某型轎車平順性分析

王鑫，王浩，孫翔鴻，張亞波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型轎車平順性分析

王鑫，王浩，孫翔鴻，張亞波

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章針對在研某轎車為例，建立剛柔耦合的整車平順性分析模型，根據(jù)公司目前的評價方法，選取座椅表面進行分析。結合公司試驗設備，經(jīng)過理論推導出等效均值，提出前后排座椅等效均值的評價指標，綜合了三個方向的振動情況，能更加形象的評價整車平順性。最后通過實驗驗證了模型建立的準確性。通過此方法，能讓設計人員在整車開發(fā)初期針對模型進行平順性分析，指導結構優(yōu)化、降低整車開發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期，具有一定的實用意義。

轎車；平順性；分析

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-102-03

引言

汽車平順性研究的目的是為了降低汽車在行駛過程中來自路面的各種沖擊和振動的作用，將其控制在一定范圍之內，保證乘客的舒適性和貨物的完好度。此外，汽車平順性也會影響整車的可靠性，當汽車在行駛過程中遇到的振動和沖擊所產生的動載荷會影響汽車零部件的磨損進而減少其疲勞壽命影響汽車行駛安全和可靠性。隨著汽車行業(yè)競爭的加劇，人門對平順性有了更高的要求。目前如何通過不斷的衰減汽車行駛過程中產生的振動來改善乘客的舒適性成為研究的重點。我國已經(jīng)形成了評價汽車行駛平順性的一系列完整的國家標準體系[1]，文獻2在論證的基礎上,提出一種設計計算方法。應用這種方法可以容易地求得汽車在典型實際路面上激起的振動與載荷的統(tǒng)計規(guī)律;給出振動與載荷的均方值與設計參數(shù)之間的簡明關系;進而研究了阻尼值和限位行程的合理選擇以及計算在不平路面上極限車速的方法;最后討論了有關試驗評價問題。后來謝衛(wèi)國等人通過計算機仿真技術建立十八自由度的半掛車振動模型，控制汽車車輪隨機輸入的模擬，測量車身加速度響應來分析半掛汽車的平順性問題。

本文基于企業(yè)研發(fā)的某型轎車為研究對象，基于多體系統(tǒng)動力學理論、機械系統(tǒng)動力學理論，建立了該車模型，并對其進行了隨機路面激勵下的平順性仿真分析，獲取了平順性結果。同時結合公司實驗驗證了模型的準確性，能反映整車的實際情況，對下一步優(yōu)化提供了途徑。

1、理論分析

1.1 平順性評價方法

基于頻譜分析法，將通過加速度傳感器采集到的振動加速度時間歷程 a(t)轉化為功率譜密度函數(shù) Ga(f)，在將數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波網(wǎng)格最終獲取加權加速度時間歷程aw，如下：

選取座椅支撐面xs、ys、zs三個軸向的振動放在一起考慮時，從三向加速度角度進行計算，則公式1可轉換為：

其中：axw表示 x軸方向的加權加速度均方根值，avw及azw分別表示y和z軸方向的加權加速度均方根值。

等效均值與加權加速度均方根值之間換算關系如公式3：

表1是人體對振動的主觀感覺與該振動的加權加速度均方根值aw之間的對應關系，其中a0= 10-6m/s2。

表1 aw與人的主觀感覺之間的關系

2、模型建立

2.1 前后懸架模型

建立某型轎車的ADAMS模型，在模型的基礎上基于優(yōu)化理論進行優(yōu)化。此轎車為麥弗遜式獨立前懸架，扭力梁式半獨立后懸架，其他參數(shù)主要針對具體參數(shù)進行修改。主要的整車參數(shù)如下：

表2

根據(jù)整車硬點信息建立的前懸架如下：

圖1 前懸架模型

為了為了獲取更加準確的后排駕駛室平順性數(shù)據(jù)，建立了柔性體結構的扭力梁懸架。對于設 計階段采用的扭力梁懸架進行有限元網(wǎng)格劃分，按照約束條件進行約束，并賦予其參數(shù)，之后運行分析計算，有限元模型如下 圖所示，單元總數(shù)為25412個，節(jié)點數(shù)為25323個，其中網(wǎng)格單元的長度為4mm，縫焊選用RBE2單元進行模擬。

圖2 橫梁截面示意圖

在HyperMesh中，根據(jù)模態(tài)綜合法分析計算導出扭力梁懸架柔性體mnf文件，再將其導入到ADAMS模型中，在ADAMS軟件中建立扭力梁的剛柔耦合模型，其中減震器的剛度和阻尼以及彈簧襯套的參數(shù)由廠家提供。

2.3 動力總成及輪胎

對動力總成進行適當?shù)暮喕?，忽略動力裝置的實際結構，把整個動力系統(tǒng)看做剛體，將發(fā)動機、變速器、離合器三部分簡化為一個部件，動力總成系統(tǒng)是三點懸置，采用橡膠襯套與車體及副車架連接，建立的動力總成模型如圖3所示：

圖3

3、平順性分析

3.1 模型分析

建立好整車剛柔耦合模型后，就可以進行隨機輸入的平順性仿真分析。在B級路面（瀝青路面）上分別以40-120km/h間隔10km/h的速度進行仿真，測試底盤傳遞給人體三個方向的振動加速度。當仿真完成以后，可以得到駕駛員位置處縱向、橫向和垂向的振動加速度時域曲線。圖為虛擬汽車以40km/h的速度下行駛時，縱向加速度仿真曲線和傅里葉計算獲取的縱向加速度功率譜密度曲線。

圖4 駕駛員縱向加速度曲線及功率譜密度曲線

由此根據(jù)公式1便可獲取各方向加權加速度均方根值，再帶入到公式2和3中便可計算出總加權加速度均方根值和等效均值，按照上述分析方法可獲取50km/h- 120km/h速度下的加權加速度均方根值和等效均值如下。

表3 前后排座椅等效均值

可以看出該轎車在高速行駛時平順性不是很理想，乘客會有輕微的不舒服感，特別是后排乘客的感覺尤為明顯，有待通過優(yōu)化來改善其乘坐舒適性。

3.2 實驗驗證

為了驗證仿真模型的準確性，利用車輛進行實際測試，采用三向加速度坐墊傳感器及信號線，且其頻響范圍在0.5～100HZ，汽車各總成、部件等按照規(guī)定裝備齊全，汽車載荷為額定滿載質量，試驗環(huán)境滿足國標要求。

具體設備如下圖片所示：

圖5 三向加速度測量儀器

將加速度傳感器分別安裝在座椅上，以測量縱向、橫向和垂向的加速度時間歷程，且要求傳感器應與人體緊密結合，且在人體與座椅之間放入安裝傳感器的墊盤。儀器安裝完畢后，讓車輛在40 km/h左右的速度進行勻速行駛，得到各軸向的加速度信號，經(jīng)加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來。隨后用相同的方法記錄車輛分別在其他車速下行駛時三個方向的加速度時間歷程。經(jīng)過設備的分析計算可獲取，經(jīng)過處理的前后排座椅等效均值如下。

表4 實測前后排座椅等效均值

將前后排座椅等效均值對比如下：

圖6 前后排座椅等效均值對比

通過實驗數(shù)據(jù)可知：1）雖然建立的模型未考慮輪胎與地面滑動摩擦引起的振動因素，但仿真結果與試驗結果基本吻合，誤差在 1%范圍內，兩者因路面激勵引起的等效均值基本相同，說明建立的整車模型基本符合實際車輛的情況，是比較準確的，可作為下一步優(yōu)化的基礎。

2）前后排座椅平順性存在優(yōu)化空間，特別是高速運行時平順性稍差。需要注意的是仿真和試驗過程中 70km/h時存在突變，且前后排突變方向相反，下一步將重點分析研究。

4、結論

（1）根據(jù)實車情況建立了的整車平順性分析模型，結合公司現(xiàn)有的測試儀器設備從等效均值的角度進行分析，提出前后排座椅等效均值的評價的指標，仿真與實驗結果表明：建立的模型準確可靠，可以借此評價指標對實車平順性進行評價，能反映實車的實際情況。

（2）仿真結果表明該車平順性存在優(yōu)化空間，同時可利用此方法在整車開發(fā)初期對車輛平順性進行評價，從而能盡早的修改整車結構參數(shù)，降低了開發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期。

（3）由于對平順性的影響因素較多，一般通過調整前后懸架剛度和阻尼等進行優(yōu)化，但是調整之后對整車操穩(wěn)性能有較大的影響，因此建議針對操縱穩(wěn)定性和平順性進行聯(lián)合優(yōu)化。

[1] 汽車平順性試驗方法[S]. GB/T 4970-2009,2009.

[2] 汽車振動與載貨的統(tǒng)計分析及懸掛系統(tǒng)的參數(shù)選擇[J].汽車技術,1976, 4:54.

[3] 基于剪切中心的某扭力梁懸架輪胎包絡分析[J].農業(yè)裝備與車輛工程,2016. 54(1).72-76

[4] 陳憲忠，時域內轎車行駛平順性建模及仿真研究,[碩士學位論文],長春,吉林大學,2003.03.

[5] 駱濤.轎車懸架運動學及整車平順性仿真:[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2008.

[6] 鄭銀環(huán),張仲甫.汽車鋼板彈簧多柔體建模及仿真研究[J].湖北工業(yè)大學學報,2007,22(4):35-36.

[7] 楊亞娟,柳楊,劉紅領等.汽車隨機路面輸入平順性仿真[J].計算機輔助工程,2006, 15 (9):183-185.

[8] 王國權,楊文通等.汽車平順性的虛擬試驗研究[J].上海交通大學學報,2003, 37 (11): 1172-1175.

[9] 時培成,韋山.汽車隨機路面輸入平順性仿真分析[J].機電工程,2006,23(5):28-31.

Simulation Analysis and Optimization of a certain car Ride Comfort

Wang Xin, Wang Hao, Sun Xianghong, Zhang Yabo
( Jianghuai Automobile co., LTD, Anhui Hefei 2300601 )

Taking a certain car for example, base on the using evaluation method, establish a rigid-flexible coupling vehicle ride comfort model, chose the face of seats to Analysis the comfort of the car. Depend on the equipment, put forward a target mean value of front and rear seats to evaluate the ride comfort.This method comprehensive the 3-direction vibration, have a easy-imagery meaning. Then get the results from the passenger ride real vehicle tests and compare simulation results with the test results to verify the accuracy of the model. By thus, engineers will easily get the ride-comfort result of a model-car, and then guide the Optimization、reduce the cost, have a practice designing meaning.

certain car; ride Comfort; sensitivity analysis; optimization

U463.2

A

1671-7988 (2017)06-102-03

王鑫，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.035