發(fā)動機激勵對摩托車多體模型動力學特性的影響

孫立星　王　青　張智軒（天津大學內燃機研究所天津300072）

·設計·計算·

發(fā)動機激勵對摩托車多體模型動力學特性的影響

孫立星王青張智軒
（天津大學內燃機研究所天津300072）

在摩托車整車的多體動力學分析中，發(fā)動機作為影響車架動態(tài)響應的主要激勵不可忽視。建立了精確的發(fā)動機模型代替集中質量塊。當整車在常用工況下運行時，對發(fā)動機的配氣系統(tǒng)施加動態(tài)仿真，用以研究發(fā)動機激勵施加到運動的車輛上時車輛動態(tài)響應特性。應用適當的解算器對整車多體模型進行動力學計算分析，得到車體垂直方向的振動加速度曲線，對帶發(fā)動機模型和發(fā)動機質量塊的車體進行其動力學響應的比較分析，確定發(fā)動機激勵在車輛動力性分析中的重要作用，并基于此對整個系統(tǒng)進行振動特性或平順性分析。

多體動力學發(fā)動機激勵加速度響應摩托車車體

引言

摩托車作為一種復雜的機械系統(tǒng)，隨著其應用技術向高速輕量方向發(fā)展，對車輛的動力性、安全性、可靠性等技術指標的綜合分析，表明其已經不能用簡單的理想化模型或是較少自由度系統(tǒng)來實施定性分析。近年來計算機技術的快速發(fā)展，尤其是包括了多體系統(tǒng)的虛擬樣機技術在車輛領域的應用，可以在建立復雜機械系統(tǒng)的物理模型和數學模型基礎上，應用適當的解算器和計算方法，提高系統(tǒng)仿真結果的準確性和可靠性，并對性能指標進行較高精度的定量分析。

目前，國內對摩托車性能的分析研究也多采用有限元分析方法。從最初的數值分析車架的強度和振動特性，到利用分析軟件對車架進行模態(tài)分析［1-5］。之后隨著多體動力學在復雜機械系統(tǒng)領域的應用，出現(xiàn)了摩托車的多體動力學研究，包括在ADAMS軟件中編寫路面的功率譜密度函數，建立虛擬路面文件，進行車架的平順性虛擬試驗［6］；建立多剛體動力學模型，并在該模型的基礎上，研究該摩托車的振動特性［7］；利用ADAMS建立了摩托車人-車系統(tǒng)的多體動力學模型和姿態(tài)控制器，實現(xiàn)對摩托車操縱穩(wěn)定性的研究［8］。這些研究中針對車架的動力學研究占很大比重，大多采用了簡化的整車模型，基本上忽略了發(fā)動機的影響或者把發(fā)動機簡化為一個集中質量。實際上對摩托車而言，發(fā)動機具有較大的質量，其質心和轉動慣量等動力參數對車架動態(tài)性能的影響是不容忽視的。而摩托車的激勵主要來自于發(fā)動機和行駛路面，因此車輛的動力學分析中，整車虛擬樣機應采取包含發(fā)動機模型的車輛系統(tǒng)與路面模型相互作用下的動力學特性分析。

本文中采用了在UGNX軟件中建立包括車架、發(fā)動機、前后輪系、前后懸掛等主要結構的準確三維數字模型，根據公稱尺寸設計構件的真實拓撲關系，對虛擬裝配的摩托車整車系統(tǒng)，與路面和輪胎力學模型集成起來，在ADAMS中進行整車多剛體動力學分析?？紤]系統(tǒng)中的前后懸架總成的彈性和阻尼等各非線性因素，采用軟件中的合理計算方法，求解設定工況下車架在靜載荷及動載荷下的力學響應特性，為進行相關車輛和零部件的力學分析提供比較明確的輸入載荷和邊界條件。

1　摩托車整車的仿真模型

1.1多體動力學分析方法

多體系統(tǒng)是指多個物體通過運動副連接而組成的復雜機械系統(tǒng)，屬于非自由質點系。由于鉸鏈處存在多個未知約束力，用牛頓經典力學解算十分復雜。隨著拉格朗日分析力學的不斷發(fā)展，利用帶拉格朗日乘子的第一類拉格朗日方程，求解有完整約束和非完整約束的多體系統(tǒng)動力學方程，成為解決復雜機械系統(tǒng)力學問題的有力工具。

拉格朗日方程中，剛體采用直角坐標和歐拉角作為廣義坐標qi=［x，y，z，ψ，θ，φ］T，對于有多個剛體的系統(tǒng)，機械系統(tǒng)的運動微分方程是二階微分代數方程組，如下：

其中：T為系統(tǒng)動能；q為系統(tǒng)廣義坐標列陣；Q為廣義力列陣；λ為完整約束的拉格朗日乘子列陣；μ為非完整約束的拉格朗日乘子列陣；φ（q，t）=0為完整約束方程；θ（q，q˙，t）=0為非完整約束方程。對多體系統(tǒng)動力學問題的求解主要是對微分代數方程求解，其中，根據對形位坐標矩陣和拉格朗日乘子處理技術的不同，微分代數方程組積分技術有許多不同方法。另外，求解中初值相容性問題和系統(tǒng)耦合造成微分代數方程的剛性問題也是必須解決的前提條件［9-10］。

1.2結構的數字模型

在早期摩托車整車的多體動力學仿真中，發(fā)動機總成通常被簡化為集中質量，用質量球或者是矩形的質量塊代替。然而發(fā)動機作為摩托車整車模型中的重要分總成，不僅是施加到車輛上的靜載荷，同時還在不同工況下輸出激勵，作為動載荷施加到整車，因此在多體動力學分析中應計算發(fā)動機各個零部件的質量和慣量分布及其動力學影響。本文建立三維發(fā)動機模型安裝到整車上，構成了和實車完全對應的高度仿真的摩托車整車模型。同時對發(fā)動機模型仿真計算出發(fā)動機內部配氣系統(tǒng)、曲軸和主副軸的運動狀態(tài)，在理想約束下簡單地模擬發(fā)動機運行動力學特性對整車車體產生激勵時，車輛的力學響應。

首先，在UGNX軟件建立包含發(fā)動機等主要部件和總成的摩托車整車CAD幾何模型，其結構見圖1，發(fā)動機傳動系統(tǒng)幾何模型包括傳動系統(tǒng)仿真模型見圖2。之后在ADAMS中建立整車多體系統(tǒng)的物理模型，即由剛體、鉸鏈、力元和外力等要素組成并具有一定拓撲構型的動力學系統(tǒng)。

圖1　UG中帶有發(fā)動機的整車3D模型

圖2　UG中發(fā)動機傳動系統(tǒng)3D模型

1）物理模型中，根據結構運動學特點定義各零件間的約束關系，并賦予力學特性參數。整車模型中構件共計為31件，建立了27個理想約束，4處碰撞力元，6處彈簧，2個輪胎和地面接觸約束，在后輪軸施加了驅動和力矩。零件間主要鉸鏈定義見表1。

表1　模型中各零件間的主要約束鉸鏈列表

2）在研究多體系統(tǒng)振動特性過程中，物理參數由各個運動部件的質量、質心、轉動慣量等組成。而物理參數的大小和分布位置對整車模型的力學響應起到重要的輸入作用，模型設計中必須考慮其準確性。這部分參數在CAD模型中計算可得，并列于表2中。

3）懸掛系統(tǒng)參數

簡化前后懸架的參數，去除非線性因素，按照比較理想的懸架阻尼比和摩托車懸架設計參數，設定前減震器的剛度為5 N/m，等效阻尼系數為1 m/s；后減震器的剛度為10 N/m，等效阻尼系數為2 m/s，保持懸架平均阻尼比為0.2～0.5。

4）輪胎和地面模型

在整車動力學模型中，輪胎模型是一個重要的部分。本文討論的模型模型采用了Fiala輪胎模型。該輪胎模型比較簡單，不把內傾角作為主要因素，在把縱向滑移和橫向滑移分開的情況下，對于一般的車輛操縱性可以得到合理的結果，適用于本模型。另外，路面模型選用二維平坦路面，在路面文件中設定路面摩擦系數修正比，實際摩擦系數是修正比和輪胎橡膠摩擦參數的乘積。通常摩擦系數修正比默認值＝1.0。

表2　主要零件的物理參數

2　動力學分析

在仿真分析中，設車輛在50 km/h的速度下行駛，在后輪軸上施加旋轉驅動實現(xiàn)設定轉速；同時施加扭矩函數：step（time，0，0，1，30000）+step（time，1，0，5，120000），使得后輪克服約束反力實現(xiàn)車輛運行；發(fā)動機模型中對曲軸施加旋轉驅動和對凸輪根據傳動比施加旋轉驅動，氣門彈簧剛度和阻尼根據設計參數定義為95 N/m和1 m/s；根據仿真需要和系統(tǒng)頻率特性設定運行時間5 s，分5 000步完成。仿真參數設置方面，根據剛性系統(tǒng)選用GSTIFF積分器，積分格式為I3，并修改了誤差值為0.1，最大迭代步數Maxit為20；其它參數設置暫時保持系統(tǒng)默認，進行系統(tǒng)仿真計算［11］。圖3為ADAMS中車輛動力學模型。

根據計算結果，在發(fā)動機靜態(tài)和運行兩種情況下整車模型中車架質心的垂向加速度如圖4所示。仿真結果顯示，整車起動階段車架質心處的垂直加速度值持續(xù)振蕩，其數值逐漸縮小，表明整車起動時驅動力和驅動扭矩都是波動的。隨著時間增長，加速度值逐漸趨于平穩(wěn)，圍繞某固定數值小幅度振蕩，表明車輛行駛狀況趨于穩(wěn)定并勻速前進。兩個模型的動力學特征在趨勢上是一致的，證明仿真計算符合實際運行情況，解算值收斂，仿真結果可信性強。

圖3　ADAMS中車輛動力學模型

同時觀察到，發(fā)動機質量模型中車架質心加速度先是有規(guī)律的上下波動，之后趨于平穩(wěn)，而發(fā)動機運轉模型中車架質心加速度波動劇烈，并有脈沖式的響應出現(xiàn)，數量級是質量模型中的70倍左右，從圖b）的放大圖中可以看到后者波動劇烈程度平均為前者波動程度的7倍左右。當車輛行駛趨于平穩(wěn)后，發(fā)動機運轉模型中車架質心加速度比發(fā)動機質量模型中車架質心加速度一直有脈沖式的波動，二者幅值對比相差一千多倍。

圖4　整車模型中車架質心處縱向加速度

仿真結果說明如果發(fā)動機只是以集中質量而不是發(fā)動機實際運行模型參與整車動力學分析，不能準確地求解出車架質心加速度的變動中的振動強度，以及整車在發(fā)動機激勵下的動力學響應情況。

其次，對兩個模型中前后輪胎垂向力計算結果進行分析，如圖5所示。觀察到兩個模型的輪胎垂向力在啟動時出現(xiàn)較大幅度的波動，之后隨著車輛運行平穩(wěn)后縱向力趨于平穩(wěn)，其中發(fā)動機質量模型的輪胎垂向力初始波動頻率較高，幅度也大于發(fā)動機運轉模型的輪胎垂向力；而發(fā)動機運轉模型的輪胎垂向力波動時間要長于前者，振動的頻率較小。說明發(fā)動機運行在車輛運行過程中屬于整車受力力系中的一部分，對車輛啟動產生一定的影響。

圖5　兩模型中車輪縱向力

最后，對兩個模型中前后懸掛系統(tǒng)的彈性力計算結果進行分析，如圖6所示。兩個模型中前后懸掛系統(tǒng)的彈性力變化表現(xiàn)出不同的特性。兩模型中前懸掛系統(tǒng)響應值較小。發(fā)動機質量模型后懸掛系統(tǒng)的彈性力響應平均在±0，01 N，最大值為0.1 N；而發(fā)動機運轉模型后懸掛系統(tǒng)的彈性力響應平均在±300 N，最大值為500 N。

兩模型懸掛系統(tǒng)彈性力響應的數據表明，加載發(fā)動機激勵后，由于摩托車后輪為驅動輪，施加發(fā)動機傳輸的驅動力后，后懸掛系統(tǒng)上彈性力響應數值出現(xiàn)較大變化，這種情況說明發(fā)動機激勵對車體的動態(tài)特性的影響在車體動力學特性分析中不應忽略，而且整車動力學模型中懸掛系統(tǒng)起到緩和以及衰減振動的作用。

圖6　兩個模型中車輛前后懸掛的彈簧力

3　結論

對摩托車整車模型進行動力學分析過程中，發(fā)動機作為單純質量模型和作為運動部件參加多體動力學分析對車體的力學響應具有不同影響。通過對車架質心垂向加速度的響應特性進行比較分析可知，發(fā)動機運轉模型下隨著發(fā)動機不平衡慣性力的作用，車體垂向加速度響應數值較大，而發(fā)動機質量模型下車體垂向加速度響應數值很小。其次，兩種模型中輪胎垂向力的響應也不相同，發(fā)動機質量模型下的計算結果比發(fā)動機運轉模型下的計算結果收斂性差。另外，兩模型后懸掛系統(tǒng)彈性力響應差距顯著，發(fā)動機運轉模型下的結果體現(xiàn)了發(fā)動機的激勵特性。從仿真結果來看，發(fā)動機作為集中質量參與整車動力學分析不能全面反映出發(fā)動機在整個多體系統(tǒng)中的作用。由于摩托車車架受到復雜空間力系作用，在摩托車整車動力學分析過程中，其垂直加速度曲線是評價車輛振動特性和平順性的主要指標，發(fā)動機作為主要激勵參與摩托車多體動力學分析，才能得到比較準確的車架加速度響應特性。

1顧亮，張振華，曲晉立.摩托車雙輪同時跌落的沖擊響應研究［J］.北京理工大學學報，1999（19）1：23-27

2朱天國.結構動態(tài)分析中的一種子結構綜合法--摩托車振動分析的計算機模擬系統(tǒng)之一［J］.重慶大學學報，1989，12（5）：115-123

3朱文健，陳全福，改善摩托車平順性的懸架系統(tǒng)優(yōu)化設計［J］.上海交通大學學報，1992，26（1）：36-46

4朱才朝，羅家元，黃澤好，等.摩托車車架動態(tài)特性分析［J］.重慶大學學報，2003，26（7）：14-17

5黃澤好，徐中明，張志飛，等.摩托車車架振動特性分析［J］.農業(yè)機械學報，2006，37（9）：208-210

6盧少波，徐中明，張志飛，等.基于ADAMS的摩托車平順性虛擬試驗研究［J］.計算機仿真，2007，24（3）：250-253

7肖雪飛，何天明.基于MSC.ADAMS的摩托車虛擬樣機的振動分析［J］.小型內燃機與摩托車，2006，35（5）：53-55

8董紅亮，鄧兆祥，來飛.基于人-車系統(tǒng)的摩托車操縱穩(wěn)定性仿真［J］.吉林大學學報（工學版），2009，39（3）：566-570

10 J.Wittenberg.Dynamics of systems of rigid bodies［M］.B.G. Teubner，Stuttgart，1977

11于殿勇，錢玉進.基于ADAM S動力學仿真參數設置的研究［J］.計算機仿真，2006，23（9）：103-108

Influence of Engine Excitation on Multi-Body Dynamics Characteristics for Motocycle

Sun Lixing，Wang Qing，Zhang Zhixuan
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

In the analysis for a motorcycle multi-body dynamics，engine excitation，as a major input affecting the dynamic behavior of motorcycle，should be explored.In this paper，a virtual engine model is constructed to replace the lumped mass ever discussed in dynamic simulation of motorcycle，on which elaborate dynamic simulation of engine valve train is performed at its working condition to investigate the dynamic response of motorcycle.The vertical acceleration response of the motorcycle is achieved by using appropriate solution formulations on vehicle multi-body，and the comparison is made on the simulation results of motorcycle dynamic behavior between models with or without engine excitation to determine the significance of running engine，the conclusion is available for discussing the vibration and smoothness performance of whole mechanical system.

Multi-body dynamics，Engine excitation，Acceleration response，Motorcycle

U483

A

2095-8234（2015）04-0040-05

2015-03-24）

孫立星（1970-），女，高級工程師，主要研究方向為摩托車多體動力學。