賈 云，郭愛軍

(神東煤炭集團(tuán)物資供應(yīng)中心，陜西 神木 719315)

0 引言

汽車在行駛過程中，其平順性就是要削弱行駛時所產(chǎn)生的振動和沖擊，把其對乘員舒適性的影響控制在一定范圍之內(nèi)，是現(xiàn)代車輛行駛性指標(biāo)的主要性能之一。

1 研究思路與方法

對汽車振動系統(tǒng)的“輸入”包括路面平整程度、車輛行駛速度，振動系統(tǒng)的傳遞通過輪胎、懸架、座椅等彈性元件、阻尼元件和簧上、簧下質(zhì)量組成；振動系統(tǒng)的“輸出”是傳至人體的加速度，人體對振動的反應(yīng)就是舒適性，舒適性是汽車行駛平順性的評價。這一過程表示為“路面—汽車—人”關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 “路面—汽車—人”關(guān)系圖

整車是一個動態(tài)元件，若外部環(huán)境對其施加激勵，則會對激勵產(chǎn)生振動響應(yīng)。那么車輛乘員座位處的振動的大小和方向則是振動響應(yīng)特性的具體反應(yīng)，也是乘員是否舒適的決定性因素。因此外部激勵來源、車輛的振動響應(yīng)、人體對振動的反應(yīng)和范圍是反映整車平順性的3個方面。路面平整度、車體上的激振是車輛的激勵源。車體上的激振主要來自車輪、動力傳動系統(tǒng)這些運動部件。但路面是汽車的激勵重要來源，分析汽車的平順性，必須對相應(yīng)路面進(jìn)行研究分析。

運用Adams/Car軟件建立運輸車仿真模型，包括車身、前懸、后懸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、車輪等部件，建立各部件之間的關(guān)聯(lián)，將整車實際參數(shù)代入，進(jìn)而建立整車Adams虛擬樣機(jī)，根據(jù)GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗方法》[1]，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車滿載平順性分析，路面設(shè)置為：隨機(jī)路面；滿載過坎；滿載過溝。

2 整車模型

2.1 整車主要參數(shù)

車輛結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)見表1，作為整車建模的參考。整車轉(zhuǎn)動慣量的估算參照式(1)。

表1 整車相關(guān)參數(shù)

(1)

式中：Ixx、Iyy、Izz—整車?yán)@質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；m1、m2—前、后軸載荷，kg；a、b—質(zhì)心距前、后軸距離，m；B—輪距，m；L—車輛長度，m。在滿載狀態(tài)下，運用上述公式計算出轉(zhuǎn)動慣量為：Ixx=6.094 3×109，Iyy=9.894 6×109，Izz=9.894 6×109。

2.2 懸架彈性參數(shù)計算

彈簧剛度的計算：車輛懸架與其簧上質(zhì)量構(gòu)成的振動系統(tǒng)的固有頻率(即偏頻)是影響汽車行駛平順性的主要參數(shù)之一[2-5]。本運輸車的前懸架為雙橫臂螺旋彈簧獨立懸架，后懸架為鋼板彈簧非獨立懸架。1～1.6 Hz是人體習(xí)慣的垂直振動頻率，接近人們在步行時，身體縱向運動的頻率。所以理想的懸架偏頻處于或接近這一頻率區(qū)間。懸架偏頻計算見式(2)。

(2)

式中：f1、f2—前、后懸架的偏頻，Hz；K1、K2—前、后懸架彈簧剛度，N/mm；m1、m2—前、后懸架的簧上質(zhì)量，kg。本項目所研究的車輛為礦用車輛，行駛工況復(fù)雜，可以近似為越野車。依據(jù)乘用汽車的偏頻設(shè)置范圍，前懸架偏頻設(shè)置為f1=1.51 Hz，后懸架偏頻設(shè)置為f2=1.61 Hz，在Adams軟件中設(shè)置滿載質(zhì)量4 501 kg，由前后軸荷質(zhì)量分配計算得出：總簧載質(zhì)量m=3 993 kg，m1=3 993×0.42=1 667 kg，m2=3 993×0.58=2 326 kg。故可得K1=1.512×4π2×1 667=125 202 N/m≈150 N/mm，K2=1.612×4π2×2 326=237.78 N/m≈238 N/mm。

阻尼特性計算：阻尼力—位移特性、阻尼力—速度特性是表示懸架減振器性能的主要因素，阻尼對運動的影響表示為減振器阻尼比ζ的計算見式(3)。

(3)

F=C·Vi

(4)

式中：C—減振器阻尼系數(shù)；i—常數(shù)(i值在卸荷閥打開前等于1)。通過設(shè)計，得到前、后減振器阻尼特性如圖1所示。

a-前懸架減振器阻尼特性；b-后懸架減振器阻尼特性圖1 減振器阻尼特性

計算襯套參數(shù)：Adams動力學(xué)模型的建立是采用剛性約束，同時設(shè)置橡膠襯套等元件的彈性，進(jìn)而建立在彈性約束條件下的剛體運動學(xué)模型[6-8]。襯套(bushing)是Adams的元件之一，其定義了兩個相對運動的部件之間6個自由度的關(guān)系。在本研究項目中，將前懸架的大、小橫擺臂與車架的鉸接處設(shè)置為襯套連接，將減震器與車架連接的鉸點也用襯套連接代替。由此在模型中實現(xiàn)了彈性約束。襯套參數(shù)采用越野車型的襯套參數(shù)，部分襯套采用Adams自帶數(shù)據(jù)庫中的襯套，其參數(shù)見表2。

2.3 建立整車子系統(tǒng)模型

Adams/Car為整車虛擬樣機(jī)設(shè)計軟件，集成了多家汽車設(shè)計公司的先進(jìn)經(jīng)驗，能夠幫助我們建立精度高的整車虛擬樣機(jī)模型，包括完整的整車系統(tǒng)：車身、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向等，可以模擬在各種工況下的動力學(xué)特性；可得出設(shè)計者需要的特性參數(shù)：操縱穩(wěn)定性、平順性、制動性等。

表2 襯套參數(shù)表

前懸架總成模型：懸架模型包括大小橫臂、減震器、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向球桿。根據(jù)相關(guān)參數(shù)，建立懸架的鉸接點坐標(biāo)值，結(jié)合懸架K&C特性，對模型的硬點坐標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到優(yōu)化后的坐標(biāo)參數(shù)見表3～5。

表3 雙橫臂獨立懸架模型硬點坐標(biāo)

表4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型硬點坐標(biāo)

表5 橫向穩(wěn)定桿模型硬點坐標(biāo)

后懸架及車身模型：在本項目研究的礦用人員運輸車中，后懸架為非獨立懸架，減震元件為鋼板彈簧，鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)簡單，方便維修，廣泛應(yīng)用在各種客車、貨車上面。

在Adams/Car中建立鋼板彈簧過程分為柔性體和剛性體建模2大類，相對比較復(fù)雜，歸納為3種，圖2為鋼板彈簧模型簡化圖。①采用Adams/Car里自帶的鋼板彈簧工具箱，鋼板彈簧模型能夠很快建立，并能夠順利地將該模型轉(zhuǎn)配在整車模型上。這種方法比較快速，是MDI公司推薦的方法；②采用Adams/Car中的模塊—Leafspring 建模，采用此模塊建立的鋼板彈簧模型里面含有一定的柔性體，并包括軸、板簧吊耳、襯套等信息參數(shù)。能夠模擬出在彈簧各片間的摩擦力，這種摩擦力來自于夾緊力矩和垂直載荷的變化；③采用三段梁建模，這種方法是把三段梁用彈襯套或鉸接副連接起來，固定副加在中間的梁與軸鉸接處，同樣用襯套或鉸鏈副完成前、后梁與車架的連接，由此得出鋼板彈簧在典型工況下的工作狀態(tài)。

L-鋼板彈簧主簧長度；a-前半部分弧長；b-后半部分弧長；m-前半部分不活動長度；n-后半部分不活動長度；c-吊耳長度圖2 鋼板彈簧模型簡化圖

通過分析以上3種方法，三段梁法具有搭建模型容易，能夠準(zhǔn)確反映鋼板彈簧在實際工況下的特性參數(shù)，自由度較低，求解計算容易，因此本研究項目采用三段梁法進(jìn)行建模。梁與車架采用襯套連接，并設(shè)置襯套彈性參數(shù)，與鋼板彈簧剛度匹配，并根據(jù)計算情況對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)以上原理，鋼板彈簧、后軸和車架的鉸接硬點坐標(biāo)見表6。

表6 三段梁鋼板彈簧模型硬點坐標(biāo)

車身及輪胎模型：在Adams中，用質(zhì)量塊模擬車身質(zhì)心和載重質(zhì)量變化，這2個構(gòu)件用約束固定在一起。整車質(zhì)量除了車身質(zhì)量，還包括座椅、內(nèi)飾板等的質(zhì)量，因此單獨的車身模型并不能代表整車質(zhì)量，Adams軟件提供了調(diào)整功能，在仿真前，可輸入整車質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)等信息，軟件會自動調(diào)整車身系統(tǒng)的質(zhì)心位置。本研究項目，為了直觀表示車身外形，導(dǎo)入車身外殼信息。在仿真時，可以將這些外形信息隱藏。表7為帶外殼的車身模型硬點坐標(biāo)。

表7 帶外殼的車身模型硬點坐標(biāo)

在Adams里，輪胎是用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，輪胎模型分為2類：一種用于分析操穩(wěn)性，一種用于耐久性分析。本項目研究的內(nèi)容是平順性，在低頻范圍，不屬于高頻范圍。因此采用PAC2002接觸質(zhì)量方法，達(dá)到15 Hz可滿足分析要求，選用Adams/Car自帶模型PAC2002_235_60R16。

完成整車分系統(tǒng)建模后，進(jìn)行整車建模裝配，裝配在Adams/Car四柱試驗臺上。模型如圖3所示。

圖3 整車模型

3 仿真內(nèi)容

汽車的振動來源于路面，一種路面是隨機(jī)的接近平穩(wěn)路面，具有隨機(jī)性，在研究汽車平順性時，隨機(jī)輸入行駛試驗采用這種路面；一種是不平整沖擊型路面，也被叫做典型路面。本研究項目研究的是平順性，因此采用第一種路面：主要模擬仿真滿載工況，包括平路、過坎、過溝工況。

3.1 隨機(jī)路面

利用Adams/Car Ride生成路面模型，此路面模型的路面外形的空間頻率和功率存在函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系如式(5)。

(5)

式(5)右側(cè)由功率譜密度幅值組成，由白噪聲得到，并且是相互獨立的。式中：Ge—白噪聲空間功率譜密度幅值；Gs—白噪聲的速度功率譜密度幅值；Ga—白噪聲的加速度功率譜密度幅值。

路面譜文件是在路面譜生成器中，由空間功率譜密度、速度功率譜密度、加速度功率譜密度3個幅值所生成的。Sayers模型中路面外形輪廓的參數(shù)例子見表8。

表8 模型不平度參數(shù)

A、B、C、D級路面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見表9。

表9 路面轉(zhuǎn)換關(guān)系

按照GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗方法》，在本研究項目中，采用礦石路面，路面等級為C、D級，符合GB703的規(guī)定。

3.2 平順性仿真

按照GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗方法》對整車的平順性隨機(jī)輸入，并進(jìn)行仿真分析。采用上述的C級路面和D級路面，在C級路面上，仿真時速包括20 km、30 km、40 km、50 km；在D級路面上，時速為20 km。設(shè)置仿真時長為8 s，頻率為20 Hz。仿真結(jié)果如圖4～5所示。

a-車身垂直；b-車身橫向；c-車身縱向圖4 振動加速度時間歷程和功率譜密度(C級路面20 km/h)

a-車身垂直；b-車身橫向；c-車身縱向圖5 振動加速度時間歷程和功率譜密度(D級路面20 km/h)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IS0263—1∶1997(E)的規(guī)定處理曲線，并將舒適度用加權(quán)加速度均方根值來進(jìn)行評價。依據(jù)GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗方法》的規(guī)定，為了得出準(zhǔn)確的試驗結(jié)果，對整車進(jìn)行了靜載平衡，所需時間取前3 s，對上面的C、D等級路面上，模型通過在3個軸向的加速度計算得到車身、座椅處的加權(quán)加速度均方根值。表10給出了總加權(quán)加速度均方根值(RMS)和加權(quán)振級Law與人的主觀感覺之間的關(guān)系。

表10 RMS和Law與人的主觀感覺之間關(guān)系

通過分析比較，當(dāng)車輛在C級路面(等同于礦石路面)上以時速20 km行駛時，會讓人感覺有一些不舒適；當(dāng)在D級路面上以時速20 km行駛時，會讓人感覺有一定的不舒適，但身體健康不會受到影響。

重復(fù)上面的測試，將車輛的速度設(shè)為20 km/h、30 km/h、40 km/h，就會得到垂直方向加速度時間歷程、功率譜的密度，對應(yīng)不同時速，在各試驗車速下，試驗結(jié)果見表11。

從表11可以看出，該車以時速50 km及以下速度行駛在C級路面上，整車平順性較好，人感覺沒有太大的不舒適，人體不會受到傷害；以時速20 km行駛在D級路面上時，讓人感覺有一定的不舒適，為舒適性及整車結(jié)構(gòu)件受力考慮，建議以低于最高車速行駛。

表11 各車速下平順性參數(shù)比較

3.3 脈沖仿真

車輛過溝、過坎的仿真，采用模擬路面凸塊、溝槽路面來實現(xiàn)，方法是輸入位移脈沖激勵。在Adams軟件里，位移脈沖通過表格函數(shù)和曲線管理器創(chuàng)建，將此脈沖輸送給執(zhí)行器，對整車模型輸入凸塊脈沖、溝槽脈沖，進(jìn)行平順性仿真試驗。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，脈沖輸入采用單凸塊，三角形狀。對于轎車、旅行客車及總質(zhì)量小于等于4 t貨車，凸塊高度取值60 mm；對于客車(除旅行客車外)、越野車和總質(zhì)量大于4 t但小于20 t的貨車，凸塊高度取值80 mm；對于總質(zhì)量大于20 t的貨車，凸塊高度取值120 mm；凸塊底部寬度B根據(jù)需求來設(shè)置，但須比車輪寬度大。因此本研究項目，凸塊高度h取80 mm，凸塊寬度取400 mm。

根據(jù)上面設(shè)定的凸塊尺寸，以時速10 km通過此凸塊來模擬車輛過坎，得到整車垂向加速度曲線、橫擺角速度曲線，如圖6所示。

圖6 過凸塊車身垂向加速度和橫擺角速度時間歷程

從圖6中可以看出，垂向加速度和橫擺加速度在車輛前、后輪經(jīng)過凸塊時，都會突然加大。車身垂向加速度：Accmax=0.517 5 g=5.071 5 m/s2；最大橫擺角速度：0.439°/s。

在ISO最新草案中，提出了凸塊脈沖輸入平順性試驗評價指標(biāo)：對標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，乘員受到的來自座椅表面的最大加速度絕對值A(chǔ)ccmax。當(dāng)Accmax大于43.02 m/s2，將危害人體健康；當(dāng)Accmax小于43.02 m/s2時，不會危害人體健康；當(dāng)Accmax在31.44 m/s2與43.02 m/s2之間時，人體健康會受到一定程度影響。結(jié)果表明，本研究項目的車輛以時速10 km通過凸塊時，人體健康沒有因車身沖擊而受到危害。

3.4 仿真結(jié)果

依據(jù)GB/T 4970—1996，在C級和D級隨機(jī)路面上，輸入脈沖，進(jìn)行模擬，得出以下試驗結(jié)果：在設(shè)定的C級路面上，車輛以時速不大于最高車速50 km/h行駛時，人體會有些不舒服，但不影響人體健康，整車平順性符合標(biāo)準(zhǔn)要求；在比C級路面惡劣的D級路面行駛時，車速較低，整車平順性也能滿足，仿真結(jié)果見表12。

表12 各車速下平順性參數(shù)變化

平順性試驗按照相關(guān)規(guī)定，當(dāng)三角形、單個凸塊作為脈沖輸入，以較低車速(例如10 km/h)通過時，對車體造成的沖擊較小，沒有超出合理的范圍，人體不會受到危害，平順性滿足要求。

4 結(jié)語

運用Adams/Car軟件建立電動礦用運輸車仿真模型，可充分模擬車輛在不同路面的運輸情況。按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對整車滿載平順性進(jìn)行分析，可以為相關(guān)設(shè)計提供借鑒，具有一定的參考意義。