基于ADAMS的駕駛室懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇成林 孫慶勇 王登琦

摘 要：由于商用車多用于長途貨運(yùn)，其駕駛室能否為駕駛員提供較適宜的駕駛環(huán)境直接關(guān)系人身財(cái)產(chǎn)安全，因此，商用車駕駛室品質(zhì)越發(fā)受到關(guān)注。商用車駕駛室懸置系統(tǒng)作為駕駛室與車架之間的連接機(jī)構(gòu)，在衰減振動(dòng)、保證乘員舒適性方面起著不可忽視的作用。

關(guān)鍵詞：駕駛室懸置；Adams/Vibration；平順性；振動(dòng)特性；隔振

引言

客戶反饋某長頭卡車在70km/h車速存在前后、上下耦合的共振，平順性較差。采用測(cè)試與Adams/Vibration仿真相結(jié)合的方法研究了該車駕駛室懸置的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)其“固定”式駕駛室懸置存在5.5Hz共振點(diǎn)導(dǎo)致平順性異常，并發(fā)現(xiàn)采用“半浮”式駕駛室結(jié)構(gòu)具有較好的平順性。

1、ADAMS駕駛室簡化模型

機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件是美國MDI公司開發(fā)的非常著名的虛擬樣機(jī)分析軟件，也是世界上應(yīng)用最廣泛且最具有權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。駕駛室實(shí)體模型的準(zhǔn)確性直接決定著后續(xù)計(jì)算結(jié)果的正確與否。在本文中，駕駛室實(shí)體建模的主要思路是：（1）模型不要求與實(shí)際尺寸一致，重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的整體性；（2）模型需要考慮存在的各項(xiàng)工作，這個(gè)主要是力求降低模型的復(fù)雜性，避免為后續(xù)分析帶來巨大困擾。因此，簡化的駕駛室實(shí)體建模為：（1）駕駛室所有面件均為面體，著重考慮承重結(jié)構(gòu)；（2）適當(dāng)忽略諸如駕駛室的小尺寸結(jié)構(gòu)和過渡工藝結(jié)構(gòu)。ADAMS駕駛室模型由帶有集中質(zhì)量的零部件連接在駕駛室安裝位置，包括前橫梁、縱梁、地板、駕駛室殼體以及確定剛度的連接部件。

2 駕駛室模型的檢驗(yàn)

2.1 樣車道路試驗(yàn)

創(chuàng)建的駕駛室模型是否接近實(shí)車，將直接影響到后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，因此，本文借助相關(guān)道路試驗(yàn)和仿真對(duì)駕駛室模型的準(zhǔn)確性加以檢驗(yàn)。

本文所選參考車輛為半掛式載重汽車，多行駛在高速公路或一、二級(jí)公路上，用于長途運(yùn)輸，根據(jù)GB/T 920-2002《公路路面等級(jí)與面層類型代碼》，高速公路或一、二級(jí)公路上均屬于高級(jí)路面，即路面功率譜密度較小，因此，參考 GB7031-2005《機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》中所提供的路面功率譜密度計(jì)算公式：

根據(jù)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》，讓參考車輛在滿載狀態(tài)下分別以 30km/h、40km/h、50km/h、60km/h和 70km/h的速度在 B級(jí)路面上勻速直線行駛一段距離，利用單向加速度傳感器獲取參考車輛懸置系統(tǒng)與車架連接處的垂向振動(dòng)加速度；同時(shí)，利用三向加速度傳感器獲得駕駛室座椅處的垂向、縱向以及側(cè)向加速度，并計(jì)算相應(yīng)的加速度均方根值。

2.2 駕駛室模型驗(yàn)證將所獲參考車輛懸置系統(tǒng)與車架連接處的垂向振動(dòng)加速度作為激勵(lì)函數(shù)輸入到駕駛室模型中進(jìn)行仿真，獲得各車速下的駕駛室座椅上三向振動(dòng)加速度均方根值。（awy1、awy2、awy3）與試驗(yàn)測(cè)得值（a' wy1、a' wy2、a' wy3）相比較。

對(duì)比結(jié)果表明，三個(gè)方向加速度均方根值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均相近，其中，垂向最大誤差為 6.3%，縱向最大誤差為4.4%，側(cè)向最大誤差為 8.1%，均在合理范圍內(nèi)，說明將駕駛室視作剛體以及部分元件線性化所獲得的駕駛室仿真模型基本準(zhǔn)確。

3駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化

3.1DOE參數(shù)化分析方法

生產(chǎn)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，采用試錯(cuò)法或施加強(qiáng)力的方法來探究和優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)的性能。但當(dāng)面對(duì)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題時(shí)，這些方法往往不能快速地得出系統(tǒng)化公式化的答案。一次改變一個(gè)因素（也稱設(shè)計(jì)參數(shù)，F(xiàn)actors）不能反映因素之間的相互影響情況，若進(jìn)行多次仿真同時(shí)測(cè)試多個(gè)不同的因素則會(huì)產(chǎn)生大量的輸出數(shù)據(jù)，增加設(shè)計(jì)人員評(píng)估的難度。而DOE作為一種快速有效的分析方法，可以為安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)結(jié)果提供一整套步驟和統(tǒng)計(jì)工具，大體包括以下五個(gè)基本步驟：（1）確定試驗(yàn)?zāi)康模唬?）為系統(tǒng)選擇需要考察的因素集，并設(shè)計(jì)某種方法來測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)；（3）確定每個(gè)因素的值，在試驗(yàn)中將因素改變來考察對(duì)試驗(yàn)的影響；（4）進(jìn)行試驗(yàn)，并將每次運(yùn)行的系統(tǒng)性能記錄下來；（5）分析在總的性能改變時(shí)，哪些因素對(duì)系統(tǒng)的影響最大。考慮到本文所采用的四點(diǎn)式駕駛室懸置系統(tǒng)的兩個(gè)位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度均可能對(duì)駕駛室振動(dòng)產(chǎn)生影響，即包涵多個(gè)因素，因此選用DOE方法對(duì)懸置系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的確立

3.2.1設(shè)計(jì)因素及系統(tǒng)響應(yīng)的選擇

本文所采用的駕駛室懸置系統(tǒng)為四點(diǎn)式布置，為了充分考慮各個(gè)懸置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響，在確立設(shè)計(jì)因素時(shí)，將四個(gè)位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度共八個(gè)參數(shù)，均列為設(shè)計(jì)因素。在ADAMS/Insight中對(duì)八個(gè)因素的變化范圍進(jìn)行設(shè)置同時(shí)，觀察表2～4發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)與仿真測(cè)得的駕駛室質(zhì)心縱向加速度均方根值和側(cè)向加速度均方根值的數(shù)值均很小，且遠(yuǎn)小于垂向加速度均方根值，因此，在本次優(yōu)化中，將駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值作為唯一的系統(tǒng)響應(yīng)，并將駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值最小作為優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

3.2.2試驗(yàn)矩陣的創(chuàng)建和設(shè)計(jì)類型的選擇

在DOE分析中，需根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)建相應(yīng)的試驗(yàn)矩陣，矩陣的列代表著所選取的因素，行用于表示每個(gè)因素在每次計(jì)算中所對(duì)應(yīng)的水平級(jí)，并根據(jù)水平級(jí)來確定各因素在運(yùn)算時(shí)的具體值。本文選用DOEScreening（2-level）的方法，創(chuàng)建了八因素兩水平的試驗(yàn)矩陣，該方法多用于確定影響系統(tǒng)行為的某因素和某些因素的組合以及每個(gè)因素對(duì)輸出會(huì)產(chǎn)生多大的影響；選擇FractionalFactorial作為優(yōu)化試驗(yàn)的設(shè)計(jì)類型，該類型普遍應(yīng)用于篩選重要變量并主要用于兩水平的因素，能夠估計(jì)其對(duì)系統(tǒng)的影響。

結(jié)束語：

通過針對(duì)樣車平順性的道路試驗(yàn)和相應(yīng)仿真試驗(yàn)，獲得樣車及模型在多個(gè)車速工況下的駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側(cè)向加速度均方根值，驗(yàn)證駕駛室懸置系統(tǒng)模型的正確性。

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