基于ADAMS/Car Ride的整車平順性建模與仿真

王 南，平恩順，岳龍山，李 偉

WANG Nan, PING En-shun, YUE Long-shan, LI Wei

（河北工程大學 機電學院，邯鄲 056038）

基于ADAMS/Car Ride的整車平順性建模與仿真

Modeling and simulation of vehicle ride based on ADAMS /Car Ride

王 南，平恩順，岳龍山，李 偉

WANG Nan, PING En-shun, YUE Long-shan, LI Wei

（河北工程大學 機電學院，邯鄲 056038）

利用機械系統動力學分析軟件ADAMS/Car Ride模塊建立整車虛擬樣機模型，應用虛擬四柱試驗臺對整車模型進行隨機輸入和脈沖輸入下的平順性仿真試驗。仿真結果表明：ADAMS/Car Ride可簡潔有效地進行整車平順性仿真試驗，實現了在設計階段對汽車進行平順性預測與分析的目標，從而為車輛的前期開發提供設計依據。

車輛工程；平順性；ADAMS/Car；仿真；隨機輸入和脈沖輸入

0 引言

汽車在道路上行駛時，會因路面凹凸不平而產生振動。汽車的平順性主要是保持汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊環境對乘員舒適性的影響在一定界限之內，因此平順性主要根據乘員主觀感覺的舒適性來評價[1]。它是現代高速汽車的主要性能之一。它不僅直接影響乘員的乘坐舒適性和車輛行駛安全性，還間接影響到車輛的動力性、經濟性及零部件使用壽命等指標[2]。因此如何保證汽車具有良好的平順性，已經引起設計人員的廣泛關注。在傳統的汽車平順性試驗中，都是通過實車道路試驗，用專門的儀器測量相應值，輸入處理器中得到其評價指標[3]。而通過機械系統動力學軟件ADAMS可以實現在計算機上建立汽車的三維實體模型，并對整車實體模型進行動力學分析，還可以通過修改不同參數并快速觀察車輛的運動狀態、動態顯示仿真數據結果，從而盡可能降低生產成本，縮短設計周期，更加接近實際真實情況。

1 整車平順性仿真路面輸入模型

在進行車輛平順性仿真研究時，仿真路面的構造是一個重要方面。當以路面輪廓粗糙度為輸入源時，ADAMS／Car Ride要求提供路面的空間功率譜密度、速度功率譜密度和加速度功率譜密度[4]。根據GB7031《車輛振動輸入一路面平度表示方法》的規定，路面功率譜密Gq(n)用下式作為擬合表達式：

式中：n一空間頻率，(它是波長λ的倒數, 表示每米長度中包括幾個波長, 單位為m-1);

n0——參考空間頻率， n0=0.1m-1；

Gq(n0) ——參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值(稱為路面不平度系數)，單位為m2/m-1=m3；

w——頻率指數，為雙對數坐標上斜線的斜率，它決定路面譜的頻率結構，通常取w= 2。

對汽車振動系統的輸入除了路面不平度，還要考慮車速這個因素。根據車速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)。

當汽車以一定車速u (單位為m/s ) 駛過空間頻率為n (m-1)的路面不平度時輸入的時間頻率f (s-1)是u與n的乘積，即：

由此得到Gq(f)與Gq(n)的關系式：

將式(2)、(3)代入式(1)得時間頻率譜密度的表達式：

由此得到時間頻率的不平度速度功率譜密度和加速度功率譜密度與位移功率譜密度的關系式：

2 整車平順性仿真模型的建立

利用機械系統動力學軟件ADAMS創建汽車的整車參數化模型有兩條途徑：其一是使用ADAMS／View創建汽車的整車模型，它是通過逐一創建汽車的各部件模型、各部件之間的連接副等組裝而成，比較繁瑣，但是模型構建比較精細；其次是使用ADAMS／Car模塊里一些部件模型組建汽車的整車模型，建模比較快，但是各部件模型有限，只能夠針對有限的車型分析[5]。

建立符合分析要求的汽車整車虛擬樣機模型是進行汽車平順性仿真分析研究的前提。在進行車輛平順性仿真研究時，采用自下而上的建模方式建立整車的動力學仿真模型，整車模型至少應包含前后懸架子系統、轉向子系統、前后輪胎子系統與車身子系統，制動系統與動力總成不是必需的。若要建立完整的整車虛擬樣機仿真模型，除相應的制動系統和動力總成外，還需建立前穩定桿模型。而在選擇試驗裝配方案時，對平順性仿真試驗，選擇虛擬四柱試驗臺(ARIDE_FOUR_POST_TESTRIG)。本文通過組裝ADAMS/Car模塊里的一些子模塊(車身、前后懸架、前后車輪、轉向機構、發動機和動力傳動系統等)構建一部整車虛擬樣機模型，如圖1所示。

圖1 整車平順性仿真模型

3 整車平順性仿真試驗分析

3.1 整車平順性隨機輸入仿真試驗分析

3.1.1 隨機路面輪廓的建立

隨機路面生成器（Ride-Profile Generation）是ADAMS／Car Ride提供的一個數字模型的路面生成工具；該模型是一種經驗模型，綜合了許多不同類型的道路測量參數，可以用于表述實際道路的隨機不平度。它可以同時給出左右輪轍路面輪廓參數，模型輸入量的長度單位是m，輸出左右輪轍的隨機高度為mm[6]。取隨機路面生成參數：空間功率譜密度Ge=0.1、速度功率譜密度Ge=20，加速度功率譜密度Ga=0.1（相當于較粗糙的水泥路面）。由路面輪廓生成器生成的隨機路面輪廓如圖2所示。

圖2 隨機路面輪廓

3.1.2 隨機路面模型的仿真

對于隨機路面輸入，根據GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》中規定的車速范圍分別以車速為60、80、90、100、120km/h行駛在由路面輪廓生成器構造的路面上，并對整車虛擬樣機模型進行仿真。采樣間隔0.05m，車速為100km/h, 仿真時間 5s。得到底盤處垂向加速度與頻幅特性的仿真曲線如圖3所示。（限于篇幅,這里僅給出車速為100km/h曲線圖）

圖3 底盤處垂向加速度與頻幅特性

按GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》的規定，計算的應是垂直方向的人體振動的加權加速度均方根RMS值，由于本模型中未包括座椅和人體系統，人體實際感覺的振動經座椅的阻尼和椅墊的衰減后要小于車身的振動?？梢愿鶕ǔ嵻噷嶒灁祿密嚿碜蔚装逄幋怪狈较虻募铀俣染礁祦斫朴嬎?。一般座椅對應的車身處加速度均方根值是座椅上人體感受的1.4倍以上。

在上圖中，座椅底部底盤處垂直方向加速度均方根值RMS=0.06m/s2，換算成座椅上人體感受的振動加速度均方根值約為RMS=0.0285m/s2。

根據ISO2631—1給出的平順性近似評價方法，由仿真結果可知，αzw<0.315m/s2時，人體感覺舒適。

3.2 整車平順性脈沖輸入仿真試驗分析

圖4 底板處垂向加速度與橫擺加速度

位移脈沖激勵輸入可用于模擬路面三角形凸塊，既可以雙側車輪輸入也可以分別設置。在ADAMS中使用表格函數功能和曲線管理器工具構建位移脈沖，并輸入到執行器對汽車進行凸塊脈沖輸入平順性試驗仿真。三角形凸塊高度60mm，寬度0.4m，距離起點1m，車速為100km/h, 仿真時間0.5s。得到底盤處垂向加速度與橫擺加速度的仿真曲線如圖4所示。

由圖4可知，車輛經過凸塊時底板處垂向加速度、橫擺加速度增加且橫擺加速度急劇增加。

在ISO5631新草案中對標準環境下（三角凸塊、高60mm、底邊長400m、通過車速100km/h）凸塊脈沖輸入平順性試驗提出了如下評價指標：座椅表面傳遞給乘員的最大加速度響應絕對值ACCmax：

ACCmax ＞43.02 m/s2時，將危害健康

ACCmax ＜31.44 時m/s2，對將康無危害

ACCmax在31.44m/s2與43.02m/s2之間時對健康有一定的影響。仿真結果表明該車在脈沖輸入下對人體健康是沒有危害的。

4 結論

1）整車平順性隨機輸入仿真試驗分析表明，汽車在以100km/h的車速行駛在較粗糙路面時具有較好的平順性，能夠滿足乘坐舒適性要求。

2）整車平順性脈沖輸入仿真試驗分析表明，汽車在以100km/h的車速駛過三角形凸塊時對駕駛員的健康沒有危害。

3）在ADAMS/Car Ride中用虛擬四柱試驗臺對整車進行平順性仿真試驗，提高了車輛平順性仿真研究的可信度，可為車輛平順性能的改進和研究提供參考。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 姚文杰,孟紅,葉金華.多軸越野車輛的行駛平順性[J].計算機輔助工程,2006,15(9):268-270.

[3] 李陽,唐應時,方瓊,段心林.某越野車平順性試驗的仿真[J].汽車科技,2006,2:35-37.

[4] 宋宇,鄭泉,陳黎卿.基于ADAMS/Car Ride的車輛平順性仿真研究[J].客車技術,2007,5:14-16.

[5] 陳立平,張云清,任衛群,覃剛.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京:清華大學出版社,2005.

[6] 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.

U467

A

1009-0134(2010)10(上)-0090-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).29

2009-11-04

河北省教育廳科學研究計劃項目（2009420）；河北省自然科學基金資助項目（E2009000836）

王南（1957 -），男，河北昌黎人，教授，主要從事機械設計及理論方面的研究工作。