碎石路面上汽車平順性仿真分析

袁紹華，王昆，王曙光，黃波

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215123）

碎石路面上汽車平順性仿真分析

袁紹華，王昆，王曙光，黃波

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215123）

∶為了研究碎石路面對汽車平順性的影響，文章利用ADAMS軟件建立了整車仿真模型。利用三角函數(shù)疊加的方法建立了碎石路面隨機(jī)路面模型。通過VB編程生成不同強(qiáng)度的路面模型文件。通過ADAMS調(diào)用不同強(qiáng)度的碎石路面模型文件，研究其對整車平順性的的影響。

∶平順性；ADAMS；碎石路面

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.048

CLC NO.: U467Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-137-03

汽車行駛平順性是汽車的重要使用性能之一，其優(yōu)劣不僅影響著駕乘人員的乘坐舒適性和貨物的安全可靠運(yùn)輸，而且也影響著汽車多種使用性能的發(fā)揮和行駛系的壽命。汽車在行駛過程中，路面不平度作為引起汽車震動的激勵(lì)源，主要影響汽車的實(shí)用壽命和行駛平順性。路面不平度的研究在汽車研究中占有極其重要的地位。路面輸入模型能否準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際研究的路面狀況，對研究汽車性能的準(zhǔn)確性有著根本的影響。

1、整車ADAMS仿真模型的建立

簡化的汽車模型包括：汽車底盤、雙橫臂式前獨(dú)立懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、斜置臂式后懸架模型、輪胎模型[1]。將汽車底盤簡化為一個(gè)帶有質(zhì)量的球體，車身質(zhì)量為1800kg，轉(zhuǎn)動慣量IX，IV，IZ分別為：1.06*109kg*mm2，2.28*109kg*mm2，2.18*109kg*mm2。懸架剛度為129.8kn/mm，阻尼為6000kN·s/m。該汽車采用的是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比設(shè)定為15：1。后懸架采用的是斜置臂式后懸架。其中，彈簧減振器組合在一起由ADAMS中的彈簧減振器模塊代替，輸入相應(yīng)的剛度160.8 kn/mm和阻尼6000 kN·s/m就可以較真實(shí)地模擬其性能[2-3]。

根據(jù)以上參數(shù)，建立整車的ADAMS模型[4-5]。整車動力學(xué)模型包括4各車輪在內(nèi)，共有25個(gè)運(yùn)動部件，模型自由度15個(gè)，模型效果如圖1：

圖1　整車虛擬模型

2、碎石路譜文件的建立

諧波疊加法是目前使用較普遍的方法, 特別適合用于國際標(biāo)準(zhǔn)道路譜時(shí)域模型的生成。因此，本文采用諧波疊加法來構(gòu)建碎石路面不平度的時(shí)域模型。

諧波疊加法擬合不平路面的原理是：設(shè)路面高程為平穩(wěn)的、遍歷的均值為0的Gaussian 過程，則可以用不同形式的三角級數(shù)進(jìn)行模擬。根據(jù)國標(biāo)GB7031-86《車輛震動輸入—路面不平度表示方法》，路面不平度位移功率譜密度擬合表達(dá)式采用下式[6]：

按照路面功率普密度把路面按不同程度分為8級（A、B、…、H），我國公路路面普基本上在A、B、C三級范圍內(nèi)，B、C級路面占的比重較大。

對汽車振動系統(tǒng)的輸入除了路面不平度，還要考慮車速這個(gè)因素。根據(jù)車速u，將空間頻率功率譜密度Gq(n0)換算為時(shí)間頻率功率譜密度Gq(f) 。當(dāng)汽車以一定車速u 駛過空間頻率n 的路面不平度時(shí)輸入的時(shí)間頻率f 是n 與u 的乘積，即通過換算，時(shí)間功率普Gq(f)的表達(dá)式為：

已知在時(shí)間頻率f1＜f＜f2內(nèi)的路面位移譜密度為Gq(f)利用平穩(wěn)隨機(jī)過程的平均功率的頻譜展開性質(zhì)，路面不平度，的方差為：

將區(qū)間（f1，f2） 劃分為n 個(gè)小區(qū)間， 取每個(gè)小區(qū)間的中心頻fmid-i(i=1,2,3…,n)處的譜密度值Gq（fmid-i）代替Gq(f)在整個(gè)小區(qū)間內(nèi)的值，則式離散化后近似寫為：

對應(yīng)每個(gè)小區(qū)間，現(xiàn)在要找到具有頻率fmid-i(i=1,2,3…,n)且其標(biāo)準(zhǔn)差為的正弦波函數(shù)，這樣的正弦波函數(shù)為：

將對應(yīng)于各個(gè)小區(qū)間的正弦波函數(shù)疊加起來，就得到時(shí)域路面隨機(jī)位移輸入：

式中：θi--[0，2π]上均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

可以驗(yàn)證，當(dāng)區(qū)間劃分足夠細(xì)密即n 取足夠大時(shí)，由式上式生成的時(shí)域路面隨機(jī)位移輸入的頻率特征與給定的路面譜是一致的。這樣q(t)即可代表當(dāng)前車速和越野路面條件下的路面隨機(jī)輸入。

按照上述路面原理和上一小節(jié)的不平路面擬合理論，用VB編制[7]出隨機(jī)路面程序。

利用該程序可以很方便的生成A～H級路面。我們用該程序，輸入各級路面的相應(yīng)參數(shù)，即可生成格式為.rdf的路面文件。

3、汽車平順性的評價(jià)指標(biāo)

一般采用總加速度均方根值加權(quán)比較法，振動加速度和人對舒適度的主觀感覺對應(yīng)關(guān)系如表1。

表1　振動加速度與人對舒適度的主觀感覺的對應(yīng)關(guān)系

4、不同強(qiáng)度的碎石路面對汽車平順性的影響

利用VB編程建立的碎石路面生成系統(tǒng)，生成不同強(qiáng)度的碎石路面文件。整車以20m/s的車速分別在B、C、D、E級越野路面上行駛時(shí)，所得的車輛質(zhì)心垂向加速度和垂向加速度自功率譜分別為：

圖2　B級路面車身垂向加速度曲線圖

圖3　B級路面車身垂向加速度的自功率譜曲線

圖4　C級路面車身垂向加速度曲線

圖5　C級路面車身垂向加速度自功率譜曲線

圖6　D級路面車身垂向加速度曲線

圖7　D級路面車身垂向加速度自功率譜曲線

圖8　E級路面車身垂向加速度

圖9　E級路面車身垂向加速度自功率譜曲線

由以上仿真結(jié)果可得：

在B越野級路面上,車身垂向加權(quán)加速度均方根植為0.619 m/s2，在2.3—3.1Hz時(shí)振動最強(qiáng)烈。此時(shí)人會感到有一點(diǎn)不舒服

在C級越野路面上，車身垂向加權(quán)加速度均方根植為1.266 m/s2，在2.2—2.9Hz時(shí)振動最強(qiáng)烈。此時(shí)人會感到有不舒適的感覺。

在D級越野級路面上，車身垂向加權(quán)加速度均方根植為2.121 m/s2，在2.2—2.8Hz時(shí)振動最強(qiáng)烈。此時(shí)人會感到非常的不舒適。

在E級越野級路面上，車身垂向加權(quán)加速度均方根植為4.829 m/s2，在1.7—2.8Hz時(shí)振動最強(qiáng)烈。此時(shí)車身垂向加速度產(chǎn)生了極大的波動，人會感到極度的不舒適。

5、結(jié)束語

本文利用三角級數(shù)疊加的思想構(gòu)建了碎石路普路面模型。并使用VB編程建立了越野路面特性文件生成系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以方便的生成不同強(qiáng)度、不同長度和寬度的越野路面。利用該系統(tǒng)生成的越野路面可以方便的被ADAMS調(diào)用。研究了路面強(qiáng)度變化對汽車平順性的影響。通過仿真分析可知，隨著路面強(qiáng)度的不斷加大，對汽車的平順性的影響也就越來月大，特別是在E級路面上，車身垂向加速度出項(xiàng)了較大的波動。這表明為了適應(yīng)較差的越野路面，車輛輪胎、懸架等相關(guān)平順性的設(shè)計(jì)應(yīng)相應(yīng)提高。

[1] 李軍,ADAMS實(shí)例操作教程,機(jī)械工業(yè)出版社,2008,6.

[2] 鄔勇民,基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的懸架優(yōu)化及汽車平順性仿真,萬方數(shù)據(jù)庫,2007.01.01.

[3] 陳黎卿,基于ADAMS的懸架優(yōu)化及控制研究,合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005.5.

[4] 陳軍,MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例,中國水利水電出版社,2008.10.

[5] 雷良育,基于虛擬現(xiàn)實(shí)的汽車平順性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究,浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2005.11.

[6] 余志生,汽車?yán)碚?機(jī)械工業(yè)出版社,2009.3.

[7] 鄭海春,謝維成,Visual Basic 編程及實(shí)例分析教程,清華大學(xué)出版社,2007.4.

Simulation analysis comfortability on gravel road

Yuan Shaohua, Wang Kun, Wang Shuguang, Huang Bo
(Jinlong car joint industrial (Suzhou) Co., Ltd. Jiangsu Suzhou 215123)

In order to study the influence of automotive ride comfort on the gravel road, this paper establishes the simulation model of the vehicle by using the ADAMS software and random road model on gravel road by the method of trigonometric function superposition. The influence of automobile comfortability is explored on the basis of pavement model file generated by VB programming and gravel road model files invoked by ADAMS software pavement model file.

Riding comfort; ADAMS; Gravel pavement

∶U467

∶A

∶1671-7988 (2016)09-137-03

袁邵華（1986—），男，助理工程師，就職于金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，從事客車底盤技術(shù)研究。