基于ADAMS礦用車輛平順性影響因素分析

高德峰，馬志國

（黃河科技學院 機械工程學院，河南 鄭州 450063）

1 引言

平順性是車輛的重要性能之一，對其的影響因素較多，既有發動機、路面、傳動系統等的振動影響，也有車輛懸架系統的影響，而后者是對其起決定性作用的因素。對其的研究最終的目標是控制振動的傳遞，使乘坐者不舒適的感覺不超過一定界限，這就要求掌握汽車振動各環節的特性，即人對振動的反應、汽車振動系統的傳遞特性和作為振動“輸入”的路面不平度的統計規律[1]。

對礦用汽車平順性的研究一直是學者研究的重點：文獻[2]利用隨機振動理論對油氣懸架的非線性剛度模型進行了統計線性分析，得到了統計意義下的油氣懸架的剛度線性化模型；文獻[3]認為前輪距會隨前油氣懸架的上下運動而發生變化，從而引起左右輪胎的橫向滑移，加重了輪胎以及前油氣懸架桿筒與缸筒之間的磨損，也影響輪胎和前油氣懸架的使用壽命；文獻[4]發現當汽車載荷、行駛速度、路面狀況等行駛條件發生變化時，主動懸架系統能自動調整懸架剛度（包括整體調整和各輪單獨調整），從而同時滿足汽車的行駛平順性，操縱穩定性等各方面的要求；文獻[5]半主動懸架不能隨外界的輸入進行最優控制和調節，但它可按存貯在計算機內部的各種條件下彈簧和減振器的優化參數指令來調節彈簧的剛度和減振器的阻尼狀態。

為了研究礦用汽車各參數對整車平順性能的影響，應用三維建模軟件Soldworks和機械系統動力學仿真分析軟件ADAMS，建立了礦用汽車前懸架、后懸架、汽車多體動力學約束拓撲模型和整車三維模型。在隨機路面和波形路面輸入條件下的平順性仿真模型，并進行各種工況的仿真。分別改變車速、懸架剛度、簧載質量、簧載質量質心位置、路面不平度等影響整車平順性的因素，分析對平順性的影響程度，并對比分析。

2 礦用汽車動力學模型

2.1 前后懸架系統模型

采用實體建模，在Soldworks中建立幾何模型，將整車的裝配體添加好約束后，導入大型機械動力學分析軟件ADAMS中。礦用汽車懸架系統分為前懸架和后懸架兩部分，均為非獨立油氣懸架。前懸架由兩個雙腔油氣懸掛缸和三根縱拉桿、一個橫拉桿組成，后懸架由兩個單腔油氣懸掛缸和一個前置A型架、一個后置橫向穩定桿組成[6]。懸掛缸模型中缸體與活塞用滑動副聯結。并且在懸掛缸的上下支點施加彈簧力，其剛度與阻尼為非線性，前懸的三根縱拉桿分別與前橋和車架鉸接，為簡化模型，暫不考慮駕駛室與車架間橡膠塊的減振作用。在此不研究整車轉向的動力學分析，因此將轉向動力油缸的動行程鎖死，只考慮整車的直線運動。后懸架系統以箱形A型架做導向裝置，一端與后橋固聯，另一端與車架用鉸接副聯結。橫拉桿兩端分別與后橋和車架鉸接。前懸架和后懸架的系統三維模型，如圖1所示。

圖1 懸架系統模型Fig.1 Suspension System Model

2.2 約束拓撲結構

實體建模的約束拓撲結構，如圖2所示。

圖2 汽車多體動力學模型約束拓撲結構Fig.2 Vehicle Multi-Body Dynamics Model Constraint Topology

3 隨機路面輸入平順性影響分析

3.1 行駛車速的影響

分別以 10km/h、20km/h、30km/h、40km/h 的時速在其相應的所測路面譜生成的路面上進行直行仿真。使礦用汽車模型在5s內加速至10km/h，然后穩速運行至15s[9]。同理對整車模型在空載和滿載兩種工況下，分別以10km/h，20km/h，30km/h車速進行穩態工況下平順性仿真，如表1所示。

表1 整車模型穩態仿真時簧載質量的振動對比Tab.1 Vibration Comparison of Spring Loaded Mass of the Vehicle Model

根據表1可知：簧載質量相同時，汽車行駛速度越大，則簧載質量的質心各方向加速度也越大，其1/3倍頻程加權加速度均方根值越大，即平順性越差。由于油氣懸架的變剛度特性，空載和滿載情況下油氣懸架的剛度特性不一樣。汽車模型在相同時速和相同路面下進行平順性仿真，空載與滿載工況相比，簧載質量的質心豎直方向速度及加速度、俯仰角速度及角加速度更大，即平順性越差。

3.2 車架橫向加速度影響

以空載工況為例，分別以車速為10km/h、20km/h、30km/h進行在隨機路面激勵下仿真，仿真結果，如圖3所示。并在車速為30km/h時的路面譜上逐漸加大驅動力F，進行整車模型仿真。

圖3 車架質心橫向加速度Fig.3 Lateral Acceleration of the Vehicle Frame

由圖3可知：車架存在橫向振動；當整車模型在平面路面上穩速行駛時，車架的橫向振動加速度很小。路面不平度越大，則車架的橫向振動加速度越大。整車模型分別以10km/h、20km/h、30km/h在隨機路面譜上行駛時，車架橫向振動加速度的最大值分別為：928.6mm/s2、1647.0mm/s2、1830.3mm/s2；橫向振動加速度均方根值分別為：122.5mm/s2、191.3mm/s2、216.6mm/s2。汽車行駛速度越大，則車架的橫向振動加速度越大。后輪驅動力分別為1×106N、5×106N、1×107N時，車架質心橫向振動加速度最大值分別為7972.1mm/s2、58365.8mm/s2、1.08×105mm/s2；橫向振動加速度均方根值分別為5275.5mm/s2、28051.7mm/s2、32576.2mm/s2。后輪驅動力越大，則車架的橫向振動加速度越大。

4 波形路面輸入平順性影響分析

油氣懸架的剛度和阻尼系數都是強非線性的，以常數代替會產生一定的誤差。為了分析的方便，ADAMS環境下輸入的路面激勵為正弦波路面激勵。研究整車模型在正弦波路面激勵下進行平順性仿真，分別用非線性剛度彈簧與線性剛度彈簧表示礦用汽車模型的四個懸缸，對仿真結果進行分析與比較。采用如下式所示正弦信號作為路面激勵[10]。

滿載時，分別在非線性剛度彈簧和線性剛度彈簧的情況下對整車模型進行平順性仿真分析。在正弦波形路面激勵下，滿載工況下簧載質量的質心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的的仿真結果，如圖4所示。

圖4 滿載時整車簧載質量的仿真曲線Fig.4 Simulation Curves of the Spring Loaded Mass of the Vehicle

從圖4可知，在滿載情況下，汽車模型使用非線性剛度彈簧時簧載質量的質心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰角速度的最大值比使用線性剛度彈簧時略有減小，但變化不大。因此滿載時可將油氣懸架的剛度等效為線性，來分析汽車簧載質量的振動情況。

空載時，分別在懸掛缸非線性剛度和平衡位置剛度的情況下進行整車平順性仿真分析。在正弦波形路面激勵下，汽車滿載時簧載質量的垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的的仿真結果，如圖5所示。從圖5可知，在空載情況下，汽車使用非線性剛度彈簧時車架的垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰角速度的最大值比使用線性剛度彈簧時小。其中簧載質量質心垂直加速度與俯仰角加速度在兩種情況下變化趨勢差異較大，說明非線性彈簧的變剛度特性使汽車的振動有明顯的減小；垂直速度與俯仰角速度的最大值降低的幅度比較小，變化基本趨勢相同。在相同路面激勵、相同車速下，空載比滿載工況下，簧載質量的質心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的幅值更大，平順性更差。

圖5 空載時整車簧載質量的仿真曲線Fig.5 Simulation Curve of the Spring Empty Loaded Mass of the Vehicle

5 結論

為了研究礦用汽車各參數對整車平順性能的影響，應用三維建模軟件SOLIDWORKS和機械系統動力學仿真分析軟件ADAMS，建立礦用汽車前懸架、后懸架、汽車多體動力學約束拓撲模型和整車三維模型。

影響整車平順性的因素有：車速、懸架剛度和簧載質量質心位置等因素。其中，車速越大、車輛懸架系統剛度越大，則懸架的簧載質量質心處的垂直方向加速度、垂直方向的速度響應也相應的增加，整車平順性能越差，增加量在5%左右；簧載質量質心位置在縱向越靠近前后輪距的中心，整車平順性能越好；懸架阻尼大小對汽車的平順性影響不大，加速度均方根無明顯變化，小于1%。在相同路面激勵、相同車速下，空載比滿載工況下，簧載質量的質心垂直加速度、俯仰角加速度、垂直速度、俯仰速度的幅值更大，平順性更差，均方根值變化量不超過10%。分析結果為進一步優化設計分析提供參考。

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