路面模型和脈沖對(duì)汽車平順性影響分析

閻肅威 李卓

摘要：以某整車為研究對(duì)象，根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論、整車各系統(tǒng)的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)和各項(xiàng)性能參數(shù)，在分析軟件ADAMS中建立完整子系統(tǒng)，基于虛擬四柱試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)汽車各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配。在建立的整車多體動(dòng)力學(xué)模型中，根據(jù)GB/T4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》規(guī)定，建立隨機(jī)路面和凸塊脈沖模型，依據(jù)汽車底盤傳遞到人體的縱向、橫向、垂向的加速度數(shù)值，來評(píng)價(jià)汽車的平順性。參照國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了研究分析，試驗(yàn)車輛符合平順性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：路面模型;路面脈沖;汽車平順性;影響因素

一、引言

汽車的平順性可通過路面-汽車-人來綜合分析。路面不平度和車速是汽車振動(dòng)系統(tǒng)的“輸入”，此“輸入”經(jīng)過由輪胎、懸架、坐墊等彈性阻尼元件和懸掛、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞，形成振動(dòng)系統(tǒng)的“輸出”，即懸掛質(zhì)量或進(jìn)一步經(jīng)座椅傳至人體的加速度。此加速度通過人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)———舒適性來評(píng)價(jià)汽車的平順性。通過模擬汽車實(shí)際試驗(yàn)過程，可以節(jié)省人力物力成本，也可以節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，縮短研發(fā)周期，同時(shí)還能降低在實(shí)際試驗(yàn)中所遇到的危險(xiǎn)，和實(shí)際路試試驗(yàn)相比，能夠更精準(zhǔn)地針對(duì)整車的性能進(jìn)行仿真分析。根據(jù) ADAMS建立汽車模型，參照 GB/T4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》，在路面輪廓發(fā)生器中輸入光滑瀝青路面激勵(lì)和單凸塊脈沖進(jìn)行平順性仿真試驗(yàn)，根據(jù)相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。首先要進(jìn)行的是路面模型對(duì)汽車平順性影響的分析，這些模型都是根據(jù)路面的實(shí)際出現(xiàn)的情況進(jìn)行模擬塑造的，因此得出的數(shù)據(jù)也更加符合路面情況，包括路面脈沖的影響也是。

二、整車多體動(dòng)力學(xué)模型建立

根據(jù)硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)汽車各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行整車模型裝配，最后簡(jiǎn)化整車動(dòng)力學(xué)模型。簡(jiǎn)化的模型包括前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、鋼板彈簧和橫向穩(wěn)定桿等子系統(tǒng)。這種模型的建立可以為汽車平順性的影響建立科學(xué)性的測(cè)試環(huán)境，從而保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這個(gè)過程中，模型的每個(gè)環(huán)節(jié)都是相互關(guān)聯(lián)的，這樣在某一個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)就可以從整體的角度對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，從而保證最后的測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到最高的精度。這些模型都是根據(jù)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置的，因此其實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有權(quán)威性和實(shí)用性，可以作為路面建造時(shí)的數(shù)據(jù)參考。

1.1 輪胎模型建立

汽車輪胎的作用是支撐整車，緩和由路面?zhèn)鱽淼臎_擊力;通過輪胎對(duì)路面的附著作用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力;汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛的同時(shí)，通過車輪產(chǎn)生的制動(dòng)回正力矩，使汽車保持直線行駛方向;承擔(dān)越障，提高通過性。在此，采用FIALA輪胎模型，選用型號(hào)為245/70R19.5的真空輪胎。

1.2 懸架模型建立

本研究所選用的前、后懸架系統(tǒng)均為鋼板彈簧非獨(dú)立懸架。在建立模型前，首先將各個(gè)部件的硬點(diǎn)坐標(biāo)確定好，然后根據(jù)這些硬點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建部件，將這些部件利用約束連接在一起，再加上一些通信器組成前、后懸架模型。在ADAMS模塊中，采用對(duì)稱建模，即先建立汽車左半部分模型或者汽車右半部分模型，然后選擇生成對(duì)稱部分的模型。

1.3 整車模型建立

通過 ADAMS/Car模塊在標(biāo)準(zhǔn)界面進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)模型裝配。將建成的懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輪胎模型、車身系統(tǒng)和鋼板彈簧等通過通信器連接，將整車模型裝配在四立柱試驗(yàn)臺(tái)上，并對(duì)建好的整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行檢查，確保整車模型的正確性。

三、光滑瀝青路面平順性仿真

2.1 光滑瀝青路面生成

在進(jìn)行汽車行駛平順性仿真之前，先利用ADAMS/Car插件建立仿真時(shí)需要的路面文件，即路面模型。建立路面模型時(shí)，可以根據(jù)路面生成器隨機(jī)生成 A級(jí)光滑瀝青路面，即打開軟件 Road-Profile Generation，輸入 A級(jí)路面參數(shù)。對(duì)于設(shè)置好的隨機(jī)A級(jí)路面模型，可以在 ADAMS/POSTPROCESSOR后處理模塊中觀察路面的外廓。不同路面所對(duì)應(yīng)的路面粗糙度不同，參數(shù)也對(duì)應(yīng)不同。

2.2 光滑瀝青路面仿真分析

在ADAMS軟件中，利用路面編輯器編寫 A級(jí)路面，在路面輪廓發(fā)生器中輸入 Ge=0、Gs=6、Ga=0來生成 A級(jí)路面模型。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》，在 A級(jí)路面仿真時(shí)，車速分別為 40、50、60、70km/h。根據(jù) ADAMS軟件后處理功能，得到汽車底盤 x、y、z方向的加速度時(shí)間歷程。然后對(duì)加速度時(shí)間歷程曲線進(jìn)行頻譜分析，得到加速度功率譜密度曲線，并進(jìn)一步計(jì)算各軸向加權(quán)加速度均方根值。

2.3仿真結(jié)果分析

該車分別以 40、50、60、70km/h車速在光滑瀝青路面行駛，分別獲得各個(gè)車速下汽車底盤縱向、橫向、垂向加速度時(shí)域曲線。由于各車速下的曲線類似，不再逐一顯示。采用加權(quán)加速度均方根值來評(píng)價(jià)汽車振動(dòng)對(duì)人體舒適性和健康的影響，需要求出各軸向加權(quán)加速度均方根值。

四、凸塊脈沖輸入平順性仿真

3.1 凸塊脈沖路面建模及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》中對(duì)三角形凸塊形狀進(jìn)行了規(guī)定，即三角形凸塊高 80mm，底邊長 400mm。在軟件 ADAMS中建立所需的模型。在進(jìn)行脈沖路面輸入汽車平順性仿真時(shí)，采用人體的垂向加速度。通常，汽車底盤處的垂向加速度值是座椅上人體感受到的加速度值的1.4倍以上，這里按1.4倍計(jì)算。按照規(guī)定，脈沖輸入下平順性的評(píng)價(jià)方法，采用座椅表面?zhèn)鬟f給乘員的最大加速度響應(yīng)絕對(duì)值A(chǔ)CCmax作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2脈沖輸入仿真結(jié)果分析

根據(jù) GB/T4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》要求，脈沖輸入的車速分別為：10、20、30、40、50、60km/h。由于各車速下的曲線類似，不再逐一顯示。

實(shí)線為底盤處的垂向加速度曲線，虛線為求絕對(duì)值后的曲線，用最大值乘以重力加速度（g=9.8m/s2），然后再除以1.4，即得到不同速度v車下座椅表面?zhèn)鬟f給乘員的最大加速度響應(yīng)絕對(duì)值 ACCmax，三角形凸塊脈沖仿真結(jié)果如表 3所示。由表 3可知，該車以車速 10km/h通過單凸塊脈沖路面時(shí)，人體此時(shí)的垂向加速度最大，且最大值為 5.831m/s2（小于 31.44m/s2）。此時(shí)對(duì)駕駛員健康不構(gòu)成任何危害，因此汽車駛過單凸塊脈沖路面時(shí)其平順性良好，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)束語：通過對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行隨機(jī)路面和凸塊脈沖路面的平順性仿真分析，得到由座椅至人體的加速度曲線，由此可以得出結(jié)論：

（1）該車在400～70km/h光滑瀝青路面行駛時(shí)，傳遞給人體的垂向最大加速度為0.121m/s2，最大總加權(quán)振級(jí)為 101.620dB，小于給定的標(biāo)準(zhǔn)值，乘客沒有感到不舒適，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）該車通過單凸塊脈沖路面時(shí)，人體垂向最大加速度為5.831m/s2，小于標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)人體健康不構(gòu)成任何危害，符合平順性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在仿真過程中，考慮到橡膠件等模型參數(shù)的不精確及做的一些簡(jiǎn)化處理，試驗(yàn)車輛在實(shí)際使用過程中，平順性可能有稍微的差別。

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