后悬架下行的位移量与理论计算结果是一致的。因此可以认为悬架刚度曲线的线性段与理论值保持一致,前、后悬架的动力学模型与真实的物理模型一致。因此运用该动力学模型可以较准确的得到悬架在发生路面冲击(上跳和扭转)时,车架与悬架接附点的载荷;
第二、在上述前、后悬架动力学模型基础上,又建立了车身系统(包括了驾驶室、平台附件、货箱和车架)、转向系统、动力传动系统、轮胎系统、制动系统,其中各系统质量及其质心位置与设计输入的参数一致。在ADAMS的装配界面下,将上述各系统组装成整车模型,检查并修改整车模型的总质量,使其与设计状态整车总质量一致。对装配好的整车动力学模型进行仿真分析,以模拟实车在典型路面工况下的运行情况,尤其是整车制动、加速、转弯、上坡以及下坡工况。仿真结束后,在ADAMS后处理界面,分别找出整车质心在制动、加速、转弯工况所对应的冲击系数下运行时刻,后再提取各时刻下车架与悬架连接点位置的载荷;上坡与下坡工况,选取前、后轴荷不再发生变化时(整车上坡或下坡稳定后的任一时刻),提取该时刻下车架与悬架连接点位置的载荷;
第三、应用本发明中的载荷提取方法,进行车架强度仿真分析,将仿真结果与矿区实测车架应力进行比较,两者应力偏差小于30%,且仿真结果中所反应的强度不足的位置与实车所发生的故障位置一致。因此将该方法中所提车架载荷作为车架强度计算载荷,能够较为准确的得到车架强度薄弱位置,并有针对性的进行结构优化,可有效提升车架可靠性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的前悬架动力学模型;
图2为本发明的板簧式前悬架系统模型;
图3为本发明的循环球式转向系统模型;
图4为本发明的钢板弹簧平衡悬架系统模型;
图5为本发明的前悬架上跳工况刚度曲线;
图6为本发明的后悬架上跳工况刚度曲线;
图7为本发明的整车动力学模型主视图;
图8为本发明的车身系统主视图;
图9为本发明的整车动力学模型俯视图;
图10为本发明的车身系统俯视图;
图11为本发明的制动工况的整车制动减速度与时间的关系曲线;
图12为本发明的上坡工况的整车垂向位移与时间的关系曲线;
图13为本发明的测试与仿真应力对比曲线;
图14为本发明的现场故障部件及位置;
图15为本发明的仿真强度风险位置。
具体实施方式
下面结合细节对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是,下述实施方案中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得;在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解,例如,可以是固定相连、设置,也可以是可拆卸连接、设置,或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
非公路自卸车为矿区专用自卸车,车辆轮距宽、轴距长,装载载重大,运行速度低,行驶路况恶劣(路面凹凸不平,上下坡以及转弯工况多),对车架可靠性要求较高。而实车故障频发,多为强度不足所致,因此对该种车辆的车架强度分析非常必要。传统车架强度计算方法因车架载荷把握不准确,从而分析结果不可靠,不能真正解决故障问题。本发明中所提出的载荷提取方法用于该种车辆在特殊工况进行针对性的分析,能够准确得到车架真实载荷,为车架强度分析提供可靠的载荷来源。本发明提供一种非公路自卸车车架载荷计算方法,包括:
对没有载荷转移的工况,运用悬架动力学模型进行悬架取载,对有载荷转移的工况,运用整车动力学模型进行整车取载。
在上述技术方案中,对没有载荷转移的工况、有载荷转移的工况分别构建动力学模型取载,非公路自卸车因其轮距宽、轴距长,运行速度低的特点,当行驶在路面凹凸不平的工况下(前桥上跳、扭转工况和后桥上跳、扭转工况),路面对悬架的冲击载荷几乎没有载荷转移(前悬架冲击载荷对后悬架的载荷影响很小,后悬架冲击载荷对前悬架的载荷影响也不大),因此针对这些工况,仅需分别建立前、后悬架的动力学模型,进行悬架动力学取载。非公路自卸车因其装载质量大的特点,当行驶在制动、加速、转弯以及上下坡路面时,在整车惯性作用下前、后轴荷或者左、右轴荷都将发生较大的载荷转移,因此针对这些工况,需要建立整车动力学模型,进行整车动力学取载。现有技术中,针对该种车型很少用到建立动力学模型对车架进行取载,都是基于经验动载系数与承载质量的乘积加载在车架安装点,或者在车架与悬架的连接点加载强制位移来模拟车架强度计算载荷。
在另一种技术方案中,没有载荷转移的工况包括前桥上跳、扭转工况和后桥上跳、扭转工况。以上工况为常见的工况,针对以上工况统一构建动力学模型取载,能够大范围覆盖非公路自卸车的适用场景,具有适用范围广泛、精度高的优点。
在另一种技术方案中,有载荷转移的工况包括整车制动、加速、上坡、下坡以及左转弯、右转弯工况。以上工况为常见的工况,针对以上工况统一构建动力学模型取载,能够大范围覆盖非公路自卸车的适用场景,具有适用范围广泛、精度高的优点。
在另一种技术方案中,运用ADAMS软件分别建立前、后板簧悬架动力学模型,分别获得前、后悬架在上跳或扭转工况的车架与悬架连接点位置的载荷。选用动力学主流分析软件ADAMS。前悬架动力学模型建模时,首先是建立前悬架模型、转向系统模型的模板文件,再基于模板文件建立相应的子系统文件,之后将子系统文件装配成具有仿真功能的装配模型。后悬架动力学模型建模时,首先是建立平衡悬架的模板文件,再基于该模板文件建立相应的子系统文件,之后将子系统文件装配成具有仿真功能的装配模型。前、后悬架模型均应满足杆系拓扑关系与设计提供的数据状态一致,悬架系统中的轮胎定位角、衬套刚度、缓冲块刚度及间隙、减震器阻尼力与设计输入参数一致。在此基础上,分别对前后悬架模型进行平行轮跳仿真分析,得出各悬架的刚度曲线(轮心位移与轮心力的关系曲线),找出曲线上空载点和满载点的刚度(轮心力与轮心位移的比值),并与理论计算值比较(当误差较大时,需反复修正板簧刚度、板簧预载或缓冲块刚度参数),使仿真结果与理论计算值零误差,所搭建的悬架动力学模型能够模拟实车的运动姿态,因此运用该动力学模型可以较准确的得到悬架在发生路面冲击(上跳和扭转)时,车架与悬架接附点的载荷。运用ADAMS软件建立的前、后悬架动力学模型,大部分是基于参数的建模,对于同类其他车型具有通用性,当悬架系统结构不变仅参数发生变化时,只需要修改模型参数即可完成其他车型的悬架系统建模,操作简便且易于掌握。
在另一种技术方案中,运用ADAMS软件建立整车动力学模型,分别获得整车制动、加速、上坡、下坡以及左转弯、右转弯工况的车架与悬架连接点位置的载荷。选用动力学主流分析软件ADAMS。整车动力学模型是整车各个系统的集成,除了运用ADAMS软件建立前、后悬架系统外,还需建立车身系统(包括了驾驶室、平台附件、货箱和车架)、动力传动系统、轮胎系统,制动系统,各系统质量及其质心位置与设计输入的参数需一致。之后在ADAMS的装配界面下,将上述各系统组装成整车模型,检查并修改整车模型的总质量,使其与设计状态整车总质量一致。对装配好的整车动力学模型进行仿真分析,以模拟实车在典型路面工况下的运行情况,尤其是整车制动、加速、转弯、上坡以及下坡工况。仿真结束后,在ADAMS后处理界面,分别找出整车质心在制动、加速、转弯工况所对应的冲击加速度下运行时刻,后再提取各时刻下车架与悬架连接点位置的载荷;上坡与下坡工况,选取前、后轴荷不再发生变化时(整车上坡或下坡稳定后的任一时刻),提取该时刻下车架与悬架连接点位置的载荷。运用ADAMS软件建立的整车动力学模型,大部分是基于参数的建模,对于同类其他车型具有通用性,当整车中有个别系统结构不变仅参数发生变化时,只需要修改模型参数即可完成相应系统建模,并重新装配成其他车型,操作简便且易于掌握。
在另一种技术方案中,包括:
S1:运用ADAMS软件分别建立前、后板簧悬架动力学模型,确保轮胎定位角、运动副、弹性元件与阻尼原件参数与同类车辆设计参数一致;
如图1所示,前悬架动力学模型包括了前悬架系统模型和转向系统模型。前悬架系统模型如图2所示,由钢板弹簧(21)、缓冲块(22)、减振器(23)、纵向推力杆(24)、转向节(25)、前桥(26)、转向横拉杆(27)、转向节臂(28)组成。其中,钢板弹簧(21)下端与前桥(26)由固定副连接;钢板弹簧(21)与车架(81)由缓冲块(22)连接,缓冲块(22)提供垂向刚度及预载;减振器(23)上端与车架由衬套连接;减振器(23)下端与前桥(26)由衬套连接;减振器(23)缸筒及杠杆之间由圆柱副、阻尼器力元连接;纵向推力杆(24)前端与车架由球铰连接;后端与前桥(26)由球铰加垂直副连接,垂直副用于约束推力杆自身的转动;转向横拉杆(27)与转向节臂(28)由球铰连接;转向节臂(28)与转向节(25)由固定副连接。
转向系统模型为循环球式结构,循环球式转向系统模型如图3所示,由转向盘(31)、转向轴套管(32)、转向轴(33)、中间轴(34)、转向器(35)、转向器输入轴(36)、转向垂臂(37)、转向器输入轴套管(38)、转向直拉杆(39)组成。其中,转向盘(31)与转向轴套管(32)由转动副连接,转向轴(33)与转向轴套管(32)由圆柱副连接,转动副与圆柱副由齿轮副连接;转向轴套管(32)与车身由固定副连接;转向轴(33)与中间轴(34)由恒速副连接;中间轴(34)与转向器输入轴(36)由恒速副连接;转向器输入轴(36)与转向器(35)由转动副连接,转向器(35)与转向垂臂(37)由转动副连接,转动副与转动副由齿轮副连接;转向器(35)与车身由固定副连接;转向垂臂(37)与转向直拉杆(39)由恒速副连接;转向直拉杆(39)与转向节臂(28)由球铰连接。
后悬架动力学模型由钢板弹簧平衡悬架系统模型组成,如图4所示,由轮胎(41)、中桥(42)、钢板弹簧(43)、上推力杆(44)、缓冲块(45)后桥(46)、下推力杆(47)及平衡轴(48)组成。钢板弹簧(43)与平衡轴(48)由转动副连接;平衡轴(48)与车架由固定副连接;钢板弹簧(43)与车桥耐磨板之间由缓冲块(45)连接,缓冲块(45)提供垂向刚度及预载;推力杆一端与车架由球铰连接,另一端与车桥由球铰加垂直副组合连接,垂直副用于约束推力杆自身的转动。
S2:在轮心位置分别输入前、后悬架在上跳或扭转工况对应的最大行程,进行悬架动力学仿真,确保悬架仿真刚度曲线中空载点与满载点的刚度与设计状态一致;
基于建立好的前、后悬架动力学模型,分别在其轮心位置输入上跳工况对应的最大行程,进行平行轮跳仿真分析,得出各悬架的刚度曲线(轮心位移与轮心力的关系曲线),如图5、图6所示。曲线上前、后悬架在满载轴荷的轮心力对应了轮心位移为0mm的位置,表明设计状态均为满载状态。空载轴荷的轮心力对应了轮心位移分别为前悬架轮心-30mm,后悬架轮心-37mm,此时前、后悬架下行的位移量与理论计算结果是一致的。因此可以认为悬架刚度曲线的线性段与理论值保持一致,前、后悬架的动力学模型与真实的物理模型一致。
S3:以矿区测试获得的悬架冲击加速度中选取常用冲击系数作为取载时的参考轴荷系数,分别找出前、后悬架在参考轴荷系数对应的轴荷状态下,对应悬架上跳或扭转的行程,再提取该行程下车架与悬架连接点位置的载荷。
现有技术中,针对该种车型很少用到建立动力学模型对车架进行取载,都是基于经验动载系数与承载质量的乘积加载在车架安装点,或者在车架与悬架的连接点加载强制位移来模拟车架强度计算载荷。而本步骤是基于S1、S2建立的能够模拟实车状态的前、后悬架动力学模型基础上,进行悬架上跳或扭转运动仿真,因此仿真结果中所提取的车架与悬架连接点的载荷较为准确。
在另一种技术方案中,包括:
P1:运用ADAMS软件建立整车动力学模型,如图7、9所示包括驾驶室、平台附件、货箱、车架、转向系统、动力传动系统、轮胎系统、制动系统以及前后悬架系统,确保各系统质量及其质心位置与整车质量及其质心位置以及前、后轴质量分别与设计满载状态一致;
车身系统集成了柔性体车架(81)、驾驶室(103)、平台附件(104)、货箱(82)四大部件。如图8、10所示,车架运用Nastran软件计算出车架模态中性文件(.mnf),导入ADAMS中建立车架柔性体模型;驾驶室(103)与车架(81)通过衬套连接;平台附件(104)与车架(81)通过衬套连接;货箱(82)与车架(81)上的举升支架通过圆柱副与阻尼单元连接,模拟举升油缸的作用;货箱(82)与车架(81)后铰轴通过旋转副连接,模拟货箱(82)翻转。动力传动系统、轮胎系统、制动系统都是基于ADAMS的模板文件建模,即只需修改各系统模板文件的相关参数即可完成该系统的建模。
P2:分别进行整车制动、加速、上坡、下坡以及转弯工况的仿真;
整车制动、加速为直线行驶行为,在ADAMS求解界面下,制动工况的初始速度设定为整车可提供的最大速度,制动减速度设定为整车实际运行过程中的最大制动减速度,仿真直至整车速度减为零为止;加速工况从初始速度为零开始,加速度设定为整车实际运行过程中的最大加速度,仿真直至整车速度增加到许用最大速度为止。整车左、右转弯为弯道行驶行为,转弯初始速度不宜设定太高,再输入弯道路面特定的转弯半径,使得转弯侧向加速度能够达到矿区测试中获得的最大侧向加速度。整车上坡、下坡为直线匀速行驶行为,在ADAMS求解界面下,需设定行驶速度,并调入提前建立好的上坡及下坡路面,使得整车在该路面能够匀速行驶。
P3:对于矿区测试中整车在常用的制动、加速以及左、右转弯工况,选取整车仿真结果中整车质心在对应工况的冲击系数所发生的时刻下,分别提取车架与悬架连接点位置的载荷,如图11所示;
现有技术中,一般是基于经验动载系数与承载质量的乘积加载在车架安装点上,以此考察车架强度性能,该计算方法没有考虑到载荷转移对车架受力的影响,因此车架强度计算结果不准确。而本步骤是基于P1建立的整车动力学模型,并在P2整车仿真结果的基础上提取车架与悬架连接点的载荷,此载荷与实车运行在相应工况下所发生的载荷一致,该载荷能够为车架强度计算提供准确的边界条件。
P4:对于矿区常用的上坡与下坡工况,选取整车仿真结果中前、后轴荷不再发生变化时(整车上坡或下坡稳定后的任一时刻),提取该时刻下车架与悬架连接点位置的载荷,如图12所示。
对于上坡与下坡工况,现有技术中,一般是将整车重力分解到沿坡道方向和垂直坡道方向两个分力,再将分解的重力加载到车架装载质量点上,以此考察车架强度性能,该计算方法没有考虑到载荷转移对车架受力的影响,因此车架强度计算结果不准确。而本步骤是基于P1建立的整车动力学模型,并在P2整车仿真结果的基础上提取车架与悬架连接点的载荷,此载荷与实车运行在相应工况下所发生的载荷一致,该载荷能够为车架强度计算提供准确的边界条件。
应用本发明中的载荷提取方法,进行车架强度仿真分析,将仿真结果与矿区实测车架应力进行比较,两者应力偏差小于30%,如图13所示,且仿真结果中所反应的强度不足的位置与实车所发生的故障位置一致,如图14-15所示。因此将该方法中所提车架载荷作为车架强度计算载荷,能够较为准确的得到车架强度薄弱位置,并有针对性的进行结构优化,可有效提升车架可靠性。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的细节。
Claims (7)
1.非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,包括:
对没有载荷转移的工况,运用悬架动力学模型进行悬架取载,对有载荷转移的工况,运用整车动力学模型进行整车取载。
2.如权利要求1所述的非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,没有载荷转移的工况包括前桥上跳、扭转工况和后桥上跳、扭转工况。
3.如权利要求1所述的非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,有载荷转移的工况包括整车制动、加速、上坡、下坡以及左转弯、右转弯工况。
4.如权利要求2所述的非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,运用ADAMS软件分别建立前、后板簧悬架动力学模型,分别获得前、后悬架在上跳或扭转工况的车架与悬架连接点位置的载荷。
5.如权利要求3所述的非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,运用ADAMS软件建立整车动力学模型,分别获得整车制动、加速、上坡、下坡以及左转弯、右转弯工况的车架与悬架连接点位置的载荷。
6.如权利要求4所述的非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,包括:
S1:运用ADAMS软件分别建立前、后板簧悬架动力学模型,确保轮胎定位角、运动副、弹性元件与阻尼原件参数与同类车辆设计参数一致;
S2:在轮心位置分别输入前、后悬架在上跳或扭转工况对应的最大行程,进行悬架动力学仿真,确保悬架仿真刚度曲线中空载点与满载点的刚度与设计状态一致;
S3:以矿区测试获得的悬架冲击加速度中选取常用冲击系数作为取载时的参考轴荷系数,分别找出前、后悬架在参考轴荷系数对应的轴荷状态下,对应悬架上跳或扭转的行程,再提取该行程下车架与悬架连接点位置的载荷。
7.如权利要求5所述的非公路自卸车车架载荷计算方法,其特征在于,包括:
P1:运用ADAMS软件建立整车动力学模型,包括驾驶室、平台附件、货箱、车架、转向系统、动力传动系统、轮胎系统、制动系统以及前后悬架系统,确保各系统质量及其质心位置与整车质量及其质心位置以及前、后轴质量分别与设计满载状态一致;
P2:分别进行整车制动、加速、上坡、下坡以及转弯工况的仿真;
P3:对于矿区测试中整车在常用的制动、加速以及左、右转弯工况,选取整车仿真结果中整车质心在对应工况的冲击系数所发生的时刻下,分别提取车架与悬架连接点位置的载荷;
P4:对于矿区常用的上坡与下坡工况,选取整车仿真结果中前、后轴荷不再发生变化时,提取车架与悬架连接点位置的载荷。
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