基于虛擬樣機(jī)的空氣懸架大客車平順性仿真分析

董吉亮

（中國(guó)公路車輛機(jī)械有限公司，北京 100023）

汽車作為一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，定量分析和評(píng)價(jià)平順性的關(guān)鍵在于建立一個(gè)基本反映車輛實(shí)際使用工況而又不太復(fù)雜的理想力學(xué)模型。本文應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立了空氣懸架大客車96自由度整車動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)整車平順性試驗(yàn)的仿真，考慮了空氣彈簧的非線性力學(xué)特性和減振器的非線性阻尼特性，運(yùn)用數(shù)值方法進(jìn)行處理并加入到整車模型中，使整車模型更精確、可靠。在路面時(shí)域輸入信號(hào)的仿真過程中，充分考慮車輛對(duì)路面激勵(lì)信號(hào)的輪距相關(guān)和軸距滯后作用。在對(duì)空氣懸架大客車的滿載工況下整車平順性仿真分析完成后，進(jìn)行了實(shí)車的道路試驗(yàn)。通過道路試驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可信性。

1 整車系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 整車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

研究對(duì)象的構(gòu)造主要包括車身、車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后非獨(dú)立空氣懸架、前后橋、動(dòng)力總成和車輪等，在UG中將整車三維CAD模型轉(zhuǎn)換為ADAMS的多體模型，轉(zhuǎn)換過程中將連接在一起，且相互間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體定義為一個(gè)剛體。將模型傳輸?shù)紸DAMS/View中，加入鉸鏈、約束、前后空氣彈簧仿真模型、前后減振器仿真模型和路面模型，最后組成整車多體系統(tǒng)仿真模型。該模型主要部件連接的拓?fù)潢P(guān)系見圖1[1-2]。

該模型由50個(gè)物體（含地面）、10個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸、11個(gè)球鉸、4個(gè)移動(dòng)鉸、15個(gè)固定鉸、1個(gè)原始鉸和4個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成。系統(tǒng)自由度為DOF=（50-1）×6-10×5-11×3-4×5-15×6-1×1-4×1=96。

1.2 建模過程中的其他要素

1）建立輪距相關(guān)，軸距滯后的B級(jí)路面時(shí)域激勵(lì)信號(hào)，通常是把測(cè)量得到的大量路面不平度隨機(jī)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到路面功率譜密度Gq(n)，一種被普遍接受的路面功率譜為

式中：n為空間頻率，它是波長(zhǎng)的倒數(shù)，表示每米長(zhǎng)度中包含的波數(shù)，單位為m-1；n0為參考空間頻率，n0=0.1m-1；Gq(no)為參考空間頻率下的路面譜值，稱為路面不平度系數(shù)，單位為m3；ω為頻率指數(shù)，確定每段功率譜斜線的斜率，取值由路面譜的頻率結(jié)構(gòu)確定[3]。

為了分析方便，通常把空間頻譜函數(shù)轉(zhuǎn)換為時(shí)間頻譜函數(shù)。設(shè)車速為u，則空間與時(shí)間頻譜之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為Gq（f）=Gq（n）/u

式中:f為時(shí)間頻率，Hz；u 為汽車行駛速度，m/s；n 為空間頻率,它是波長(zhǎng)的倒數(shù),表示每米長(zhǎng)度中包含的波數(shù)，m-1；空間頻率n與時(shí)間頻率f之間的關(guān)系為f=un。

路面文件的生成流程：選取路面等級(jí)→輸入路面不平度系數(shù)Gq（no）→確定空間頻率范圍→生成空間位移功率譜密度→生成時(shí)間位移功率譜密度→計(jì)算時(shí)間歷程的路面不平度→生成路面節(jié)點(diǎn)和單元→生成路面文件。

2）建立適于平順性分析的輪胎仿真模型[4]，在ADAMS／Tire中，存在著五種用于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的輪胎模型，即缺省的 Fiala模型、UA（University of Arizona）模型、SMITHERS模型、DELET模型和用戶自定義模型。本文仿真步長(zhǎng)為0.01s，這在ADAMS/Tire模塊中是無法實(shí)現(xiàn)的。本文是對(duì)整車進(jìn)行平順性評(píng)價(jià)，忽略了側(cè)向振動(dòng)而只考慮了垂直振動(dòng)，所以本文采用ADAMS中的SFORCE力元素來建立輪胎模型，建模中采用IMPACT沖擊力函數(shù)來模擬輪胎與地面的作用力。模型中只考慮了輪胎與地面間的垂向力。

3）建立空氣彈簧大客車整車平順性試驗(yàn)仿真模型；求取前橋、前車架、后橋和后車架共4個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)值。圖2為平順性仿真運(yùn)算過程圖。

2 整車系統(tǒng)的平順性仿真

在平順性分析中，非懸掛質(zhì)量、懸掛質(zhì)量和人體的振動(dòng)加速度的均方根值是平順性評(píng)價(jià)的客觀物理量。根據(jù)ISO2631“人體承受全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)指南”要求，人體對(duì)不同振動(dòng)方向、不同振動(dòng)頻率的敏感程度不同，人體的胸—腹系統(tǒng)在垂直振動(dòng)4 Hz～8 Hz、水平1 Hz～2 Hz范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)明顯的共振，這是人體對(duì)振動(dòng)最敏感的頻率范圍。

平順性分析對(duì)人體而言，根據(jù)人體在垂直方向和水平方向的振動(dòng)加速度（客觀物理量），按照人體對(duì)振動(dòng)反映的敏感程度不同（主觀評(píng)價(jià)），分別對(duì)垂直方向和水平方向振動(dòng)加速度的功率譜密度進(jìn)行頻率加權(quán)，用1/3倍頻帶中最大的加權(quán)加速度均方根值或總加權(quán)加速度均方根值來進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)非懸掛質(zhì)量（如車橋）和懸掛質(zhì)量（如車身地板）采用其加速度均方根值來進(jìn)行評(píng)價(jià)[5-6]。在本仿真模型中，對(duì)前后車橋、車架用加速度均方根值來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）穩(wěn)定車速為50 km/h、B級(jí)路面、滿載工況的仿真計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3的上半部分是前橋的垂直方向振動(dòng)加速度時(shí)間歷程；下半部分為加速度的功率譜密度（以下均同）。前橋垂直方向振動(dòng)加速度的均方根值為2450 mm/s2，加速度的功率譜密度的最大峰值處頻率為9.01Hz，對(duì)應(yīng)的峰值功率譜密度值為1.269×106mm2/s3。

2）前底板垂直方向的振動(dòng)加速度及加速度自功率譜密度見圖4。

從圖4下半圖中可以看出，曲線有一較大峰值和一個(gè)較小峰值，兩峰值處的頻率分別為1.28 Hz、8.92 Hz，對(duì)應(yīng)的峰值分別為1.241×105mm2/s3、7250 mm2/s3。前底板垂直方向振動(dòng)加速度的均方根值為507.8 mm/s2。

3）后橋垂直方向的振動(dòng)加速度及加速度自功率譜密度見圖5。

從圖5下半圖中可以看出，曲線最大峰值處的頻率為8.94 Hz，對(duì)應(yīng)的峰值為1.735×106mm2/s3，后橋垂直方向振動(dòng)加速度的均方根值為2852 mm/s2。

4）后底板垂直方向的振動(dòng)加速度及加速度自功率譜密度見圖6。

從圖6下半圖中可以看出，曲線最大峰值處的頻率為2.076 Hz，對(duì)應(yīng)的峰值為2.041×105mm2/s3，后橋垂直方向振動(dòng)加速度的均方根值為625.79 mm/s2。

3 平順性道路試驗(yàn)

裝空氣彈簧懸架的大客車在瀝青路面上進(jìn)行整車平順性試驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真分析的正確性。該試驗(yàn)主要測(cè)量客車前車架、前橋、后車架和后橋垂直方向的加速度響應(yīng)值，選取被測(cè)點(diǎn)的原則：該點(diǎn)能較好地反映系統(tǒng)的振動(dòng)，并且易于安裝加速度傳感器[7-8]。本次試驗(yàn)選取的四個(gè)測(cè)點(diǎn)：前車橋上平面中心離左導(dǎo)向臂內(nèi)側(cè)3 cm處；前縱梁下平面中心離左導(dǎo)向臂內(nèi)側(cè)6 cm處。后車橋上平面中心離左導(dǎo)向臂內(nèi)側(cè)3 cm處；后底板下平面中心離左導(dǎo)向臂內(nèi)側(cè)6 cm處。將加速度傳感器安裝在所選定的四個(gè)位置，保證傳感器與汽車連接可靠[9]。

試驗(yàn)路面采用的是平順性試驗(yàn)專用試驗(yàn)路，路面要求符合汽車平順性隨機(jī)輸入試驗(yàn)方法中規(guī)定的要求，路面等級(jí)符合GB 7031-1986[10]規(guī)定的B級(jí)路面。試驗(yàn)在滿載工況下進(jìn)行，使用水桶加載，固定靠牢，遵守標(biāo)準(zhǔn)[11]和[12]的要求。試驗(yàn)車速為勻速50 km/h。樣本記錄長(zhǎng)度不短于3 min。

將記錄下的四個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)的時(shí)間和歷程通過《CDSP振動(dòng)信號(hào)采集、處理和分析》軟件進(jìn)行處理，得出各測(cè)點(diǎn)的加速度自功率譜密度曲線分別為圖7-10。

從圖7-10可以看出，以上四點(diǎn)垂直方向的加速度功率譜密度的最大峰值分別為1.53×106mm2/s3、1.4×105mm2/s3、1.45×106mm2/s3、1.8×105mm2/s3；對(duì)應(yīng)的頻率分別為 8.8 Hz、1.8 Hz、10 Hz、1.8 Hz。

同時(shí)，也可看到前橋和前底板、后橋和后底板的振動(dòng)加速數(shù)據(jù)差異大，原因是由于懸架的減振作用使得車轎和輪胎的運(yùn)動(dòng)各程和頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車架（即底板）的，尤其是空氣懸架客車，差異會(huì)更大。這也表明空氣懸架車輛的平順性和舒適性更好。

將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，兩者對(duì)應(yīng)的功率譜圖十分近似，并且變化趨勢(shì)基本一致，但也存在差別。這主要是因?yàn)閇13]：

1）仿真模型未將客車車架作為彈性體處理，實(shí)際上該整車跨度較大（軸距為5.9 m），車架的剛度較低，這樣的模型誤差勢(shì)必導(dǎo)致理論分析與試驗(yàn)結(jié)果的偏差。

2）動(dòng)力總成在平順性分析中是一個(gè)重要的振源。由于條件所限，本文未能獲得動(dòng)力總成的慣性參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的剛度特性，所以在仿真模型中未考慮動(dòng)力總成的影響，這也造成仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差別。

3）實(shí)際汽車的側(cè)向振動(dòng)對(duì)垂直振動(dòng)有影響，在仿真中這個(gè)因素也未予考慮，將會(huì)帶來偏差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要探討應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件建立空氣懸架大客車整車動(dòng)力學(xué)仿真模型的可行性。通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，證明本文所建動(dòng)力學(xué)仿真模型是正確的。因此，通過在虛擬環(huán)境中建立空氣懸架大客車的虛擬樣機(jī)，對(duì)其整車平順性進(jìn)行預(yù)測(cè)，為空氣懸架大客車的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供可靠的依據(jù)是可行的[14]。

[1]休斯敦，劉又午.多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（上，下）[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991.2.

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[10]GB 7031-1986，車輛振動(dòng)輸入路面不平度表示方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[11]GB/T 4970-1996，汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[12]QC/T474-1999，客車平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)及限值[S].

[13]張雙利，程崇.淺談汽車平順性對(duì)懸架系統(tǒng)的要求[J].科協(xié)論壇(下半月)，2010，（2）

[14]尹健，龔運(yùn)環(huán).虛擬樣機(jī)技術(shù)在透平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位移機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011，（7）：115-116.