基于ADAMS/Car的商用車平順性仿真分析

【摘要】為分析隨機和脈沖路面對商用車行駛平順性的影響，以某商用車為研究對象，依托多體動力學理論，使用ADAMS/Car軟件構建包含前后懸架、輪胎、車身、轉向系統及人體-座椅系統的車輛動力學模型，并對車輛進行了脈沖輸入和隨機輸入平順性分析，仿真結果表明：在脈沖路面的激勵下，車速提高后車輛行駛平順性提高；隨機路面輸入條件下，相較于B級路面，C級路面對平順性的影響更顯著，在商用車行駛舒適性評估和改進中應用更為有效。

關鍵詞：商用車 ADAMS/Car 平順性 脈沖路面 隨機路面

中圖分類號：TD52" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240246

Simulation and Analysis of Commercial Vehicle Smoothness Based

on ADAMS/Car

Guan Huaiguang1， Li Wei2， Liu Xiaoming1， Zhao Xin1

（1. Tianjin Technician Institute of Labor and Social Security， Tianjin 300162; 2. CATARC （Tianjin） Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300300）

【Abstract】In order to analyze the influence of random and impulse road surface on the smoothness of commercial vehicles， a commercial vehicle is taken as the research object to construct the vehicle dynamics model containing front and rear suspension， tire， body， steering system and human body-seat system by using the ADAMS/Car software. The smoothness analysis of impulse and random input is carried out for the vehicle， and simulation results show that the smoothness of the vehicle increases after increasing the vehicle speed under the excitation of pulse road surface; the effect of smoothness is more significant on Class C road compared with Class B road under the random road surface input condition， which is more effective in the evaluation and improvement of driving comfort of commercial vehicles.

Key words： Commercial vehicles， ADAMS/Car， Smoothness， Pulse road surface， Random road surface

【引用格式】 貫懷光， 李偉， 劉曉明， 等. 基于ADAMS/Car的商用車平順性仿真分析[J]. 汽車工程師， 2024（12）： 28-34.

GUAN H G， LI W， LIU X M， et al. Simulation and Analysis of Commercial Vehicle Smoothness Based on ADAMS/Car[J]. Automotive Engineer， 2024（12）： 28-34.

1 前言

實車測試是車輛平順性評價的常用方法，但耗時長、成本高。因此，利用計算機仿真技術構建車輛模型，按照測試標準對車輛平順性進行模擬分析具有重要價值[1-5]。

隨著多體動力學仿真工具（如ADAMS/Car）的發展，仿真技術在商用車平順性分析中得到越來越多的應用。Anandakumar等[6]開發了具有11個自由度的車輛動力學分析模型，并在不同負載條件下進行了模擬。Jiang等[7]采用隨機正弦波疊加法確定路面隨機激勵，建立基于彈性滾子理論的輪胎模型，對某載貨汽車進行了仿真分析。Chen等[8]提出一種以非線性阻尼為基礎的商用車行駛平順性優化策略，并采用粒子群優化（Particle Swarm Optimization，PSO）方法，實現了最佳的剛度和非線性阻尼效果，但該研究在具體路面條件下的仿真分析尚顯不足，限制了實際應用的全面性和準確性。

此外，Yilmaz等[9]使用虛擬試驗場（Virtual Proving Ground，VPG）模塊在虛擬道路上開展車輛動力學及疲勞壽命分析，并確定了車輛疲勞損傷部位。Wang等[10]利用ADAMS/Car軟件創建了重型載貨汽車三維數字模型，并在B級隨機路面和A級脈沖路面上進行了不同車速下的平順性測試。晏強[11]借助ADAMS/Insight模塊的試驗設計（Design of Experiments，DOE）功能實現了某輕型載貨汽車的多目標優化，展示了多目標優化方法在車輛平順性研究中的應用潛力，但模型復雜性和實際應用效果尚需進一步探討。

在懸架系統設計與優化方面，Büchner等[12]引入柔性連桿機構改善縱向平順性，并在ADAMS/Car中模擬和優化了方案的彈性運動行為。Gao等[13]將柔性副車架彈性變形的概念引入車輛平順性研究，提出了一種提高車輛整體平順性的多目標優化方法。

在仿真工具與方法優化方面，Zerbato等[14]通過虛擬仿真場景測試開展了高級駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System，ADAS）驗證，提出一種將經過試驗驗證的輕型商用車（Light Commercial Vehicle，LCV）多體模型轉換為實時集中參數模型（Real-Time lumped-parameter Model，RTM）的方法，用于微調車輛參數及補償建模差異。

本文借助ADAMS/Car動力學仿真軟件，創建精度高、自由度豐富的商用載貨汽車的完整模型，并對其進行脈沖路面響應及隨機路面平順性分析，為研究道路特性對商用車性能的影響提供參考。

2 整車動力學模型建立

考慮到商用車系統的復雜性，在預建模階段需對模型進行適當簡化處理，針對影響行駛平順性的關鍵組件構建精確的數學模型，假定其他非關鍵部分為剛體組件。

建模的首要步驟為確定車輛的整體幾何特性（包括硬點坐標的精確測定、整體幾何形狀）、物理屬性（如質心位置、質量及轉動慣量）、力學特性的關鍵參數（如輪胎彈簧的剛度、減振器的阻尼系數）。

建模策略遵循遞進式方法，設定基礎模板（Template），并細化為子系統（Subsystem），最后整合為完整的裝配（Assembly）模型[6]。整車動力學模型采用的商用車主要結構參數如表1所示。

建模過程采用模塊化自底向上策略，具體步驟為：逐一構建前后懸架、轉向組件及輪胎動態模型，包括車身結構和動力傳動系統；定義子系統特性，通過部件間的通信器進行通信接口協同，前懸架采用鋼板彈簧，設定剛度和阻尼，后懸架采用主、副彈簧組合方案；在ADAMS/Car中設定幾何參數和彈簧阻尼，并通過鉸鏈和滑動關節連接懸架；連接與約束整車總成模型，包括車身、轉向和動力系統。ADAMS/Car中約束流程如圖1所示，各部件間連接與約束效果如圖2所示。整合所有組件并建立通信器使輪胎與地面接觸，實現對各種路況和駕駛條件下車輛動態響應的仿真。

由于整車模型被視為剛性對象，為驗證所建立模型的準確性及后續平順性分析結果的可靠性，本文基于車輛前、后懸架的運動學及柔順性（Kinematics and Compliance，Kamp;C）試驗數據對模型進行修正。通過微調模型內的彈性元件參數，確保模型仿真結果與試驗數據的一致性，增強模型的準確性。在此基礎上，對車輛的行駛平順性進行驗證。

3 整車模型平順性仿真

3.1 平順性評價方法

現有商用車平順性評價方法分為主觀和客觀兩類：主觀評價的依據是乘員的動態反應和感受，通過收集乘員實時反饋的數據對車輛平順性進行評估；客觀評價通過記錄車輛在不同路況下的振動信號，開展量化分析并與標準限值進行對比以實現平順性評價[15]。

從人機工程學角度，可通過分析坐姿狀態下座椅支撐面（xs、ys、zs方向）、座椅靠背（xb、yb、zb方向）及腳支承面（xf、yf、zf方向）的加速度特性來評價車輛的平順性。人體在車內的坐姿如圖3所示，其中rx、ry、rz表示人體旋轉方向。

根據ISO 2631-1： 1997（E）《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分：一般要求》，人體對不同振動方向的響應呈現出顯著的差異性。座椅支撐面、座椅靠背、腳支承面3個方向振動反應的加權系數如表2所示，可據此對平順性進行評估[16-18]。

車輛平順性評估與峰值系數密切相關，該系數可通過將加速度時間序列aw（t）的峰值加權后除以加速度的均方根aw來確定，aw的計算方法如下：

[aw=1T0Ta2w（t）dt12] （1）

式中：[T]為振動分析時間，一般取T=120 s。

關于振動頻率的敏感度，zs方向上的主導頻率區間為4～12.5 Hz。人體內部器官在4～8 Hz的頻率區間易出現共振現象，脊柱系統在8～12.5 Hz的頻率區間會受到顯著影響。隨著振幅的增加，人體各部位所受應力同步增大。與此相對應，xs和ys方向上對水平振動的反應主要在0.5～2 Hz頻率區間。各軸向頻率加權函數定義為[18]：

[wk（f）=0.5（0.5 Hzlt;f≤2 Hz）f4（2 Hzlt;f≤4 Hz）1（4 Hzlt;f≤12.5 Hz）12.5f（12.5 Hzlt;f≤80 Hz）] （2）

[wd（f）=1（0.5 Hzlt;f≤2 Hz）2f（2 Hzlt;f≤80 Hz）] （3）

[wc（f）=1（0.5 Hzlt;f≤8 Hz）8f（8 Hzlt;f≤80 Hz）] （4）

[we（f）=1（0.5 Hzlt;f≤1 Hz）1f（1 Hzlt;f≤80 Hz）] （5）

式中：f為頻率。

利用頻譜分析技術可計算出振動加速度時間序列a（t）對應的功率譜密度函數Ga（f）：

[aw=0.580W2（f）Ga（f）df12] （6）

式中：W（f）為頻率加權函數。

根據所給出的權重，計算各軸向加速度的綜合加權平方根的平均值av：

[av=1.4axw2+1.4ayw2+a2zw12] （7）

式中：axw、ayw、azw分別為橫向、縱向和垂向加速度的均方根。

3.2 脈沖輸入平順性分析

本文平順性脈沖輸入分析執行GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》[19]，平順性分析所用三角形凸塊高40 mm、寬400 mm，試驗步驟如下：測試車輛按照預設的速度連續且恒定行駛，穿越設定的路面；車輛抵達凸起區域前50 m，須保持勻速；自車輛前端即將接觸凸塊的瞬間起，啟動數據采集，直至車輛完全通過凸起且車輛振動衰減，數據記錄終止。

仿真分析中，車輛分別以30 km/h、40 km/h、50 km/h和60 km/h的車速行駛，仿真結果如表3所示。

三角形凸塊的平順性脈沖輸入分析揭示了座椅支撐面、座椅靠背和腳支承面的Z向最大加速度響應存在顯著差異[20-21]。相較于低速（30 km/h）行駛，車速提高至60 km/h時，座椅支撐面和靠背的最大加速度顯著降低，說明車輛懸架的減振性能可以明顯改善乘坐舒適性。在車速30 km/h的脈沖沖擊下，車輛因共振承受最大沖擊。

座椅支撐面和靠背Z軸加速度數據顯示，懸架系統在各方向上的減振性能各異。座墊Z向加速度始終最高，反映出車輛垂直振動強烈，這與路面不平整度直接相關。優化懸架系統的減振性能，尤其是特定車速范圍內的減振效果，可以顯著提高車輛的平順性。

3.3 隨機輸入平順性分析

根據GB/T 4970—2009《汽車平順性試驗方法》，本文仿真的路面類型為高級瀝青路面（B級）和低級砂石路面（C級），車速選取為30 km/h、40 km/h、50 km/h和60 km/h。仿真過程中，車輛勻速通過仿真路面，利用ADAMS/Car測量駕駛室內的加速度。不同車速下，B級和C級路面條件下駕駛員位置座椅支撐面、靠背、腳支承面加速度仿真結果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知：座椅支撐面、座椅靠背和腳支承面在B級路面條件下的加速度均方根低于C級路面條件下的加速度均方根，說明在相同車速下B級路面振動強度較小，C級路面條件下車輛承受更大沖擊，對舒適度和車輛結構耐久性構成挑戰；垂向加速度隨車速提升而增大，說明車輛舒適度與速度成反比，但同時車輛懸架系統可抵消部分沖擊，保持整體舒適度在可接受范圍；高速行駛（60 km/h）時，C級路面條件下座椅靠背最大加速度達到B級路面條件下座椅靠背最大加速度的近2倍，需優化靠背設計。

綜上，與C級路面相比，B級路面在降低振動強度和提供更好的乘坐體驗上表現更為優異。然而，在高速行駛過程中，振動的加劇可能導致所有接觸表面均對乘員的舒適度帶來不良影響。

不同車速下，B級路面和C級路面駕駛員位置加速度均方根仿真結果如表4、表5所示。

不同路面和車速條件下的平順性仿真分析結果表明，車速和路面類型對車輛平順性具有顯著影響。使用ADAMS/Car測量駕駛室內加速度，各向（座椅、靠背和腳支承面）加速度均方根在B級、C級路面條件下均隨車速提高而顯著增大，說明車速提高后振動增強，舒適度下降。相同車速條件下，C級路面條件下的加速度均方根顯著高于B級路面，說明砂石路面產生的沖擊和振動更大，對車輛行駛平順性影響也更大。

4 結束語

本文依據國家標準和國際標準，使用ADAMS/Car軟件構建多體動力學模型并通過懸架Kamp;C試驗進行修正，對車輛的行駛平順性進行模擬分析，仿真結果表明：在脈沖路面的激勵下，車速的提高會導致行駛平順性提高；隨機路面輸入條件下，C級路面對平順性的影響較B級路面更為顯著，因此，在整車開發過程中，使用C級路面進行評估和改進，在提升商用車行駛舒適性方面更為有效。

未來可在模型設計中加入車橋、駕駛室等部件的柔性體模型，以提高模型的準確性。

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（責任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年9月9日。