某電動(dòng)觀光車平順性仿真分析

石明順，溫博倫，張嚴(yán)芬

（安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

關(guān)鍵字：電動(dòng)觀光車；虛擬樣機(jī)；平順性仿真

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高以及電動(dòng)車行業(yè)的快速發(fā)展，電動(dòng)觀光車作為一種在固定區(qū)域內(nèi)使用的代步車輛，不僅其良好的續(xù)航能力和經(jīng)濟(jì)性能一直被作為追求的重點(diǎn)，對(duì)于整車舒適性的改善，也正逐漸受到廣泛關(guān)注。整車平順性作為乘車舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)，主要受到路面激勵(lì)的影響，而整車大多通過(guò)懸架系統(tǒng)衰減振動(dòng)，因此懸架對(duì)平順性具有決定性的影響。傳統(tǒng)整車平順性研究需要對(duì)真實(shí)車輛進(jìn)行試驗(yàn)，這樣往往耗費(fèi)較大的人力以及財(cái)力。自計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者針對(duì)汽車行駛平順性的模型建立和虛擬樣機(jī)的仿真進(jìn)行了諸多研究。如何建立合理正確的虛擬樣機(jī)不僅影響仿真結(jié)果的正確性，同時(shí)還會(huì)影響汽車行駛的舒適性和安全性預(yù)測(cè)。本文采用ADAMS/View 建立虛擬樣機(jī)對(duì)整車平順性進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)虛擬樣機(jī)建立了懸架以及整車仿真模型，并通過(guò)輸入隨機(jī)輸入激勵(lì)和脈沖輸入激勵(lì)進(jìn)行平順性仿真，分析了電動(dòng)觀光車的整車舒適性。

1 虛擬樣機(jī)模型建立

1.1 整車模型

由于現(xiàn)有五座電動(dòng)車的實(shí)際模型與傳統(tǒng)汽車的制作加工略有不同，為了能夠真實(shí)反應(yīng)該型號(hào)的電動(dòng)觀光車行駛平順性，本次通過(guò)針對(duì)實(shí)際車輛的零件進(jìn)行測(cè)繪，并且通過(guò)運(yùn)用SolidWorks 建立三維模型。建模過(guò)程中，部分電動(dòng)觀光車的車架、懸架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、動(dòng)力總成的質(zhì)量參數(shù)和尺寸參數(shù)無(wú)法通過(guò)測(cè)量繪制，故選擇詢問(wèn)廠家獲取五座電動(dòng)觀光車外殼和整車質(zhì)量參數(shù)。五座電動(dòng)觀光車的主要參數(shù)如表1 所示：

在搭建完整模型之后，在ADAMS/View 中對(duì)零件修改材料屬性，建立五座電動(dòng)觀光車動(dòng)力學(xué)模型。最后所得到的整車模型如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)觀光車虛擬樣機(jī)整車模型

1.2 路面模型

人們?cè)诔塑嚂r(shí)所感受到的不舒適性是由于汽車行駛在道路過(guò)程中的振動(dòng)所導(dǎo)致的，因此能夠有效分析五座電動(dòng)觀光車行駛平順性的主要任務(wù)就是建立合理有效的路面文件。路面輸入激勵(lì)包括隨機(jī)輸入激勵(lì)以及脈沖輸入激勵(lì)。隨機(jī)路面即類似于普通公路，沒(méi)有聚集式較大起伏或凹坑的路面情況。而脈沖路面則變現(xiàn)為聚集式且具有較強(qiáng)沖擊式，能夠在短時(shí)間產(chǎn)生沖擊的離散事件，包括減速帶、凹坑等路面狀況。ADAMS中具有自帶的路面生成器，同時(shí)在ADAMS 安裝包的子文件夾中具有路面譜文件，可以通過(guò)對(duì)路面譜程序的修改建立所需路面譜文件。模型以路面輪廓的空間功率譜密度與空間頻率的函數(shù)關(guān)系為理論基礎(chǔ)，相關(guān)函數(shù)關(guān)系如式1 所示。

式中：n 為空間頻率；Ge為空間功率譜密度幅值；Gs為速度功率譜密度幅值；Ga為加速度功率譜密度幅值。

表2 Sayers 模型不平度參數(shù)表

若想建立路面譜文件，則在路面生成其中通過(guò)輸入所需三個(gè)參數(shù)進(jìn)行文件建立。表2 為各種路面的輪廓參數(shù)。

根據(jù)表2，按照粗糙瀝青路面的三個(gè)系數(shù)編制瀝青路面文件，并以此路面譜文件作為隨機(jī)路面輸入進(jìn)行仿真。

2 電動(dòng)觀光車平順性研究

2.1 隨機(jī)路面平順性仿真分析

完成五座電動(dòng)觀光車模型搭建后，導(dǎo)入路譜文件，對(duì)五座電動(dòng)觀光車進(jìn)行行駛平順性仿真，在隨機(jī)面上分別以10 、20、30 、40、50km/h 的速度進(jìn)行仿真，分別得到三向振動(dòng)加速度曲線。本文選取50km/h 車速進(jìn)行仿真分析，其他車速等同。

在ADAMS/View 軟件中設(shè)置仿真時(shí)間為10s，考慮到步長(zhǎng)略大時(shí)仿真模型運(yùn)算失敗，于是設(shè)置仿真步長(zhǎng)為0.001s。選取設(shè)定好的路譜文件作為路面模型，設(shè)定車輛速度勻速，進(jìn)行仿真分析，其處理結(jié)果中不同方向的振動(dòng)加速度時(shí)域曲線如圖2 所示，不同方向的加速度功率譜密度曲線如圖3 所示。

圖2 各方向加速度曲線

圖3 各方向加速度功率譜密度曲線

分析記錄下的加速度時(shí)間歷程a(t)頻譜，得到其功率密度函數(shù)Ga(f)，計(jì)算如式2 所示：

式中：w(f)為頻率加權(quán)函數(shù)；aw為加權(quán)加速度均方根值；Ga(f)為功率譜密度函數(shù)。

加權(quán)加速度均方根值由仿真計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入MATLAB 進(jìn)行求解，求得結(jié)果如表3 所示。

表3 不同車速下加權(quán)加速度均方根值

車輛加權(quán)加速度均方根值與主觀感覺(jué)的關(guān)系如表4 所示：

表4 加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺(jué)之間的關(guān)系

通過(guò)表3 和4 的對(duì)比中可以得到，在五座電動(dòng)觀光車以低速行駛時(shí)沒(méi)有不舒適的現(xiàn)象，當(dāng)速度達(dá)到30Km/h 以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有一些不舒適的現(xiàn)象。

2.2 脈沖輸入路面平順性仿真分析

觀光車行駛過(guò)程中會(huì)遇到各式各樣的障礙物，如減速帶等。所遇障礙物使整車振動(dòng)輸入瞬間增大，這一振動(dòng)輸入急速增大的過(guò)程稱為脈沖輸入。脈沖輸入使得觀光車振動(dòng)加劇，影響乘車舒適性。因此對(duì)電動(dòng)觀光車進(jìn)行脈沖輸入路面的平順性仿真分析是極其必要的。

脈沖輸入仿真分析過(guò)程中，采用脈沖激勵(lì)來(lái)模擬路面減速帶。按照三角凸塊規(guī)格和所測(cè)量的減速帶的矩形凸塊的尺寸，對(duì)ADAMS 中的路譜文件進(jìn)行參數(shù)修改。最終確定凸塊高40mm，寬400mm，斜坡長(zhǎng)15mm，凸塊模型橫置，如圖4 所示。

圖4 矩形凸塊路面

設(shè)定五座電動(dòng)觀光車為滿載狀態(tài)，車輛以10、20、30、40、50km/h 的速度行駛過(guò)矩形凸塊路面，仿真計(jì)算所得車輛垂向振動(dòng)加速度時(shí)域曲線，如圖5～9 所示。

圖5 10km/h 駛過(guò)矩形凸塊的加速度時(shí)域曲線

圖6 20km/h 駛過(guò)矩形凸塊的加速度時(shí)域曲線

圖8 40km/h 駛過(guò)矩形凸塊的加速度時(shí)域曲線

圖9 50km/h 駛過(guò)矩形凸塊的加速度時(shí)域曲線

按照GB 9502-86 規(guī)定，電動(dòng)觀光車分別以10、20、30、40、50km/h 的車速進(jìn)行仿真，其車輛最大振動(dòng)加速度如表5所示。

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依據(jù)ISO5631 草案提出的新指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中的矩形凸塊脈沖輸入對(duì)觀光車平順性試驗(yàn)研究有以下指示。當(dāng)觀光車車座表面?zhèn)鬟f給乘員的最大加速度響應(yīng)絕對(duì)值A(chǔ)CCmax ＞43.02m/s2時(shí)，將危害乘員健康；當(dāng)ACCmax＜31.44m/s2時(shí)，對(duì)乘員健康無(wú)害；當(dāng)ACCmax 在31.44m/s2與43.02m/s2之間時(shí)對(duì)乘員健康有一定的影響。并根據(jù)表5 顯示的結(jié)果以及針對(duì)脈沖平順性仿真評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，該五座電動(dòng)觀光車以當(dāng)前仿真速度行駛在矩形凸塊脈沖路面上對(duì)乘員健康不產(chǎn)生相關(guān)威脅。

3 結(jié)論

（1）基于ADAMS/View 模塊建立五座電動(dòng)觀光車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)該仿真模型進(jìn)行隨機(jī)輸入和脈沖輸入的平順性分析，仿真分析結(jié)果說(shuō)明了電動(dòng)觀光車具備較好的平順性。可為后續(xù)電動(dòng)觀光車優(yōu)化提供理論參考。

（2）在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮采用優(yōu)化方法對(duì)懸架剛度及阻尼參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使該型號(hào)的電動(dòng)觀光車得到更優(yōu)秀的平順性能。

（3）以實(shí)際車輛參數(shù)在ADAMS/View 模塊中建立的電動(dòng)車動(dòng)力學(xué)模型，更貼合實(shí)際車輛行駛平順性的情況，能夠在一定程度上降低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，為該類型電動(dòng)觀光車企業(yè)在研究和改進(jìn)產(chǎn)品過(guò)程中提供一定的技術(shù)支持。