基于ADAMS的汽車脈沖路面仿真

宋年秀，劉亞光,張麗霞

(青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266033)

0 引言

汽車在道路上行駛時難免會遇到諸如減速帶、凹坑、凸塊等各種不平工況，當(dāng)汽車通過這些障礙時，輪胎傳至駕駛員座椅處的振動加速度會發(fā)生較大的波動。為了將這種行駛工況考慮在內(nèi)，通常情況下采用長為400 mm的三角形單凸塊[1]。根據(jù)試驗(yàn)條件不同，脈沖輸入可用相應(yīng)高度的凸塊或減速帶，而并未對為何使用三角形凸塊或是減速帶進(jìn)行闡述。

針對國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4970-2009[2]所提出的對路面脈沖激勵的評價方法進(jìn)行仿真分析。首先基于ADAMS/Car，利用某普及型轎車的相關(guān)參數(shù)，建立包括懸架、車身、輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在內(nèi)的整車系統(tǒng)，對各車速下的包括：矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶在內(nèi)的6種脈沖輸入進(jìn)行平順性仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得到更適宜作為脈沖輸入的脈沖輪廓類型。最后，在脈沖路面的仿真過程中，將隨機(jī)路面考慮在內(nèi)，使平順性仿真更加符合實(shí)際工況。

1 整車模型的建立

通過對該轎車的測量以及對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行查詢，得到了整車的主要參數(shù)，如表1所示。

在ADAMS/Car中，根據(jù)得到的相關(guān)參數(shù)建立各個子系統(tǒng)的模型，最后將其組裝成整車模型并進(jìn)行平順性分析。本文作者選用轎車的前后懸架分別為雙橫臂獨(dú)立懸架以及多連桿懸架，對其進(jìn)行建模得到如圖1和圖2所示的懸架模型，最終對各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配得到如圖3所示的轎車整車模型。

表1 整車主要參數(shù)

圖1 雙橫臂獨(dú)立懸架 圖2 多連桿懸架 圖3 整車模型

2 脈沖輸入仿真

2.1 脈沖輸入的建立

利用ADAMS/Car對汽車通過脈沖路面的振動進(jìn)行分析時，可以使用插件Road Builder對脈沖路面進(jìn)行3D建模，也可以使用后綴名為.rdf的TeimOrbit格式路面文件進(jìn)行2D或3D路面的創(chuàng)建。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4970-2009規(guī)定：對于平順性分析過程中的脈沖輸入，應(yīng)采用如圖4所示的長為400 mm的三角形單凸塊。根據(jù)試驗(yàn)條件不同，脈沖輸入可用相應(yīng)高度的凸塊或減速帶。

圖4 三角形單凸塊

各模型路面文件參數(shù)如圖5所示。

圖5 各模型路面文件參數(shù)

考慮到路面脈沖輸入的隨機(jī)多樣性，本文作者在對脈沖輸入建模的時候建立了包括:三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶、正弦波在內(nèi)的6種隨機(jī)輸入路面2D模型。為了增加6種隨機(jī)脈沖路面的對比性，設(shè)置其高度均為60 mm；長度滿足國標(biāo)規(guī)定，為400 mm。所建立的各模型路面文件的參數(shù)子數(shù)據(jù)塊如圖5所示。

2.2 60 km/h車速下脈沖路面整車平順性仿真

在ADAMS/Car中，可以通過dcf文件來定義仿真汽車的行駛速度[3]。通過修改dcf文件，使汽車以60 km/h的車速分別通過三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶以及正弦波脈沖路面，得到如圖6—圖11所示的整車底盤質(zhì)心處垂直方向振動的加速度響應(yīng)曲線。

圖6 三角形單凸塊加速度響應(yīng)曲線

圖7 矩形凸塊加速度響應(yīng)曲線

圖8 斜角凸塊加速度響應(yīng)曲線

圖9 凹坑加速度響應(yīng)曲線

圖10 減速帶加速度響應(yīng)曲線

圖11 正弦波加速度響應(yīng)曲線

從圖6—圖11的結(jié)果可以看出：

(1)路面脈沖激勵為三角單凸塊和凹坑時，汽車底盤質(zhì)心處垂直方向振動的加速度可以在較短的時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其他4種脈沖路面均用時較長。

(2)汽車在三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶以及正弦波脈沖輸入時，其振動峰值分別為5.196、6.931、5.967、4.759、6.903、4.105 m/s2。

(3)汽車在三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶以及正弦波脈沖激勵輸入的工況下，達(dá)到振動峰值的時間分別為2.43、2.43、2.43、2.43、2.43、2.58 s。

可以得出結(jié)論：汽車在60 km/h的車速下進(jìn)行脈沖路面平順性分析時，矩形凸塊和減速帶凸塊脈沖工況下的振動峰值較大，更適合作為汽車在60 km/h車速下的脈沖路面響應(yīng)。因此在分析時，宜采用矩形凸塊和減速帶凸塊進(jìn)行分析。

2.3 其余車速下脈沖路面平順性仿真

將車速分別設(shè)置為30、40、50、60、70、80、90 km/h，在各車速下分別進(jìn)行各脈沖輸入的平順性仿真試驗(yàn)[4]，根據(jù)其振動峰值得表2所示的仿真結(jié)果。

由表2可知：

(1)在各車速下仿真車輛的脈沖輸入的響應(yīng)中，汽車以60 km/h的車速下通過矩形凸塊時的振動響應(yīng)為6.931 m/s2，為最大。

(2)在相同車速下仿真車輛通過各脈沖輸入的響應(yīng)中：當(dāng)車速為30 km/h時，正弦波振動響應(yīng)最大；當(dāng)車速為40 km/h時，凹坑振動響應(yīng)最大；當(dāng)車速為50～90 km/h時，矩形凸塊振動響應(yīng)最大。

表2 各車速下振動加速度峰值

結(jié)合第2.2節(jié)中所得結(jié)論，可以看出：在同一高度以及長度的脈沖輸入中，汽車以同一車速駛過矩形凸塊以及減速帶時汽車底盤質(zhì)心處垂直方向振動的加速度比駛過三角單凸塊、斜角凸塊、凹坑以及正弦波的要大，因而在對汽車進(jìn)行脈沖輸入的仿真分析時，脈沖輸入宜選擇矩形凸塊以及減速帶。結(jié)合國標(biāo)GB/T 4970-2009“采用長為400 mm的三角形單凸塊。根據(jù)試驗(yàn)條件不同，脈沖輸入可用相應(yīng)高度的凸塊或減速帶”，在對汽車脈沖輸入進(jìn)行平順性仿真時，應(yīng)采用長為400 mm的矩形凸塊或減速帶。

3 脈沖路面平順性分析

對汽車脈沖路面平順性進(jìn)行分析時，按照國標(biāo)GB/T 4970-2009的規(guī)定，要求汽車在行駛時通過某一障礙時汽車在垂直方向上產(chǎn)生的振動加速度，且規(guī)定中默認(rèn)脈沖輸入的起始位置以及終止位置均處于光滑路面。而在實(shí)際生活中，汽車在脈沖工況下路面輸入應(yīng)該為隨機(jī)路面以及脈沖路面振動響應(yīng)的疊加，而不是單純的脈沖路面，因而在對脈沖路面進(jìn)行平順性分析時，應(yīng)同時對隨機(jī)路面進(jìn)行分析。

3.1 隨機(jī)路面輸入的仿真

在ADAMS/Car中，利用路面建模器以及事件構(gòu)造器分別建立瀝青路面以及60 km/h的勻速直線行駛車速，對汽車進(jìn)行平順性仿真，得到圖12所示的汽車底盤質(zhì)心處垂直方向振動的加速度曲線[5]。

圖12 瀝青路面加速度響應(yīng)曲線

由圖12，汽車在隨機(jī)路面行駛時，底盤質(zhì)心處垂直方向振動的加速度上下波動較大，考慮到對汽車平順性的影響，取其峰值，即3.55 m/s2。

3.2 脈沖路面平順性分析

由于脈沖輸入具有隨機(jī)性，無法確定脈沖輸入的具體位置，因而將隨機(jī)路面以及脈沖路面結(jié)合到一起時無法單純地對圖像進(jìn)行疊加。但考慮到懸架阻尼非線性的特征，在將兩者結(jié)合時，汽車底盤質(zhì)心處垂直方向振動加速度峰值小于兩者峰值之和，故取隨機(jī)路面以及脈沖路面加速度振動峰值之和作為最終結(jié)果。取矩形凸塊作為脈沖輸入，最后得到的脈沖路面汽車底盤質(zhì)心處垂直方向振動加速度為60 km/h下的脈沖輸入振動響應(yīng)以及隨機(jī)路面輸入振動響應(yīng)之和，即為10.48 m/s2。

ISO5631規(guī)定了汽車座椅垂直方向最大加速度值對人體健康的影響，當(dāng)座椅垂直方向加速度超過31.44 m/s2時對乘員有一定的危害；當(dāng)加速度超過43.02 m/s2時，會嚴(yán)重危害乘員身體健康。而文中，脈沖路面平順性仿真最終得到的結(jié)果為10.48 m/s2，遠(yuǎn)低于31.44 m/s2的加速度值。

4 結(jié)論

(1)利用ADAMS軟件對汽車進(jìn)行多種脈沖輸入下的平順性仿真，對比各脈沖輸入下的平順性數(shù)據(jù)結(jié)果可知，選擇矩形凸塊、減速帶類型的脈沖輸入能夠較好地評價汽車的平順性。

(2)在分析脈沖路面平順性時，將隨機(jī)輸入與脈沖輸入同時考慮在內(nèi)，并將二者的加速度振動峰值之和作為最終結(jié)果可以對脈沖路面平順性進(jìn)行評價。