基于ADAMS的汽車脈沖路面仿真

宋年秀，劉亞光,張麗霞

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266033)

0 引言

汽車在道路上行駛時難免會遇到諸如減速帶、凹坑、凸塊等各種不平工況，當汽車通過這些障礙時，輪胎傳至駕駛員座椅處的振動加速度會發生較大的波動。為了將這種行駛工況考慮在內，通常情況下采用長為400 mm的三角形單凸塊[1]。根據試驗條件不同，脈沖輸入可用相應高度的凸塊或減速帶，而并未對為何使用三角形凸塊或是減速帶進行闡述。

針對國家標準GB/T 4970-2009[2]所提出的對路面脈沖激勵的評價方法進行仿真分析。首先基于ADAMS/Car，利用某普及型轎車的相關參數，建立包括懸架、車身、輪胎、轉向系統在內的整車系統，對各車速下的包括：矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶在內的6種脈沖輸入進行平順性仿真，并對仿真結果進行分析比較，得到更適宜作為脈沖輸入的脈沖輪廓類型。最后，在脈沖路面的仿真過程中，將隨機路面考慮在內，使平順性仿真更加符合實際工況。

1 整車模型的建立

通過對該轎車的測量以及對其相關參數進行查詢，得到了整車的主要參數，如表1所示。

在ADAMS/Car中，根據得到的相關參數建立各個子系統的模型，最后將其組裝成整車模型并進行平順性分析。本文作者選用轎車的前后懸架分別為雙橫臂獨立懸架以及多連桿懸架，對其進行建模得到如圖1和圖2所示的懸架模型，最終對各子系統進行裝配得到如圖3所示的轎車整車模型。

表1 整車主要參數

圖1 雙橫臂獨立懸架 圖2 多連桿懸架 圖3 整車模型

2 脈沖輸入仿真

2.1 脈沖輸入的建立

利用ADAMS/Car對汽車通過脈沖路面的振動進行分析時，可以使用插件Road Builder對脈沖路面進行3D建模，也可以使用后綴名為.rdf的TeimOrbit格式路面文件進行2D或3D路面的創建。國家標準GB/T 4970-2009規定：對于平順性分析過程中的脈沖輸入，應采用如圖4所示的長為400 mm的三角形單凸塊。根據試驗條件不同，脈沖輸入可用相應高度的凸塊或減速帶。

圖4 三角形單凸塊

各模型路面文件參數如圖5所示。

圖5 各模型路面文件參數

考慮到路面脈沖輸入的隨機多樣性，本文作者在對脈沖輸入建模的時候建立了包括:三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶、正弦波在內的6種隨機輸入路面2D模型。為了增加6種隨機脈沖路面的對比性，設置其高度均為60 mm；長度滿足國標規定，為400 mm。所建立的各模型路面文件的參數子數據塊如圖5所示。

2.2 60 km/h車速下脈沖路面整車平順性仿真

在ADAMS/Car中，可以通過dcf文件來定義仿真汽車的行駛速度[3]。通過修改dcf文件，使汽車以60 km/h的車速分別通過三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶以及正弦波脈沖路面，得到如圖6—圖11所示的整車底盤質心處垂直方向振動的加速度響應曲線。

圖6 三角形單凸塊加速度響應曲線

圖7 矩形凸塊加速度響應曲線

圖8 斜角凸塊加速度響應曲線

圖9 凹坑加速度響應曲線

圖10 減速帶加速度響應曲線

圖11 正弦波加速度響應曲線

從圖6—圖11的結果可以看出：

(1)路面脈沖激勵為三角單凸塊和凹坑時，汽車底盤質心處垂直方向振動的加速度可以在較短的時間內達到穩態，其他4種脈沖路面均用時較長。

(2)汽車在三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶以及正弦波脈沖輸入時，其振動峰值分別為5.196、6.931、5.967、4.759、6.903、4.105 m/s2。

(3)汽車在三角單凸塊、矩形凸塊、斜角凸塊、凹坑、減速帶以及正弦波脈沖激勵輸入的工況下，達到振動峰值的時間分別為2.43、2.43、2.43、2.43、2.43、2.58 s。

可以得出結論：汽車在60 km/h的車速下進行脈沖路面平順性分析時，矩形凸塊和減速帶凸塊脈沖工況下的振動峰值較大，更適合作為汽車在60 km/h車速下的脈沖路面響應。因此在分析時，宜采用矩形凸塊和減速帶凸塊進行分析。

2.3 其余車速下脈沖路面平順性仿真

將車速分別設置為30、40、50、60、70、80、90 km/h，在各車速下分別進行各脈沖輸入的平順性仿真試驗[4]，根據其振動峰值得表2所示的仿真結果。

由表2可知：

(1)在各車速下仿真車輛的脈沖輸入的響應中，汽車以60 km/h的車速下通過矩形凸塊時的振動響應為6.931 m/s2，為最大。

(2)在相同車速下仿真車輛通過各脈沖輸入的響應中：當車速為30 km/h時，正弦波振動響應最大；當車速為40 km/h時，凹坑振動響應最大；當車速為50～90 km/h時，矩形凸塊振動響應最大。

表2 各車速下振動加速度峰值

結合第2.2節中所得結論，可以看出：在同一高度以及長度的脈沖輸入中，汽車以同一車速駛過矩形凸塊以及減速帶時汽車底盤質心處垂直方向振動的加速度比駛過三角單凸塊、斜角凸塊、凹坑以及正弦波的要大，因而在對汽車進行脈沖輸入的仿真分析時，脈沖輸入宜選擇矩形凸塊以及減速帶。結合國標GB/T 4970-2009“采用長為400 mm的三角形單凸塊。根據試驗條件不同，脈沖輸入可用相應高度的凸塊或減速帶”，在對汽車脈沖輸入進行平順性仿真時，應采用長為400 mm的矩形凸塊或減速帶。

3 脈沖路面平順性分析

對汽車脈沖路面平順性進行分析時，按照國標GB/T 4970-2009的規定，要求汽車在行駛時通過某一障礙時汽車在垂直方向上產生的振動加速度，且規定中默認脈沖輸入的起始位置以及終止位置均處于光滑路面。而在實際生活中，汽車在脈沖工況下路面輸入應該為隨機路面以及脈沖路面振動響應的疊加，而不是單純的脈沖路面，因而在對脈沖路面進行平順性分析時，應同時對隨機路面進行分析。

3.1 隨機路面輸入的仿真

在ADAMS/Car中，利用路面建模器以及事件構造器分別建立瀝青路面以及60 km/h的勻速直線行駛車速，對汽車進行平順性仿真，得到圖12所示的汽車底盤質心處垂直方向振動的加速度曲線[5]。

圖12 瀝青路面加速度響應曲線

由圖12，汽車在隨機路面行駛時，底盤質心處垂直方向振動的加速度上下波動較大，考慮到對汽車平順性的影響，取其峰值，即3.55 m/s2。

3.2 脈沖路面平順性分析

由于脈沖輸入具有隨機性，無法確定脈沖輸入的具體位置，因而將隨機路面以及脈沖路面結合到一起時無法單純地對圖像進行疊加。但考慮到懸架阻尼非線性的特征，在將兩者結合時，汽車底盤質心處垂直方向振動加速度峰值小于兩者峰值之和，故取隨機路面以及脈沖路面加速度振動峰值之和作為最終結果。取矩形凸塊作為脈沖輸入，最后得到的脈沖路面汽車底盤質心處垂直方向振動加速度為60 km/h下的脈沖輸入振動響應以及隨機路面輸入振動響應之和，即為10.48 m/s2。

ISO5631規定了汽車座椅垂直方向最大加速度值對人體健康的影響，當座椅垂直方向加速度超過31.44 m/s2時對乘員有一定的危害；當加速度超過43.02 m/s2時，會嚴重危害乘員身體健康。而文中，脈沖路面平順性仿真最終得到的結果為10.48 m/s2，遠低于31.44 m/s2的加速度值。

4 結論

(1)利用ADAMS軟件對汽車進行多種脈沖輸入下的平順性仿真，對比各脈沖輸入下的平順性數據結果可知，選擇矩形凸塊、減速帶類型的脈沖輸入能夠較好地評價汽車的平順性。

(2)在分析脈沖路面平順性時，將隨機輸入與脈沖輸入同時考慮在內，并將二者的加速度振動峰值之和作為最終結果可以對脈沖路面平順性進行評價。