某型貨車平順性虛擬實驗

喬苗苗 李旭川 肖星星

摘 要：通過對某貨車整車參數(shù)的詳細(xì)分析及基于虛擬樣機(jī)技術(shù)和多體系統(tǒng)動力學(xué)理論創(chuàng)建的貨車前后懸架、轉(zhuǎn)向系、車身等子系統(tǒng)，建立了整車模型和四立柱試驗臺，并且基于專業(yè)軟件ADAMS/CAR和MATLAB進(jìn)行了平順性仿真和分析。文章通過構(gòu)建某型貨車平順性虛擬實驗，可以預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品性能。這對啟迪設(shè)計創(chuàng)新、提高設(shè)計質(zhì)量、加快產(chǎn)品開發(fā)周期有重要意義。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù);貨車;平順性;整車模型;四立柱試驗臺

中圖分類號：U462.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-166-04

Abstract： through the detailed analysis of the complete vehicle parameters of a freight Car and the subsystem of the rear suspension， steering system and body of the freight Car based on the virtual prototype technology and multi-body system dynamics theory， the vehicle model and four-column test bed were established， and the ride comfort was simulated and analyzed based on the professional software Adams/Car and Matlab. In this paper， by constructing a virtual experiment of ride comfort of a certain type of freight car， the overall performance of the product can be predicted， and then the product design and performance can be improved. It is of great significance to enlighten design innovation， improve design quality and accelerate product development cycle.

Keywords： Virtual prototype technology; Truck; Comfort; Vehicle model; Four-column test bed

前言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，對駕駛過程中汽車產(chǎn)生的振動和沖擊的大小和范圍的要求越來越高。但是由于貨車需要裝載貨物，貨車的平順性研究除了需要考慮駕駛員及乘客的舒適性外，還需要考慮貨車在行駛過程中裝載貨物的完好程度。

對于平順性的評價方法，一直在向不斷探索及完善的方面發(fā)展。1985年5月由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)布的ISO 2631-1-1985《人體處于全身震動評估》分為三個部分對人體的振動的一般要求及人體所處于的Z軸垂直方向的頻率范圍進(jìn)行了全身性的安全評估。經(jīng)過十年多的修訂及完善，在1997年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)布了ISO2631-1：1997（E）《人體處于全身振動的評價》，適用于通過支承面?zhèn)鬟f到人體的振動。在此標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了人體坐姿受振模型，將人體接收振動時的接觸面劃分為3個點，一共12個方向的振動。對隨機(jī)性、周期性及瞬態(tài)振動時的全身振動的測量方法進(jìn)行了規(guī)定，并且提供了振動對健康，對身體可能產(chǎn)生的影響[1]。我國對平順性研究的起步比較晚，主要在國外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行更加深入的研究。1996年，我國基于1985年發(fā)布的《人體處于全身震動評估》頒布了GB/T 4970-1996《汽車平順性隨機(jī)輸人行駛試驗方法》。隨后在2009年，經(jīng)過我國汽車國情及地理環(huán)境的不同，對原先頒布的國標(biāo)進(jìn)行理論和實踐上的優(yōu)化，發(fā)布了符合我國國情的GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，它規(guī)定了數(shù)據(jù)的采集及采用加權(quán)加速度均方根值作為平順性實驗的評價指標(biāo)。

汽車的平順性受汽車本身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響和路面隨機(jī)輸入的影響。在汽車這個由多質(zhì)量共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)中，對汽車進(jìn)行簡化。影響汽車平順性的本身系統(tǒng)因素主要包括汽車的前后懸架、懸架阻尼、非懸掛質(zhì)量、軸距輪距等。通過多體系統(tǒng)動力學(xué)理論并結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)建立影響汽車整車模型，可以對汽車的平順性進(jìn)行系統(tǒng)的仿真分析。

1 整車模型關(guān)鍵參數(shù)

1.1 幾何定位參數(shù)

懸架系統(tǒng)作為車輛最基本的組成的部分之一，在緩和汽車在行駛過程中由于路面不平度產(chǎn)生的振動和沖擊時有不可替代的作用，保證汽車能夠平順行駛。懸架的幾何定位參數(shù)和整車的部分幾何參數(shù)是建模所需的幾何定位參數(shù)。本文中某貨車的前懸架為麥弗遜懸架，前懸架系統(tǒng)的幾何定位參數(shù)是彈簧，減振器，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及與其配合的部件之間的連接點和運動副的參數(shù)。各彈簧，減振器，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)總成可以通過此貨車的設(shè)計圖紙查看，同時可以測量各運動副及連接點的配合位置，幾何參數(shù)。

通過確定麥弗遜前懸架的幾何參數(shù)，對參數(shù)進(jìn)行分析。將CAD軟件中建立的三維實體模型導(dǎo)入ADMAS軟件中，使ADAMS軟件中的模型坐標(biāo)系與CAD軟件中三維實體模型的坐標(biāo)系保持一致。在ADMAS軟件中選擇“Template Builder”模式，完成懸架系統(tǒng)的創(chuàng)建。圖1為ADAMS/CAR模型中前懸架系統(tǒng)的硬點坐標(biāo)。

1.2 質(zhì)量特性參數(shù)

在汽車振動的過程中，系統(tǒng)本身所具有的質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量對汽車的平順性有重要的影響。在分析研究汽車平順性的建模關(guān)鍵參數(shù)時，整車以及懸架等各部件的質(zhì)量，質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量特性參數(shù)共同決定著汽車在路面行駛時的所產(chǎn)生的振動和沖擊的大小。

本文通過將目標(biāo)車型貨車的質(zhì)量特性參數(shù)通過在CAD軟件中整車以及懸架各部件的質(zhì)量，質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量的三維實體模型，將三維實體模型通過接口導(dǎo)入ADAMS/CAR中。此貨車各零件的質(zhì)量特性參數(shù)如下表2所示。

1.3 力學(xué)特性參數(shù)

力學(xué)特性參數(shù)主要是指汽車的系統(tǒng)或零部件的的剛度，阻尼等參數(shù)。本文中前懸架使用的是麥弗遜懸架，它的力學(xué)特性參數(shù)主要包括具有緩沖減振功能的部件，如螺旋彈簧、橡膠元件的彈性特性以及阻尼特性。同樣，考慮到汽車在行駛過程中實際的運動和受力，除了彈簧的彈性特性以及減振器的阻尼特性外，還考慮了減振器的襯套剛度，緩沖塊的剛度特性。減震器特性曲線、彈簧特性曲線、減振器上支撐點處襯套剛度曲線、控制臂與副車架連接處襯套剛度曲線、副車架與車身連接處襯套剛度曲線、上緩沖塊特性曲線分別如圖1-6所示。

1.4 其它關(guān)鍵參數(shù)

在進(jìn)行整車整車動力學(xué)仿真時需要按照企業(yè)提供的數(shù)模以及查閱資料確定其他重要的汽車參數(shù)，如汽車滿載質(zhì)量、空載質(zhì)量、后橋滿載質(zhì)量、后橋空載質(zhì)量、車輪滾動半徑、額定工作壓力、后額定制動力矩、最高時速、前輪距、后輪距、軸距等，在進(jìn)行相關(guān)模擬仿真時必須考慮這些因素。后懸架鋼板彈簧參數(shù)包括板簧線剛度、鋼板彈簧長度、滿載靜止弧高、動撓度、彈簧片數(shù)、斷面寬度與高度等，這些參數(shù)都從該車輛生產(chǎn)企業(yè)白日做夢的數(shù)據(jù)中查找。

2 整車模型的構(gòu)建

由于汽車是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在 Adams/Car環(huán)境下建立汽車的整車模型時需要對汽車系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的簡化。在本文中，汽車的簡化部分包括：各運動副間的摩擦力忽略不計;除了輪胎，彈簧，減振器，橡膠元件，汽車的其他部分元件當(dāng)作是剛體，不考慮它們的變形;忽略發(fā)動機(jī)及傳動系產(chǎn)生的振動對汽車平順性產(chǎn)生的影響。整車模型的構(gòu)建包括后懸架建模、麥弗遜懸架的建立及其它子系統(tǒng)的建立。

在ADAMS軟件中創(chuàng)建子系統(tǒng)，并根據(jù)表1所提供的硬點坐標(biāo)在ADAMS軟件中創(chuàng)建硬點及新建鋼板彈簧子菜單。修改鋼板彈簧屬性，在General選項卡中，修改鋼板片數(shù)為4、彈簧夾數(shù)為0、默認(rèn)片與片摩擦系數(shù)為0.0、影響指數(shù)設(shè)置為2.1、影響距離為0.0。在Leaves選項卡中，Auxiliary Leaf Flag均設(shè)置為No，鋼板前端長度分別為650、525、405，317.5。后端長度分別為785、635、480、342。彈性模量設(shè)置為2.00E5，其他參數(shù)設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)值。全部設(shè)置完畢后生成后懸架，保存鋼板彈簧模型為tpl文件。

懸架的建立包括創(chuàng)建各部件、創(chuàng)建通訊器及創(chuàng)建麥弗遜懸架上的鏈接副。動car模塊，進(jìn)入模板編輯器模式，建立懸架子系統(tǒng)模板后，分別創(chuàng)建下前控制臂的三個硬點，在新建窗口輸入硬點名稱和硬點坐標(biāo)，依次按照上面方法建立創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、驅(qū)動軸等部件。創(chuàng)建麥弗遜懸架上的鏈接副包括創(chuàng)建副車架和控制臂之間的回轉(zhuǎn)副，減震器上端的十字萬向節(jié)，轉(zhuǎn)向節(jié)處的回轉(zhuǎn)副和球副，依次在CARSIM相應(yīng)模塊中新建這些部件。

此外 Adams/Car還應(yīng)包含一個測試臺。在開環(huán)、閉環(huán)和準(zhǔn)靜態(tài)分析中必須選擇：MDI_SDI_TESTRIG。根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)模以及查閱資料確定此次整車動力學(xué)模型所包含的子系統(tǒng)包括前懸架子系統(tǒng)，后懸架子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)，前輪子系統(tǒng)，后輪子系統(tǒng)，車身子系統(tǒng)，制動系子系統(tǒng)，傳動系子系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)。創(chuàng)建的貨車動力學(xué)模型如圖7所示。

3 基于四立柱試驗臺的整車平順性仿真分析

3.1 正弦輸入平順性仿真分析

與其他整車試驗不同，平順性試驗需要在四立柱試驗臺上完成。因此需要在原整車模型的基礎(chǔ)上搭建試驗臺。進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)用戶界面打開之前建立好的整車總成模型，獲得四立柱試驗臺整車模型。

設(shè)置仿真參數(shù)，選中已打開的四立柱試驗臺，設(shè)置模擬時間為10秒，仿真步數(shù)設(shè)置為50，輸入信號為正弦位移輸入，頻率為0Hz～20Hz（汽車固有頻率大致為5～6Hz）。波峰值調(diào)整為50mm，四車輪同步輸入，然后開始仿真實驗。

根據(jù)國標(biāo)GB/T 4970-2009規(guī)定，在脈沖輸入行駛的情況下，當(dāng)振動波形峰系數(shù)小于9時，脈沖輸入行駛主要通過座椅最大（絕對值）加速度響應(yīng)和車速v的關(guān)系評價，在此具體公式省略。因此，只需求出車身加速度az的時間歷程，得到它的峰值大小即可。正弦輸入下汽車垂直加速度時域圖如下圖8所示。

3.2 隨機(jī)路面輸入下的整車平順性仿真分析

本次隨機(jī)路面輸入下的整車平順性仿真先用的是長度為1000m的水泥混凝土路面，路面的類型包括光滑瀝青路面，粗糙瀝青路面，光滑水泥混泥土路面，水泥混泥土路面，粗糙水泥混泥土路面總共5大類。設(shè)置白噪聲空間功率譜密度，在MATLAB軟件中生成隨機(jī)路面。

設(shè)置道路輪廓，左右輪輸入均為Road.rsp，分別在40Km/ h、80Km/h和120Km/h下運行仿真，得到仿真結(jié)果。如下圖9所示為40Km/h、80Km/h和120Km/h三種不同速度下的加速度時間歷程。

同時，根據(jù)GB/T 4970-2006規(guī)定，需要求得車身垂直加速度時間歷程進(jìn)行頻譜分析得到加權(quán)加速度均方根值進(jìn)行平順性分析。如下表3所示為40Km/h、80Km/h和120Km/h三種不同速度下的加速度的時間歷程及不同速度下計算的加權(quán)加速度均方根值。

根據(jù)GB/T 4970-2009的評價方法，在三個不同車速下汽車的加權(quán)加速度均小于表1.2中的0.315，僅為0.05左右，人體在這樣的加速度下感覺良好。即人體主觀感覺為沒有不舒適，則該汽車在混凝土路面上以40～120km/h車速行駛時平順性良好，符合測試前估計。

4 總結(jié)

本文利用虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)在Adams/Car中分別建立目標(biāo)汽車后懸、轉(zhuǎn)向系、車身、動力系等子系統(tǒng)，然后完成搭建貨車四立柱試驗平臺。按照最新國標(biāo)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》分別在正弦輸入和隨機(jī)不平路面輸入的情況下分析汽車車身的三個方向即xs、ys、zs的加速的時間歷程，使用Matlab處理數(shù)據(jù)得到垂直方向加權(quán)加速度頻譜分析圖并求得加權(quán)加速度均方根值，根據(jù)客觀評價標(biāo)準(zhǔn)評價該貨車平順性。通過本文可得此貨車在混凝土路面上以40～120km/h車速行駛時平順性良好。

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