郜慧超，　顧夢引，　王麗榮

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400)

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基于ADAMS的某重型載貨汽車的平順性仿真研究

郜慧超1，顧夢引1，王麗榮2

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400)

基于多體動力學軟件ADAMS,建立了包括前后懸架、輪胎、車架、駕駛室、動力系統(tǒng)等總成的重型載貨汽車的整車模型，對整車模型進行了隨機路面的虛擬平順性仿真測試，并對試驗樣車進行了道路試驗.將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，研究結(jié)果表明：整車模型仿真數(shù)據(jù)比較準確，所建立的整車多體動力學模型可以用于實際車輛的平順性仿真分析.

ADAMS；整車模型；平順性仿真；道路試驗

路面不平度和行駛車速形成了對載貨汽車振動系統(tǒng)的輸入激勵，此輸入激勵經(jīng)過輪胎、懸架、車架、駕駛室懸置等彈性、阻尼元件，以及懸掛、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成的振動系統(tǒng)的傳遞，得到振動系統(tǒng)的“輸出”是懸掛質(zhì)量或進一步經(jīng)座椅傳至人體的加速度，此加速度通過人體對振動的反應—舒適性來評價汽車的平順性.機械振動對人體的影響，取決于振動的頻率、強度、作用方向和持續(xù)時間.目前，關于載貨汽車平順性評價的大多數(shù)研究文獻主要依據(jù)國際標準ISO2631，且以駕駛室座椅處振動加速度為主要評價統(tǒng)計量[1-4].

文中利用ADAMS/Car模塊建立某載貨汽車整車多體動力學模型，進行常用行駛工況相關仿真分析運算，并與實驗測試結(jié)果進行對比.

1　ADAMS建?；A

1.1笛卡爾廣義坐標

ADAMS采用6個笛卡爾廣義坐標描述一個剛體的位形，利用其質(zhì)心的3個直接坐標x、y、z確定位置，并用連體基的3個歐拉角ψ、θ和φ來確定方位，這6個量稱為笛卡爾廣義坐標，它們可以完全描述系統(tǒng)內(nèi)各個剛體的位形[5,7].

1.2系統(tǒng)運動方程

(1)

完整約束方程時：f(q,t)=0；

1.3系統(tǒng)動力學方程

對于有N個自由度的力學系統(tǒng)，確定N個廣義速率以后，即可計算出系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點及各剛體相應的速度及角速度，以及相應的N個廣義主動力及廣義慣性力.令每個廣義速率所對應的廣義主動力與廣義慣性力之和為零，所得到的N個標量方程即稱為系統(tǒng)的動力學方程，也稱凱恩方程為：

F(r)+F*(r)=0(r=1,2…,N).

(2)

寫成矩陣形式為：

F+F*=0，

(3)

式中:F和F*與為N階列陣.

定義：F=[F(1)…F(N)]T,F*=[F*(1)…F*(N)]T，

則系統(tǒng)運動方程可化為動力學方程為：

(4)

(5)

φ(q,t)=0

(6)

式中:u為廣義速度列陣；λ為約束反力及作用力列陣；G為描述廣義速度的代數(shù)方程列陣；φ為描述約束的代數(shù)方程列陣.

2　整車多體動力學模型的建立

根據(jù)某重型載貨汽車公司提供的整車參數(shù)，利用ADAMS/Car模塊建立包括前后懸架、車架、駕駛室、前后板簧、轉(zhuǎn)向系以及動力系等總成模板，并組成整體模型.

整車主要性能參數(shù)如表1.

表1　4257SNFKB-ADZ002牽引車主要參數(shù)

2.1前、后懸架模型

懸架是車架或承載式車身與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱.它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架上，以保證汽車的正常行駛.

前懸架主要由前橋、前板簧及前減震器構(gòu)成.后懸架是等臂式平衡懸架，它主要由中橋、后橋、推拉桿及后板簧構(gòu)成.整車模型建模過程中的一大難點就是板簧模型的創(chuàng)建.鋼板彈簧也稱片簧，一般是由很多曲率半徑不同、長度不等、寬度一樣、厚度相等或不等的彈簧鋼板所疊成，在整體剛度上近似等強度的彈性梁.彈簧的中部通過U形螺栓(騎馬螺栓)和壓板與車橋剛性固定，其兩端用銷子鉸接在車架的支架和吊耳上[6].板簧模型的創(chuàng)建有多種方法，本文采用離散梁法創(chuàng)建前后板簧.其主要思想就是把每片鋼板彈簧離散化，每一小塊均視為一個剛體，但塊與塊連接處用BEAM梁來連接，BEAM梁的剛度、阻尼矩陣由ADAMS軟件根據(jù)鋼板彈簧的截面形狀及材質(zhì)自動計算得出.對于各片鋼板彈簧之間的接觸，可以利用ADAMS軟件提供的接觸力來定義.這種方法需要各片鋼板彈簧的幾何形狀來確定無質(zhì)量梁的參數(shù)，如截面積、慣性矩、阻尼比等.另外，研究采用少片板簧模擬多片板簧，這樣可以有效降低整個虛擬汽車的自由度，減少計算量.

本論文中板簧建模參數(shù)：前板簧夾緊剛度393 N/mm,厚度20 mm,寬度90 mm，作用長度1 350 mm；后板簧夾緊剛度2 376 N/mm，厚度30 mm,寬度90 mm，作用長度1 350 mm.建立的前懸架和后懸架模型分別如圖1和圖2.

圖1　前懸架總成

圖2　后懸架總成

2.2輪胎

對于車輛仿真模型來說，輪胎模型是較為重要的部分之一.由于構(gòu)成輪胎的材料有橡膠、簾布層等合成材料，所以輪胎具有高度非線性、可壓縮性、各向異性和粘彈性，導致其物理模型的建立也較為復雜和特殊[7].ADAMS中的輪胎模型主要有MF-tyre、PAC系列、Fiala、UA、SWIFT、MF-MC等.研究采用Fiala輪胎模型，前后輪胎均是12R22.5子午線型輪胎，斷面寬度304.8 mm，輪輞直徑571.5 mm，輪胎靜半徑504 mm，自由半徑542 mm，滾動半徑526 mm.

2.3駕駛室總成

駕駛室的振動是影響整車動態(tài)特性與駕駛舒適性的一個重要指標.載貨汽車整車的舒適性主要是針對駕駛室而言的.駕駛室懸置為全浮四氣囊懸置，其中減振器建模參數(shù)：活塞速度為0.03 m/s時，復原阻力為212±69 N，壓縮阻力為177±68 N；活塞速度為0.131 m/s時，復原阻力為772±148 N，壓縮阻力為643±142 N；活塞速度為0.262 m/s時，復原阻力為1 286±220 N，壓縮阻力為1 029±204 N；活塞速度為0.393 m/s時，復原阻力為1 542±255 N，壓縮阻力為1 157±225 N.空氣彈簧靜剛度為94 N/mm，動剛度為130 N/mm.

駕駛室座椅懸置用ADAMS中橡膠襯套代替.橡膠襯套連接兩個部件，定義六個自由度(3個軸向，3個旋轉(zhuǎn)方向)的連接狀態(tài).橡膠襯套通過軟件屬性文件可定義其3個方向的線剛度、阻尼和3個旋轉(zhuǎn)方向的扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼，可以隨襯套的形變量呈線性變化或呈非線性變化.駕駛室總成如圖3所示.

圖3　駕駛室總成

2.4車架

把CATIA軟件建立的車架結(jié)構(gòu)3D模型導入到ADMAS軟件中，得到如圖4所示的車架模型.

圖4　車架總成

2.53D隨機路面的生成

通過道路實車測試得出的車架與車橋之間的相對位移數(shù)據(jù)，可以求出表征路面不平度的功率譜密度Gq(n)，其擬合表達式為

(7)

式中：n為空間頻率(m-1)，它是波長λ的倒數(shù)；n0為參考空間頻率，n0=0.1 m-1；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，單位為m2/m-1=m3.

根據(jù)車速u，將空間頻率功率譜密度Gq(n)換算為時間頻率功率譜密度Gq(f)，也稱為位移功率譜密度，如下式：

(8)

(9)

(10)

至此完成了基于ADAMS的整車模型的創(chuàng)建，整車模型如圖5所示.如果隱去了路面和貨箱，則整車模型可如圖6所示.再利用ADAMS中的Model Verity功能來驗證模型的準確性，確保整車模型中沒有過度約束.經(jīng)驗證，所建模型共有1 253個自由度、270個運動部件，模型不存在過度約束，因此，可以利用此模型進行平順性仿真計算.

圖5　整車模型

圖6　隱去路面和貨箱的整車模型

3　仿真計算結(jié)果與道路試驗結(jié)果

在載貨汽車運輸過程中，使用最多的工況是汽車在接近平穩(wěn)隨機路面上的行駛.對整車多體動力學模型的隨機輸入平順性在空載、帶掛的情況下進行仿真分析，設定車速分別為40、50、60、70和80 km/h，隨機路面為根據(jù)實際道路試驗采集數(shù)據(jù)為依據(jù)生成的3D隨機路面，測點位置位于駕駛室地板和座椅，測試內(nèi)容為駕駛室地板及座椅的垂直加權加速度均方根值.在ADAMS/Car模塊中設置好仿真時間和仿真步長等參數(shù)使模型保持勻速行駛.利用ADAMS中的后處理模塊Postprocesser分析處理仿真數(shù)據(jù)，得出駕駛室地板和座椅處在不同車速下的垂直加速度時域波形，如圖7所示，從上至下車速從40到80 km/h依次遞增。

圖7　虛擬仿真駕駛室地板和座椅在不同車速下垂直加速度信號

為了驗證多體動力學仿真結(jié)果，對模型樣車在實際道路的長直路跑道上進行了平順性試驗.試驗所用儀器包括SD1940座椅三軸向傳感器、BZ1113振動加速度傳感器、BZ2105電荷電壓濾波積分放大器、DASP信號采集與智能分析系統(tǒng)及筆記本電腦等.

駕駛員處地板和座椅垂直加權加速度仿真結(jié)果與實際道路試驗結(jié)果對比，如下表2所示.

表2　牽引車駕駛員處地板、座椅垂直加權加速度均方根值　m/s2

從表2的比較結(jié)果來看，虛擬仿真結(jié)果與實際道路試驗結(jié)果比較接近，兩者最大誤差在13%以內(nèi).在駕駛室地板處仿真與試驗結(jié)果差距較小，而在座椅處仿真與試驗結(jié)果差距較大，這可能是由仿真時采用襯套來模擬座椅懸置產(chǎn)生的誤差造成的.仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比顯示仿真結(jié)果在50 km/h車速處存在轉(zhuǎn)折點而試驗結(jié)果卻沒有這種現(xiàn)象，可能是由于在創(chuàng)建整車模型時仍然存在誤差，使得整車模型的固有頻率降低了,此車速下可能存在前橋底盤懸架共振.其結(jié)果表明整車模型的創(chuàng)建是成功的，完全可以用于實際試驗結(jié)果驗證評估、計算.

4　結(jié)　論

1) 研究采用ADAMS/Car建立了某載貨汽車多體動力學模型，該模型共有1 253個自由度、270個運動部件.經(jīng)過與實車道路平順性試驗結(jié)果對比，該模型的平順性仿真結(jié)果的誤差最大只有13%.

2)模型的平順性仿真結(jié)果表明，在駕駛室地板處仿真與試驗結(jié)果差距較小，而在座椅處仿真與試驗結(jié)果差距較大，這可能是由仿真時采用襯套來模擬座椅懸置產(chǎn)生的誤差造成的.不同車速對駕駛員處地板和座椅的振動加速度影響比較顯著，車速越大，駕駛員處地板和座椅的振動加速度越大，且在50 km/h車速處存在轉(zhuǎn)折點，說明在創(chuàng)建整車模型時仍然存在較大誤差，使得整車模型的固有頻率降低了，該汽車在此車速下可能存在前橋底盤懸架共振，需要調(diào)整懸架偏頻，以改進整車行駛平順性.

[1]阮紅軍.重型載貨汽車整車平順性評價與試驗研究[D].北京：北京理工大學,2012.

[2]鞠成超.重型商用車行駛平順性分析與優(yōu)化[D].長沙：湖南大學,2009.

[3]劉亞彬.重型載貨汽車整車平順性分析與試驗研究[D].北京：北京理工大學,2007.

[4]陳士安,何仁,陸森林.汽車平順性評價體系[J].江蘇大學學報(自然科學版),2007,27(3):229-233

[5]陳峰華. ADAMS 2012 虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2013.

[6]秦東晨,潘筱,陳立平,等.汽車鋼板彈簧多體模型建立的一種方法[J].武漢理工大學學報,2009,29(5):111-114.

[7]陳軍.MSC ADAMS技術與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

Research on Ride Comfort of a Heavy Truck in ADAMS

GAO Hui-chao1,GU Meng-yin1,WANG Li-rong2

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Foton Daimler Automotive, Beijing 101400, China)

A model for a heavy truck is established in ADAMS, the multi-body dynamics software, including such assemblies as its front suspension, rear suspension, tires, frame, driving cab and its power system. The ride comfort of the model is simulated on the random road and the road test of a prototype vehicle is carried out. After comparing the simulation results with the test data, the conclusions show that the simulation data of the model is accurate, and the established model can be used in the simulation analysis for the ride comfort of an actual vehicle.

ADAMS；full vehicle model；ride comfort simulation；road test

1009-4687(2016)02-0006-05

2015-10-20

郜慧超(1988-),男,碩士.

U461.4

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