基于ADAMS的某重型载货汽车的平顺性仿真研究

郜慧超，　顾梦引，　王丽荣

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 101400)



基于ADAMS的某重型载货汽车的平顺性仿真研究

郜慧超1，顾梦引1，王丽荣2

(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 101400)

基于多体动力学软件ADAMS,建立了包括前后悬架、轮胎、车架、驾驶室、动力系统等总成的重型载货汽车的整车模型，对整车模型进行了随机路面的虚拟平顺性仿真测试，并对试验样车进行了道路试验.将仿真结果与试验数据进行对比，研究结果表明：整车模型仿真数据比较准确，所建立的整车多体动力学模型可以用于实际车辆的平顺性仿真分析.

ADAMS；整车模型；平顺性仿真；道路试验

路面不平度和行驶车速形成了对载货汽车振动系统的输入激励，此输入激励经过轮胎、悬架、车架、驾驶室悬置等弹性、阻尼元件，以及悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，得到振动系统的“输出”是悬挂质量或进一步经座椅传至人体的加速度，此加速度通过人体对振动的反应—舒适性来评价汽车的平顺性.机械振动对人体的影响，取决于振动的频率、强度、作用方向和持续时间.目前，关于载货汽车平顺性评价的大多数研究文献主要依据国际标准ISO2631，且以驾驶室座椅处振动加速度为主要评价统计量[1-4].

文中利用ADAMS/Car模块建立某载货汽车整车多体动力学模型，进行常用行驶工况相关仿真分析运算，并与实验测试结果进行对比.

1　ADAMS建模基础

1.1笛卡尔广义坐标

ADAMS采用6个笛卡尔广义坐标描述一个刚体的位形，利用其质心的3个直接坐标x、y、z确定位置，并用连体基的3个欧拉角ψ、θ和φ来确定方位，这6个量称为笛卡尔广义坐标，它们可以完全描述系统内各个刚体的位形[5,7].

1.2系统运动方程

(1)

完整约束方程时：f(q,t)=0；

1.3系统动力学方程

对于有N个自由度的力学系统，确定N个广义速率以后，即可计算出系统内各质点及各刚体相应的速度及角速度，以及相应的N个广义主动力及广义惯性力.令每个广义速率所对应的广义主动力与广义惯性力之和为零，所得到的N个标量方程即称为系统的动力学方程，也称凯恩方程为：

F(r)+F*(r)=0(r=1,2…,N).

(2)

写成矩阵形式为：

F+F*=0，

(3)

式中:F和F*与为N阶列阵.

定义：F=[F(1)…F(N)]T,F*=[F*(1)…F*(N)]T，

则系统运动方程可化为动力学方程为：

(4)

(5)

φ(q,t)=0

(6)

式中:u为广义速度列阵；λ为约束反力及作用力列阵；G为描述广义速度的代数方程列阵；φ为描述约束的代数方程列阵.

2　整车多体动力学模型的建立

根据某重型载货汽车公司提供的整车参数，利用ADAMS/Car模块建立包括前后悬架、车架、驾驶室、前后板簧、转向系以及动力系等总成模板，并组成整体模型.

整车主要性能参数如表1.

表1　4257SNFKB-ADZ002牵引车主要参数

2.1前、后悬架模型

悬架是车架或承载式车身与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称.它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证汽车的正常行驶.

前悬架主要由前桥、前板簧及前减震器构成.后悬架是等臂式平衡悬架，它主要由中桥、后桥、推拉杆及后板簧构成.整车模型建模过程中的一大难点就是板簧模型的创建.钢板弹簧也称片簧，一般是由很多曲率半径不同、长度不等、宽度一样、厚度相等或不等的弹簧钢板所叠成，在整体刚度上近似等强度的弹性梁.弹簧的中部通过U形螺栓(骑马螺栓)和压板与车桥刚性固定，其两端用销子铰接在车架的支架和吊耳上[6].板簧模型的创建有多种方法，本文采用离散梁法创建前后板簧.其主要思想就是把每片钢板弹簧离散化，每一小块均视为一个刚体，但块与块连接处用BEAM梁来连接，BEAM梁的刚度、阻尼矩阵由ADAMS软件根据钢板弹簧的截面形状及材质自动计算得出.对于各片钢板弹簧之间的接触，可以利用ADAMS软件提供的接触力来定义.这种方法需要各片钢板弹簧的几何形状来确定无质量梁的参数，如截面积、惯性矩、阻尼比等.另外，研究采用少片板簧模拟多片板簧，这样可以有效降低整个虚拟汽车的自由度，减少计算量.

本论文中板簧建模参数：前板簧夹紧刚度393 N/mm,厚度20 mm,宽度90 mm，作用长度1 350 mm；后板簧夹紧刚度2 376 N/mm，厚度30 mm,宽度90 mm，作用长度1 350 mm.建立的前悬架和后悬架模型分别如图1和图2.

图1　前悬架总成

图2　后悬架总成

2.2轮胎

对于车辆仿真模型来说，轮胎模型是较为重要的部分之一.由于构成轮胎的材料有橡胶、帘布层等合成材料，所以轮胎具有高度非线性、可压缩性、各向异性和粘弹性，导致其物理模型的建立也较为复杂和特殊[7].ADAMS中的轮胎模型主要有MF-tyre、PAC系列、Fiala、UA、SWIFT、MF-MC等.研究采用Fiala轮胎模型，前后轮胎均是12R22.5子午线型轮胎，断面宽度304.8 mm，轮辋直径571.5 mm，轮胎静半径504 mm，自由半径542 mm，滚动半径526 mm.

2.3驾驶室总成

驾驶室的振动是影响整车动态特性与驾驶舒适性的一个重要指标.载货汽车整车的舒适性主要是针对驾驶室而言的.驾驶室悬置为全浮四气囊悬置，其中减振器建模参数：活塞速度为0.03 m/s时，复原阻力为212±69 N，压缩阻力为177±68 N；活塞速度为0.131 m/s时，复原阻力为772±148 N，压缩阻力为643±142 N；活塞速度为0.262 m/s时，复原阻力为1 286±220 N，压缩阻力为1 029±204 N；活塞速度为0.393 m/s时，复原阻力为1 542±255 N，压缩阻力为1 157±225 N.空气弹簧静刚度为94 N/mm，动刚度为130 N/mm.

驾驶室座椅悬置用ADAMS中橡胶衬套代替.橡胶衬套连接两个部件，定义六个自由度(3个轴向，3个旋转方向)的连接状态.橡胶衬套通过软件属性文件可定义其3个方向的线刚度、阻尼和3个旋转方向的扭转刚度、阻尼，可以随衬套的形变量呈线性变化或呈非线性变化.驾驶室总成如图3所示.

图3　驾驶室总成

2.4车架

把CATIA软件建立的车架结构3D模型导入到ADMAS软件中，得到如图4所示的车架模型.

图4　车架总成

2.53D随机路面的生成

通过道路实车测试得出的车架与车桥之间的相对位移数据，可以求出表征路面不平度的功率谱密度Gq(n)，其拟合表达式为

(7)

式中：n为空间频率(m-1)，它是波长λ的倒数；n0为参考空间频率，n0=0.1 m-1；Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，单位为m2/m-1=m3.

根据车速u，将空间频率功率谱密度Gq(n)换算为时间频率功率谱密度Gq(f)，也称为位移功率谱密度，如下式：

(8)

(9)

(10)

至此完成了基于ADAMS的整车模型的创建，整车模型如图5所示.如果隐去了路面和货箱，则整车模型可如图6所示.再利用ADAMS中的Model Verity功能来验证模型的准确性，确保整车模型中没有过度约束.经验证，所建模型共有1 253个自由度、270个运动部件，模型不存在过度约束，因此，可以利用此模型进行平顺性仿真计算.

图5　整车模型

图6　隐去路面和货箱的整车模型

3　仿真计算结果与道路试验结果

在载货汽车运输过程中，使用最多的工况是汽车在接近平稳随机路面上的行驶.对整车多体动力学模型的随机输入平顺性在空载、带挂的情况下进行仿真分析，设定车速分别为40、50、60、70和80 km/h，随机路面为根据实际道路试验采集数据为依据生成的3D随机路面，测点位置位于驾驶室地板和座椅，测试内容为驾驶室地板及座椅的垂直加权加速度均方根值.在ADAMS/Car模块中设置好仿真时间和仿真步长等参数使模型保持匀速行驶.利用ADAMS中的后处理模块Postprocesser分析处理仿真数据，得出驾驶室地板和座椅处在不同车速下的垂直加速度时域波形，如图7所示，从上至下车速从40到80 km/h依次递增。

图7　虚拟仿真驾驶室地板和座椅在不同车速下垂直加速度信号

为了验证多体动力学仿真结果，对模型样车在实际道路的长直路跑道上进行了平顺性试验.试验所用仪器包括SD1940座椅三轴向传感器、BZ1113振动加速度传感器、BZ2105电荷电压滤波积分放大器、DASP信号采集与智能分析系统及笔记本电脑等.

驾驶员处地板和座椅垂直加权加速度仿真结果与实际道路试验结果对比，如下表2所示.

表2　牵引车驾驶员处地板、座椅垂直加权加速度均方根值　m/s2

从表2的比较结果来看，虚拟仿真结果与实际道路试验结果比较接近，两者最大误差在13%以内.在驾驶室地板处仿真与试验结果差距较小，而在座椅处仿真与试验结果差距较大，这可能是由仿真时采用衬套来模拟座椅悬置产生的误差造成的.仿真结果与试验结果对比显示仿真结果在50 km/h车速处存在转折点而试验结果却没有这种现象，可能是由于在创建整车模型时仍然存在误差，使得整车模型的固有频率降低了,此车速下可能存在前桥底盘悬架共振.其结果表明整车模型的创建是成功的，完全可以用于实际试验结果验证评估、计算.

4　结　论

1) 研究采用ADAMS/Car建立了某载货汽车多体动力学模型，该模型共有1 253个自由度、270个运动部件.经过与实车道路平顺性试验结果对比，该模型的平顺性仿真结果的误差最大只有13%.

2)模型的平顺性仿真结果表明，在驾驶室地板处仿真与试验结果差距较小，而在座椅处仿真与试验结果差距较大，这可能是由仿真时采用衬套来模拟座椅悬置产生的误差造成的.不同车速对驾驶员处地板和座椅的振动加速度影响比较显著，车速越大，驾驶员处地板和座椅的振动加速度越大，且在50 km/h车速处存在转折点，说明在创建整车模型时仍然存在较大误差，使得整车模型的固有频率降低了，该汽车在此车速下可能存在前桥底盘悬架共振，需要调整悬架偏频，以改进整车行驶平顺性.

[1]阮红军.重型载货汽车整车平顺性评价与试验研究[D].北京：北京理工大学,2012.

[2]鞠成超.重型商用车行驶平顺性分析与优化[D].长沙：湖南大学,2009.

[3]刘亚彬.重型载货汽车整车平顺性分析与试验研究[D].北京：北京理工大学,2007.

[4]陈士安,何仁,陆森林.汽车平顺性评价体系[J].江苏大学学报(自然科学版),2007,27(3):229-233

[5]陈峰华. ADAMS 2012 虚拟样机技术从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2013.

[6]秦东晨,潘筱,陈立平,等.汽车钢板弹簧多体模型建立的一种方法[J].武汉理工大学学报,2009,29(5):111-114.

[7]陈军.MSC ADAMS技术与工程分析实例[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

Research on Ride Comfort of a Heavy Truck in ADAMS

GAO Hui-chao1,GU Meng-yin1,WANG Li-rong2

(1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Foton Daimler Automotive, Beijing 101400, China)

A model for a heavy truck is established in ADAMS, the multi-body dynamics software, including such assemblies as its front suspension, rear suspension, tires, frame, driving cab and its power system. The ride comfort of the model is simulated on the random road and the road test of a prototype vehicle is carried out. After comparing the simulation results with the test data, the conclusions show that the simulation data of the model is accurate, and the established model can be used in the simulation analysis for the ride comfort of an actual vehicle.

ADAMS；full vehicle model；ride comfort simulation；road test

1009-4687(2016)02-0006-05

2015-10-20

郜慧超(1988-),男,硕士.

U461.4

A