基于ADAMS礦用車輛平順性影響因素分析

高德峰，馬志國

（黃河科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450063）

1 引言

平順性是車輛的重要性能之一，對其的影響因素較多，既有發(fā)動機(jī)、路面、傳動系統(tǒng)等的振動影響，也有車輛懸架系統(tǒng)的影響，而后者是對其起決定性作用的因素。對其的研究最終的目標(biāo)是控制振動的傳遞，使乘坐者不舒適的感覺不超過一定界限，這就要求掌握汽車振動各環(huán)節(jié)的特性，即人對振動的反應(yīng)、汽車振動系統(tǒng)的傳遞特性和作為振動“輸入”的路面不平度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[1]。

對礦用汽車平順性的研究一直是學(xué)者研究的重點(diǎn)：文獻(xiàn)[2]利用隨機(jī)振動理論對油氣懸架的非線性剛度模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)線性分析，得到了統(tǒng)計(jì)意義下的油氣懸架的剛度線性化模型；文獻(xiàn)[3]認(rèn)為前輪距會隨前油氣懸架的上下運(yùn)動而發(fā)生變化，從而引起左右輪胎的橫向滑移，加重了輪胎以及前油氣懸架桿筒與缸筒之間的磨損，也影響輪胎和前油氣懸架的使用壽命；文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)汽車載荷、行駛速度、路面狀況等行駛條件發(fā)生變化時(shí)，主動懸架系統(tǒng)能自動調(diào)整懸架剛度（包括整體調(diào)整和各輪單獨(dú)調(diào)整），從而同時(shí)滿足汽車的行駛平順性，操縱穩(wěn)定性等各方面的要求；文獻(xiàn)[5]半主動懸架不能隨外界的輸入進(jìn)行最優(yōu)控制和調(diào)節(jié)，但它可按存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各種條件下彈簧和減振器的優(yōu)化參數(shù)指令來調(diào)節(jié)彈簧的剛度和減振器的阻尼狀態(tài)。

為了研究礦用汽車各參數(shù)對整車平順性能的影響，應(yīng)用三維建模軟件Soldworks和機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，建立了礦用汽車前懸架、后懸架、汽車多體動力學(xué)約束拓?fù)淠Ｐ秃驼嚾S模型。在隨機(jī)路面和波形路面輸入條件下的平順性仿真模型，并進(jìn)行各種工況的仿真。分別改變車速、懸架剛度、簧載質(zhì)量、簧載質(zhì)量質(zhì)心位置、路面不平度等影響整車平順性的因素，分析對平順性的影響程度，并對比分析。

2 礦用汽車動力學(xué)模型

2.1 前后懸架系統(tǒng)模型

采用實(shí)體建模，在Soldworks中建立幾何模型，將整車的裝配體添加好約束后，導(dǎo)入大型機(jī)械動力學(xué)分析軟件ADAMS中。礦用汽車懸架系統(tǒng)分為前懸架和后懸架兩部分，均為非獨(dú)立油氣懸架。前懸架由兩個(gè)雙腔油氣懸掛缸和三根縱拉桿、一個(gè)橫拉桿組成，后懸架由兩個(gè)單腔油氣懸掛缸和一個(gè)前置A型架、一個(gè)后置橫向穩(wěn)定桿組成[6]。懸掛缸模型中缸體與活塞用滑動副聯(lián)結(jié)。并且在懸掛缸的上下支點(diǎn)施加彈簧力，其剛度與阻尼為非線性，前懸的三根縱拉桿分別與前橋和車架鉸接，為簡化模型，暫不考慮駕駛室與車架間橡膠塊的減振作用。在此不研究整車轉(zhuǎn)向的動力學(xué)分析，因此將轉(zhuǎn)向動力油缸的動行程鎖死，只考慮整車的直線運(yùn)動。后懸架系統(tǒng)以箱形A型架做導(dǎo)向裝置，一端與后橋固聯(lián)，另一端與車架用鉸接副聯(lián)結(jié)。橫拉桿兩端分別與后橋和車架鉸接。前懸架和后懸架的系統(tǒng)三維模型，如圖1所示。

圖1 懸架系統(tǒng)模型Fig.1 Suspension System Model

2.2 約束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)體建模的約束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 汽車多體動力學(xué)模型約束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Vehicle Multi-Body Dynamics Model Constraint Topology

3 隨機(jī)路面輸入平順性影響分析

3.1 行駛車速的影響

分別以 10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 的時(shí)速在其相應(yīng)的所測路面譜生成的路面上進(jìn)行直行仿真。使礦用汽車模型在5s內(nèi)加速至10km/h，然后穩(wěn)速運(yùn)行至15s[9]。同理對整車模型在空載和滿載兩種工況下，分別以10km/h，20km/h，30km/h車速進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下平順性仿真，如表1所示。

表1 整車模型穩(wěn)態(tài)仿真時(shí)簧載質(zhì)量的振動對比Tab.1 Vibration Comparison of Spring Loaded Mass of the Vehicle Model

根據(jù)表1可知：簧載質(zhì)量相同時(shí)，汽車行駛速度越大，則簧載質(zhì)量的質(zhì)心各方向加速度也越大，其1/3倍頻程加權(quán)加速度均方根值越大，即平順性越差。由于油氣懸架的變剛度特性，空載和滿載情況下油氣懸架的剛度特性不一樣。汽車模型在相同時(shí)速和相同路面下進(jìn)行平順性仿真，空載與滿載工況相比，簧載質(zhì)量的質(zhì)心豎直方向速度及加速度、俯仰角速度及角加速度更大，即平順性越差。

3.2 車架橫向加速度影響

以空載工況為例，分別以車速為10km/h、20km/h、30km/h進(jìn)行在隨機(jī)路面激勵下仿真，仿真結(jié)果，如圖3所示。并在車速為30km/h時(shí)的路面譜上逐漸加大驅(qū)動力F，進(jìn)行整車模型仿真。

圖3 車架質(zhì)心橫向加速度Fig.3 Lateral Acceleration of the Vehicle Frame

由圖3可知：車架存在橫向振動；當(dāng)整車模型在平面路面上穩(wěn)速行駛時(shí)，車架的橫向振動加速度很小。路面不平度越大，則車架的橫向振動加速度越大。整車模型分別以10km/h、20km/h、30km/h在隨機(jī)路面譜上行駛時(shí)，車架橫向振動加速度的最大值分別為：928.6mm/s2、1647.0mm/s2、1830.3mm/s2；橫向振動加速度均方根值分別為：122.5mm/s2、191.3mm/s2、216.6mm/s2。汽車行駛速度越大，則車架的橫向振動加速度越大。后輪驅(qū)動力分別為1×106N、5×106N、1×107N時(shí)，車架質(zhì)心橫向振動加速度最大值分別為7972.1mm/s2、58365.8mm/s2、1.08×105mm/s2；橫向振動加速度均方根值分別為5275.5mm/s2、28051.7mm/s2、32576.2mm/s2。后輪驅(qū)動力越大，則車架的橫向振動加速度越大。

4 波形路面輸入平順性影響分析

油氣懸架的剛度和阻尼系數(shù)都是強(qiáng)非線性的，以常數(shù)代替會產(chǎn)生一定的誤差。為了分析的方便，ADAMS環(huán)境下輸入的路面激勵為正弦波路面激勵。研究整車模型在正弦波路面激勵下進(jìn)行平順性仿真，分別用非線性剛度彈簧與線性剛度彈簧表示礦用汽車模型的四個(gè)懸缸，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析與比較。采用如下式所示正弦信號作為路面激勵[10]。

滿載時(shí)，分別在非線性剛度彈簧和線性剛度彈簧的情況下對整車模型進(jìn)行平順性仿真分析。在正弦波形路面激勵下，滿載工況下簧載質(zhì)量的質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的的仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 滿載時(shí)整車簧載質(zhì)量的仿真曲線Fig.4 Simulation Curves of the Spring Loaded Mass of the Vehicle

從圖4可知，在滿載情況下，汽車模型使用非線性剛度彈簧時(shí)簧載質(zhì)量的質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰角速度的最大值比使用線性剛度彈簧時(shí)略有減小，但變化不大。因此滿載時(shí)可將油氣懸架的剛度等效為線性，來分析汽車簧載質(zhì)量的振動情況。

空載時(shí)，分別在懸掛缸非線性剛度和平衡位置剛度的情況下進(jìn)行整車平順性仿真分析。在正弦波形路面激勵下，汽車滿載時(shí)簧載質(zhì)量的垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的的仿真結(jié)果，如圖5所示。從圖5可知，在空載情況下，汽車使用非線性剛度彈簧時(shí)車架的垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰角速度的最大值比使用線性剛度彈簧時(shí)小。其中簧載質(zhì)量質(zhì)心垂直加速度與俯仰角加速度在兩種情況下變化趨勢差異較大，說明非線性彈簧的變剛度特性使汽車的振動有明顯的減??；垂直速度與俯仰角速度的最大值降低的幅度比較小，變化基本趨勢相同。在相同路面激勵、相同車速下，空載比滿載工況下，簧載質(zhì)量的質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的幅值更大，平順性更差。

圖5 空載時(shí)整車簧載質(zhì)量的仿真曲線Fig.5 Simulation Curve of the Spring Empty Loaded Mass of the Vehicle

5 結(jié)論

為了研究礦用汽車各參數(shù)對整車平順性能的影響，應(yīng)用三維建模軟件SOLIDWORKS和機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，建立礦用汽車前懸架、后懸架、汽車多體動力學(xué)約束拓?fù)淠Ｐ秃驼嚾S模型。

影響整車平順性的因素有：車速、懸架剛度和簧載質(zhì)量質(zhì)心位置等因素。其中，車速越大、車輛懸架系統(tǒng)剛度越大，則懸架的簧載質(zhì)量質(zhì)心處的垂直方向加速度、垂直方向的速度響應(yīng)也相應(yīng)的增加，整車平順性能越差，增加量在5%左右；簧載質(zhì)量質(zhì)心位置在縱向越靠近前后輪距的中心，整車平順性能越好；懸架阻尼大小對汽車的平順性影響不大，加速度均方根無明顯變化，小于1%。在相同路面激勵、相同車速下，空載比滿載工況下，簧載質(zhì)量的質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的幅值更大，平順性更差，均方根值變化量不超過10%。分析結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)分析提供參考。

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