底盤襯套對整車平順性影響靈敏度分析

王彬

(湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，湖南長沙 410205)

0 引言

平順性是指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保持在一定界限之內的能力[1]。通過研究平順性，可以控制汽車振動系統的動態特性，使振動的輸出在給定的工況下不超過一定界限，以保持乘員的舒適性。

車輛通過不平整路面時，路面引起的振動通過底盤懸架上的襯套傳遞給車身，最后通過車身地板、座椅以及方向盤傳遞至車上乘員，從而影響整車振動和平順性。

橡膠襯套作為懸架鉸鏈處的緩沖元件，發揮著減振降噪和彌補制造公差的作用，有利于衰減路面激勵對車身的振動與沖擊，特別是衰減來自路面的高頻激勵，因此橡膠襯套在汽車結構上的隔振作用不容忽略。

本文作者應用ADAMS軟件建立包含柔性體車身的剛柔耦合整車多體動力學模型，結合仿真分析和試驗測試來研究底盤襯套對平順性的影響。選取底盤襯套Z向剛度作為試驗因素，對整車進行隨機不平路面下的低頻振動測試，并根據試驗結果進行極差分析，得出各襯套對整車平順性的靈敏度結果。

1 建立剛柔耦合整車多體動力學模型

文中以某車企MPV(Multi-Purpose Vehicles)為原型，利用有限元法將車身變成柔性體，應用ADAMS/Car軟件建立剛柔耦合整車多體動力學模型。建立的整車剛柔耦合平順性模型主要包括柔性車身、前懸架子系統、后懸架子系統、轉向子系統、發動機子系統、制動系統、橫向穩定桿、輪胎以及瀝青路面(四柱試驗臺)。

根據該公司設計部門提供的整車主要參數，如表1所示。

根據整車主要參數建立各子系統模型，并裝配成整車平順性模型，如圖1所示。

圖1 整車剛柔耦合多體動力學模型

建立整車動力學模型后，通過與實車試驗對比的方法對模型進行驗證。為了使仿真結果與實車試驗有較好的可比性，采用實車試驗數據作為仿真模型的輸入，對虛擬樣機進行仿真分析。通常需要進行的驗證試驗包括懸架剛度特性分析、K & C分析、方向盤角階躍試驗、方向盤角脈沖輸入試驗等，如圖2—圖3所示。

圖2 前懸架剛度特性分析

圖3 角脈沖輸入試驗車身側傾角對比

2 整車平順性仿真分析

ADAMS/Car Ride是ADAMS/Car中即插即用模塊，它是一個專門為平順性開發的汽車平順性虛擬環境。在ADAMS/Car Ride中用虛擬四柱試驗臺對ADAMS/Car轎車模塊進行仿真試驗，通過對試驗臺輸入力或位移的RPC III格式數據文件，模擬汽車行駛在粗糙路面和碰撞石塊時的響應特性。該研究應用ADAMS/Car Ride模塊，通過對四柱試驗臺施加RPC III格式位移激勵，模擬整車在滿載狀態下以60 km/h速度通過瀝青B級路面的試驗。

為了進行整車平順性仿真，通過ADAMS/Car Ride插件所提供的路面輪廓發生器建立道路模型。路面輪廓發生器是ADAMS/Car Ride提供的一個基于Sayers數字模型的路面生成工具，該模型是一種經驗模型。在路面譜生成器中，通過設置路面空間功率譜密度幅值、速度功率譜密度幅值和加速度功率譜密度幅值等參數生成RPC III格式路面譜文件。根據表2國際路面粗糙度標準中瀝青路面的參數，在路面譜生成器中進行設置，得到瀝青路面RPC III格式的路面譜文件。

表2 國際路面粗糙度標準

正交試驗設計是試驗優化技術中常用的試驗方法，它是通過應用數學工作者編制的正交表來安排多因素試驗，并用數理統計方法來分析試驗數據，從而以較少的試驗次數獲得全面信息的方法。

文中主要研究懸架襯套對整車平順性的影響，由于懸架襯套數量較多，為了盡量減少試驗次數，縮短試驗周期，因此采用正交試驗設計來進行試驗。

整車采用的是前麥弗遜、后多連桿懸架系統，由于懸架左右襯套對稱且特性一致，只需選取一側襯套進行試驗即可。因此選取底盤前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子，依據GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，駕駛員座腳地板處3個方向加速度總加權均方根值為響應目標，使汽車在滿載條件下，以60 km/h速度通過瀝青路面進行試驗。

前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子如圖4所示。

圖4 前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子

由于試驗因子較多，試驗次數也較多，因此將試驗仿真在ADAMS/Insight中進行，根據試驗設計矩陣自動完成一系列的試驗仿真。在ADAMS/Insight中將前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子，如圖4所示。

考慮到試驗因子比較多，為了減少試驗次數，每個試驗因子均選取2水平，分別是原來襯套曲線的70%和130%。正交試驗所需的參數由設計矩陣提供，根據試驗設計矩陣，完成一系列的試驗仿真。該研究通過ADAMS/Insight中Screening法創建試驗設計矩陣，如表3所示，共進行32次試驗。

表3 試驗方案表

仿真試驗中,從測試點得到駕駛員腳地板處X、Y、Z向加速度曲線，圖5是試驗方案Trial01中，車輛以60 km/h速度通過瀝青路面時測得的3個方向加速度振動曲線。

圖5 駕駛員腳地板處在60 km/h速度時X、Y、Z向加速度振動曲線

3 仿真結果處理

根據GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，將駕駛員座腳地板處3個方向總加權加速度均方根值作為平順性評價指標，總加權加速度均方根值包含駕駛員座腳地板處X、Y、Z向的加權加速度均方根值。對測試點的加速度時間歷程按式(1)計算測試點各軸向加權加速度均方根值：

(1)

式中：aw為軸向加權加速度均方根值，m/s2；aw(t)為加權加速度時間歷程，m/s2；T為統計持續時間，s。

由于人體各部位對各方向的加速度敏感程度不一樣，所以需要按式(2)對各軸向的加權加速度均方根值進行加權處理：

(2)

式中：av為總加權加速度均方根值，m/s2；awx為X向加權加速度均方根值，m/s2；awy為Y向加權加速度均方根值，m/s2；awz為Z向加權加速度均方根值，m/s2；kx、ky、kz為各軸軸加權系數[2]。

其中kx、ky、kz按照表4取得。 并根據式(2)計算得出各試驗腳地板處總加權加速度均方根值，如表5所示。

表4 腳地板位置軸加權系數表

表5 各試驗腳地板處總加權加速度均方根值 m/s2

結合表3和表5，對試驗結果進行極差分析，找出對整車低頻振動影響較大的因子，如表6所示。

對試驗結果進行極差分析，極差越大，說明該因子對評價指標影響越大。根據極差分析的結果顯示：靈敏度較高的因子是F01、F15、F16、F06、F02，分別對應的是前懸減振器上端襯套、后懸副車架后端襯套、后懸副車架前段襯套、后懸減振器上端襯套以及前懸副車架后端襯套，其余襯套影響不顯著。

表6 對試驗結果進行極差分析

4 結束語

(1)對整車低頻振動影響較大的襯套分別是前懸減振器上端襯套、后懸副車架后端襯套、后懸副車架前端襯套、后懸減振器上端襯套以及前懸副車架后端襯套，其余襯套影響不顯著。

(2)根據極差分析的結果，除了可以確定因子的主次，還可以分清各因子的水平優劣，并且可以確定進一步的試驗方向及較優參數組合。在該研究中，可以對整車低頻振動影響較大的因子再做優化分析，劃分更多水平，同時固定靈敏度較低的因子，從而找出較優底盤襯套參數組合水平。