基于ADAMS的某商用載貨車舒適性仿真與優化

肖 飛，王 偉，栗廣生，馮 哲，葉明松

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

關鍵字：載貨車；舒適性；二次開發；懸置系統

平順性作為舒適性的主要組成部分，已成為各大車企競爭的內容之一，直接影響用戶的購車意向。由于國內整車開發水平的限制，往往在整車試驗階段才發現舒適性問題，有的甚至在售后爆發批量問題后才意識到問題的嚴重性，造成的經濟損失不可估量。利用ADAMS虛擬仿真軟件，可在設計階段進行舒適性虛擬仿真優化，得到彈性元件的最優參數值，可以提高一次設計成功率，縮短開發周期，降低開發成本。本文基于ADAMS虛擬仿真平臺，對故障車駕駛室懸置參數進行仿真優化，得到最優解，并實現工程化應用。

1 原車平順性測試

1.1 整車平順性測試

參考GB/T 4970－2009《汽車平順性試驗方法》，對整車進行C級路面舒適性測試，車速選取30 km/h、35 km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h、85 km/h、90 km/h、95 km/h、100 km/h，測試駕駛員坐墊處的加權加速度均方根值即平順性值，傳感器布置如圖1所示。

圖1 座椅三向傳感器布置示意圖

測試得到的平順性值如表1所示。

表1 C級路面平順性數值

從測試結果看，車速80 km/h時，三向加速度加權值達1.37 m/s，最大值出現在車速100 km/h時，最大值達1.49 m/s，根據GB/T 4970－2009法規可知，該車舒適性較差，需要對其進行整改。

1.2 整車振動傳遞路徑分析

為了查找導致舒適性差的原因，對整車進行振動傳遞路徑分析，分別測試駕駛室懸置系統和前懸架系統主、被動端振動加速度，測試結果如圖2所示。

圖2 懸架及駕駛室懸置隔振率

從測試結果看，前懸架隔振率在60%以上，隔振效果較好。駕駛室后懸隔振率在50%以上，駕駛室前懸隔振率不到30%，隔振效果較差，故可判斷駕駛室懸置減振不足是導致該車舒適性差的主要原因。因此，考慮對駕駛室懸置隔振率影響較大的剛度及減振器阻尼等參數進行優化。

2 整車多體動力學仿真

2.1 整車模型建立

利用ADAMS/Car軟件中的專家模式建立各系統模板，建模遵循“模板→子系統→整車”的規則。為了使仿真模型更加準確，對車架進行柔性化處理，在有限元Hypermesh軟件中將車架進行模態分析生成模態中性文件（mnf格式），導入ADAMS/car中創建生成柔性車架子系統。柔性體車架子系統如圖3所示。

鋼板彈簧模型的建立是建模的重要部分之一，板簧是懸架重要組成部分，對整車模型準確性有很大的影響。建立整車模型鋼板彈簧一般采用離散梁法、有限元法、三段梁法這三種基本方法。本次建模前后懸板簧子系統均采用三段梁法，建模時考慮板簧動剛度，動剛度由板簧實測而得。板簧動靜剛度測試實驗臺和測試結果如圖4、圖5所示。

圖3 柔性體車架子系統

圖4 板簧動靜剛度測試實驗臺

圖5 不同振動頻率下板簧動剛度系數隨振幅變化曲線

結合路面激勵頻率與板簧動剛度測試結果，取板簧頻率為3 Hz時的測量結果為板簧模型垂向動剛度輸入值。利用MATLAB多項式擬合方法擬合出板簧動剛度變化曲線力與位移關系表達式，將擬合出的結果作為ADAMS/Car板簧三段梁垂向剛度參數。

其他各模塊根據實車進行相應的簡化處理，最終建立的整車剛柔耦合多體動力學模型如圖6所示。

圖6 整車模型

2.2 路面模型建立

為了仿真的可行性，同時方便仿真與實測對比，選用具有明顯特征的搓板路和扭曲路作為對比路況。采集路面信息，并在ADAMS建立虛擬路面，如圖7—圖10所示。

圖7 搓板路

圖8 虛擬搓板路

圖9 扭曲路

圖10 虛擬扭曲路

2.3 整車虛擬仿真

為了驗證整車模型的準確程度，需要對比不同路況和不同車速、測點位置的試驗和仿真結果。本文對比8 km/h車速時扭曲路和搓板路前板簧轉耳對應車架位置、前板簧后吊耳對應車架位置、座椅導軌位置，共三個位置的垂向振動加速度實測值與仿真值。司機座椅導軌位置對比結果圖11、圖12所示。

圖11 車速8 km/h扭曲路仿真與實測對比

從對比結果可知，車速8 km/h扭曲路仿真與試驗加速度的趨勢基本一致，加速度波動范圍基本在-4 m/s～3 m/s，車速8 km/h搓板路仿真與試驗加速度波動范圍基本在-10 m/s～15 m/s。因整車路試試驗和仿真時間沒有一一對應，所以在時間上有錯開。仿真與實測誤差值在10%以內，吻合度較好，滿足后續車型開發優化的要求。

圖12 車速8 km/h搓板路仿真與實測對比

3 駕駛室懸置優化

3.1 駕駛室懸置優化模型建立

通過CATIA軟件駕駛室及其懸置三維模型進行簡化，導入ADAMS中。根據實車建立各運動部件之間的連接，輸入各零部件質量、質心位置、轉動慣量信息。

為了對駕駛室懸置阻尼進行優化，阻尼采用力的形式輸入。考慮已知阻尼參數是非線性的離散點而ADAMS只能對連續變化的變量進行優化求解，為了解決這一問題，需要將非線性離散變量轉換成連續變量函數進行優化求解。本文采用阻尼力的非線性模型為

其中，f為減振器的阻尼力，N；為減振器的阻尼系數，N.s/mm；為減振器的阻尼特性指數；為減振器阻尼非對稱系數；sgn()為速度的符號函數，它的含義是＞0時，函數值為1；=0時，函數值為0；＜0時，函數值為-1。

根據前后懸置減振器速度和阻尼力實測數據，用M ATLAB擬合得出阻尼力非線性模型，得到駕駛室前懸置各系數為=-0.015、=-50.030 3、=0.645 8，后懸各系數為=-0.034 5、=-158.798 6、=0.063 45。

3.2 駕駛室懸置阻尼優化

3.2.1 設計變量選取

擬合系數和前后懸置彈簧剛度共有8個基本參數（前懸剛度）、（后懸剛度）、（前懸阻尼系數）、（后懸阻尼系數）、（前減震器阻尼非對稱系數）、（后減震器阻尼非對稱系數）、（前減震器阻尼特性指數）、（后減震器阻尼特性指數）影響懸置系統的減振能力。為了減小設計變量、縮短優化計算時間，先對8個設計變量進行靈敏度分析。靈敏度分析結果表明，、、、、、對駕駛室質心振動加速度影響靈敏度比較大，而參數、幾乎沒有影響。因此選擇、、、、、為本文的設計研究變量。

3.2.2 設計變量約束條件設置

綜合考慮生產簡易、樣件試制、樣件安裝的難易程度以及經濟成本等實際情況和保證模型達到靜平衡和懸置設計基本要求，依據相關文獻，確定前懸剛度范圍為35 N/mm～105 N/mm，后懸剛度值范圍為12.5 N/mm～37.5 N/mm，前懸阻尼系數范圍為-0.157 65～-0.052 55，后懸阻尼系數范圍為-0.050 1～-0.016 7，前懸阻尼特性指數范圍為0.322 7～0.968 1，后懸阻尼特性指數范圍為0.317 35～0.952 05。

3.2.3 優化目標確定

整車的舒適性能是指當車輛受到外部激勵時，駕乘人員的乘坐舒適性。當經過各懸置系統減振后，傳遞到駕駛室的振動能量越低，說明匹配的懸置剛度和阻尼曲線越好，減振性能越好。本文研究駕駛室懸置系統剛度阻尼匹配時，對駕駛室進行了簡化處理為一個質點。而在整車舒適性研究中一般關注垂向振動加速度幅值，所以選取質心處的垂直方向振動加速度功率譜密度為優化設計目標。

3.2.4 優化計算及結果分析

圖13 優化前后垂向振動加速度功率譜密度曲線

本文的優化研究是在振動模塊中進行的受迫振動分析。以懸置下支座質心點為輸入通道位置點輸入垂直向上的位移激振，激振方式采用正弦 掃頻，相位為0，幅值為10。以駕駛室質心位置為加速度輸出通道。采用最優化研究方法得到優化前后質心處的振動加速度值功率譜密度如圖13所示。

從優化前后曲線對比可知，優化后振動加速度功率譜密度幅值明顯下降，得到優化前后各參數值如表2所示。優化前后阻尼曲線如圖14、圖15所示。

表2 駕駛室前后懸阻尼優化參數表

圖14 駕駛室前懸阻尼優化前后對比

圖15 駕駛室后懸阻尼優化前后對比

從優化前后的阻尼曲線可知，前懸阻尼降低很多，后懸阻尼變化較小。

4 優化前后舒適性對比

4.1 整車仿真對比

整車模型中輸入優化后參數，進行仿真，得到優化前后仿真曲線如圖16、圖17所示。

圖16 車速8 km/h搓板路優化前后仿真對比

圖17 車速8 km/h扭曲路優化前后仿真對比

從對比可知，優化后振動加速度減小35.2%，說明在頻域條件下的優化結果在整車中驗證是有效的。

4.2 實車驗證對比

參考《汽車平順性試驗方法》（GB/T 4970－2009），優化后測試的駕駛員坐墊處的向、向、向加權加速度均方根值即平順性值，優化后平順性值如表3所示，根據優化懸置參數試制樣件，裝車驗證，優化前后平順性對比數據如圖18所示。

圖18 優化前后平順性對比

表3 優化后C級路面平順性值

優化后舒適性值明顯減小，車速80 km/h由原來的1.37 m/s降至0.92 m/s，車速100 km/h由原來的1.49 m/s降至0.97 m/s，降幅分別達32.8%和34.9%，說明優化方案可應用于工程實踐。

5 結論

本文針對某載貨車舒適性差的問題，采用虛擬樣機仿真技術，對駕駛室懸置參數進行了優化，并在實車中得到了驗證，提高了整車舒適性能。研究過程中得到以下結論：

（1）整車舒適性問題可通過振動傳遞路徑分析分析找到問題點，是查找此類問題原因的有效方法。

（2）建立了剛柔耦合的整車多體動力學模型，模型考慮了板簧動剛度，通過與實車試驗對比，仿真與實測誤差值在10%以內，吻合度較好，滿足后續車型開發優化的要求。

（3）實現了用力模塊來代替減振器阻尼的方法，建立了阻尼非線性模型，并在虛擬仿真中得到應用，具有較高的工程應用價值。

（4）整車開發中虛擬樣機技術的應用是縮短開發周期、降低成本的有效方法。