駕駛室彈性對(duì)某輕卡平順性影響的仿真分析

木 標(biāo)，尚曉敏，張代勝

Mu Biao, Shang Xiaomin, Zhang Daisheng

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

汽車行駛平順性是指汽車能吸收行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種沖擊和振動(dòng)的能力，保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊對(duì)乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，這是評(píng)價(jià)汽車使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。該性能的優(yōu)劣直接影響到汽車其他性能的發(fā)揮和車輛的使用壽命，同時(shí)車輛行駛平順性好壞也直接關(guān)系到汽車在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

在以往的貨車平順性研究過程中，發(fā)現(xiàn)車架彈性對(duì)于整車平順性有很大的影響[2-4]，而把駕駛室看成剛體，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析中忽略它的彈性變形。而實(shí)際上，汽車行駛過程中，路面不平度對(duì)駕駛室的沖擊會(huì)使駕駛室產(chǎn)生一定的變形。如果考慮車身的彈性變形，可以更真實(shí)地評(píng)價(jià)整車的平順性。所以要研究剛體駕駛室和彈性駕駛室對(duì)于整車行駛平順性仿真分析的影響。另外，考慮到駕駛室懸置是整車的二級(jí)懸架，對(duì)這兩種駕駛室模型在橡膠駕駛室懸置和半浮式駕駛室懸置這兩種情況下的整車行駛平順性也做了仿真分析比較。

文中以某貨車為研究對(duì)象，在有限元分析軟件Hypermesh中建立駕駛室的有限元模型，并在Hypermesh中導(dǎo)出駕駛室的模態(tài)中性（MNF）文件，再運(yùn)用ADAMS軟件分別建立整車的剛?cè)狁詈夏Ｐ秃蛣傮w模型，并利用 ADAMS的平順性分析模塊 Ride，將兩種模型在兩種不同駕駛室懸置情況下進(jìn)行對(duì)比仿真分析。

1 整車基本特征參數(shù)

影響汽車平順性分析精度的一個(gè)主要因素是汽車模型的參數(shù)精度，所以在模型建立過程中盡可能使參數(shù)最大程度地接近實(shí)際值變得很重要。整車特征參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)。獲取模型參數(shù)的方法有：試驗(yàn)法、計(jì)算法、CAD 建模法、圖紙查閱法等[5-6]。根據(jù)某公司提供的CATIA模型，以及CAD圖紙和相關(guān)數(shù)據(jù)文件，得到整車基本特征參數(shù)：駕駛室質(zhì)量425 kg，整車整備質(zhì)量3280 kg，軸距3815 mm。

圖1～圖3給出橡膠懸置和半浮式懸置元件的部分特性曲線。

橡膠懸置在 3個(gè)方向上的阻尼系數(shù)均為 0.5 N?s/mm。半浮式懸置的阻尼系數(shù)為4000 N?s/mm。

2 彈性體駕駛室模型的建立

將有限元模型與多剛體模型相連接時(shí)，由于有限元模型的自由度數(shù)較大，因此必須將有限元?jiǎng)恿W(xué)模型縮減為一個(gè)具有較少自由度的模型，這個(gè)過程稱為動(dòng)力縮減。在MSC/ADAMS軟件中采用部件模態(tài)綜合法，部件間的模態(tài)綜合在有限元分析中通過超單元分析實(shí)現(xiàn)，并在 MSC /ADAMS中將超單元模型轉(zhuǎn)換為彈性體元件連接到多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中。

在ADAMS中建立駕駛室的彈性體模型前，需要根據(jù)廠家提供的駕駛室 CAD模型，在Hypermesh中建立駕駛室的有限元模型，然后在Hypermesh中通過設(shè)置相關(guān)卡片，將駕駛室有限元模型轉(zhuǎn)換為 ADAMS可用的模態(tài)中性文件，即MNF格式文件。最后通過將駕駛室模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS中，建立駕駛室的彈性體模型。

3 剛體駕駛室模型的建立

剛體車身模型比較簡(jiǎn)單，可以直接利用ADAMS/Car 中自帶的剛體車身模型，整個(gè)剛體的質(zhì)量集中在質(zhì)心位置，具體位置由整車參數(shù)確定，而幾何外形對(duì)于所做的仿真沒有影響，所以只是用簡(jiǎn)單的幾何外形示意駕駛室輪廓。

4 整車模型的建立

汽車是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，要想建立與實(shí)際完全相同的樣機(jī)模型，既不現(xiàn)實(shí)也沒必要，因此，只對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生主要影響的部件建立相應(yīng)的樣機(jī)模型，這樣才能在不影響分析精度的前提下，實(shí)現(xiàn)快捷有效的建模分析。故在建模時(shí)只對(duì)懸架系統(tǒng)、車架、車軸和輪胎這幾個(gè)對(duì)平順性造成主要影響的部件建立相關(guān)模型。具體建模時(shí)根據(jù)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)軟件中的模型參數(shù)進(jìn)行修改，從而獲得仿真需要的準(zhǔn)確模型。圖4、圖5為整車裝配模型圖。

5 隨機(jī)路面輪廓的建立

隨機(jī)路面生成器（Ride-Profile Generation）是ADAMS／Car Ride提供的一個(gè)數(shù)字模型的路面生成工具；該模型是基于Sayers經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停C合了許多不同類型的道路測(cè)量參數(shù)，可以用于表述實(shí)際道路的隨機(jī)不平度?？梢酝瑫r(shí)給出左右輪轍路面輪廓參數(shù)，模型輸入量的長度單位是 m，輸出左右輪轍的隨機(jī)高度為mm[7，8]。

在路面生成器中，取隨機(jī)路面生成參數(shù)：空間功率譜密度Ge=0，速度功率譜密度Gs=12，加速度功率譜密度Ga=0.17。由路面輪廓生成器生成的B級(jí)路面輪廓如圖6所示。

6 平順性的評(píng)價(jià)

ISO2631：1997（E）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)振動(dòng)波形峰值系數(shù)＜9（峰值系數(shù)是加權(quán)加速度時(shí)間歷程aw(t)的峰值與加權(quán)加速度均方值aw的比值）時(shí)，用基本的評(píng)價(jià)方法——加權(quán)加速度均方根值來評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體舒適和健康的影響。根據(jù)測(cè)量，各種汽車在正常行駛工況下對(duì)這一方法均適用[9-10]，具體計(jì)算過程可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

7 整車平順性仿真分析

以駕駛員座椅下方地板上一點(diǎn) 3個(gè)軸向的加權(quán)加速度均方根值作為整車行駛平順性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照前面介紹的評(píng)價(jià)方法對(duì)兩種模型的平順性進(jìn)行比較分析。在利用ADAMS/Car Ride進(jìn)行行駛平順性仿真分析時(shí)，分別使被測(cè)貨車的剛?cè)狁詈虾蛣傮w模型以常用車速60 km/h在B級(jí)路面上勻速行駛，測(cè)量駕駛員座椅下方地板上各個(gè)軸向的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程[11-12]。圖 7～圖 9和圖10～圖12分別為使用橡膠懸置情況下在剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ椭旭{駛員座椅下方底板處測(cè)得的各個(gè)軸向的加速度響應(yīng)時(shí)域曲線。

從圖7～圖12中清晰地表明，垂向加速度響應(yīng)均大于橫向、縱向加速度響應(yīng)?？梢?，垂向加速度響應(yīng)對(duì)于平順性影響很大，這一點(diǎn)在剛體模型中表現(xiàn)得更加突出。而且，在剛體模型中，垂向加速度響應(yīng)值出現(xiàn) 2個(gè)明顯的峰值。

為了分析兩種模型加速度響應(yīng)的區(qū)別，而且考慮到垂向加速度響應(yīng)對(duì)平順性的影響，圖13所示比較兩種模型的垂向加速度時(shí)域曲線。

圖13 中實(shí)線代表剛?cè)狁詈夏Ｐ偷拇瓜蚣铀俣葧r(shí)域響應(yīng)，虛線代表剛體模型的垂向加速度時(shí)域響應(yīng)。

通過比較分析，剛體模型的加速度值在兩處位置明顯大于剛?cè)狁詈夏Ｐ?，而在其他位置兩者相差不大，而且兩條曲線在其他位置的走勢(shì)非常接近。總體上，剛體模型的垂向加速度響應(yīng)大于剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

根據(jù)平順性評(píng)價(jià)的計(jì)算公式，對(duì)加速度響應(yīng)時(shí)域曲線在ADAMS/PostProcessor中做FFT運(yùn)算得到加速度功率譜密度（Acceleration PSD）曲線。這里給出兩種模型的垂向加速度功率譜密度曲線，如圖14和圖15。

從圖中可以看出，在剛體模型中，出現(xiàn)了 2個(gè)振動(dòng)峰值，分別對(duì)應(yīng)2個(gè)振動(dòng)頻率，分別為7.75 Hz和15.25 Hz。而在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校霈F(xiàn)了1個(gè)主要的峰值，其對(duì)應(yīng)頻率為10.89 Hz。

在以上分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式可以計(jì)算出兩種模型情況下駕駛員座椅底板處 3個(gè)軸向的加權(quán)加速度均方根值和總加權(quán)加速度均方根值，如表1所示。

表 1最后一列數(shù)值由剛體模型結(jié)果減去剛?cè)狁詈夏Ｐ徒Y(jié)果得到，“＋”表示剛體模型結(jié)果大于剛?cè)狁詈辖Y(jié)果；“－”表示剛體模型結(jié)果小于剛?cè)狁詈夏Ｐ徒Y(jié)果。

表1 兩種模型不同軸向的加權(quán)加速度均方根值和總加權(quán)加速度均方根值比較

經(jīng)過分析表1中數(shù)據(jù)得出，剛體模型在橫向、垂向以及總的加權(quán)加速度均方根值方面均比剛?cè)狁詈夏Ｐ痛螅挥锌v向加權(quán)加速度均方根值小于剛?cè)狁詈夏Ｐ?。從這點(diǎn)不難看出，在懸架系統(tǒng)，車軸以及輪胎不變的情況下，駕駛室剛度越大，整車平順性越差，實(shí)際彈性體駕駛室平順性比一般剛體模型預(yù)測(cè)的要好些。

為了對(duì)兩種模型做進(jìn)一步分析比較，在半浮式懸置情況下，做了相同的仿真，通過計(jì)算得出表2。

表2 半浮式懸置下兩種模型不同軸向的加權(quán)加速度均方根值和總加權(quán)加速度均方根值比較

表2最后一列數(shù)值含義與表1相同。

通過表 2數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在半浮式懸置下，剛?cè)狁詈夏Ｐ统丝v向加權(quán)加速度均方根值大于剛體模型外，其他方向的值均小于剛體模型；剛體模型的平順性在這種情況下有了明顯的改善，剛?cè)狁詈夏Ｐ推巾樞砸灿辛诉M(jìn)一步的改善，并且剛?cè)狁詈夏Ｐ偷男旭偲巾樞院糜趧傮w模型，通過比較得出了與前面類似的結(jié)果。

要特別說明的是，以上數(shù)據(jù)是駕駛員座椅底板處的加權(quán)加速度均方根值，而不是座椅上表面的加權(quán)加速度均方根值，考慮到人體——座椅系統(tǒng)對(duì)加速度有進(jìn)一步的衰減，實(shí)際的整車平順性還要好一些。

8 結(jié) 論

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立整車的兩種不同模型，通過對(duì)所建立模型在兩種不同駕駛室懸置情況下的仿真分析與比較，得到了兩種模型在行駛平順性分析中的差異，發(fā)現(xiàn)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷钠巾樞愿?。但是，在?shí)際汽車設(shè)計(jì)研發(fā)中，又要求駕駛室具有一定的剛度來滿足相關(guān)性能要求，這就需要對(duì)駕駛室做更深入研究，以便選擇合適的駕駛室剛度，來實(shí)現(xiàn)更好的整車性能。以上仿真分析結(jié)果對(duì)整車平順性的進(jìn)一步深入分析起到一定的指導(dǎo)作用，也為駕駛室的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考，為下一步的分析研究打下了良好的基礎(chǔ)。

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