基于虚拟样机技术的重型牵引车平顺性分析与优化

魏超　徐贤　周建刚　陈伟　黄值仪

摘 要：本文针对某重型牵引车平顺性进行分析，找出存在的问题。基于ADAMS/VIEW 建立重型牵引车多体动力学模型，采用OPTIMUS对底盘悬架刚度和减振器特性曲线以及驾驶室悬置刚度和减振器特性曲线进行优化设计，改善该车平顺性。优化方案通过试验验证，整车平顺性改善效果明显。

关键词：平顺性；功率谱密度；ADAMS

中图分类号：U461.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0033-07

Abstract： A analysis has been researched in order to improve the tractors ride comfort. The virtual prototype model of the tractor is established based on the analysis software of ADAMS/View.The system working flow， design of experiment （DOE） is built up on OPTIMUS.For the abnormal vibration of the tractor. It optimizes the damping of shock absorber and the stiffness of cab mount and suspension system. At last ，the Optimization result verified on a test vehicle is remarkable.

Key Words： Ride Comfort； PSD； ADAMS

随着车辆行驶速度的提高和行驶里程的加大，平顺性作为影响乘员乘坐舒适度，货物运输效率，车上零件使用寿命和行驶安全的重要因素，已经成为现代高速、高效率汽车的主要指标。现价段，在正向设计过程中无法准确评估车辆的平顺性能，对于车辆平顺性的分析在很大程度上还依赖于试验验证的方法，为车辆的设计带来很多的不确定因素。通过虚拟样机技术建立整车参数化虚拟样机模型，实现对汽车平顺性的仿真分析及优化设计可大大缩短汽车平顺性研究周期、降低研发成本，对实际工程中汽车平顺性的改善有指导意义。

1 平顺性问题分析

对某款重型牵引车平顺性进行主观评价时，驾驶员能明显感觉到驾驶室的上下振动，整车主观评价结果较差。

为分析异常振动原因，根据 GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》，对该车进行整车平顺性试验。以ISO2631-1（1997）定义总加权加速度均方根值 来对整车平顺性进行评价。试验测得驾驶员脚部 Z 向振动加速度 f z ，座椅座垫上三向 Sx ，Sy ，Sz ，座椅靠背X向振动加速度 bx 和Z向振动加速度bz ，通过计算以上几个测点的加权均方根值得到总加权加速度均方根值

从座椅各测点功率谱密度可以看出，座椅X向和Y向的振动能量主要集中在2Hz、3.2HZ和10.2Hz；座椅Z向、靠背X向和靠背Z向的振动能量则主要集中在3.2Hz左右，驾驶员脚部Z向能量则主要集中在1.8Hz，3.2Hz和5Hz左右。该车装配轮胎的滚动半径约为0.5m，车速60km/h时，车轮的旋转基频为5.3Hz，各测点5Hz和10.2Hz的频率分别接近前桥车轮部分固有频率、车轮旋转基频的一倍频和两倍频，因此由前桥车轮部分固有频率和车轮动不平衡产生的共振激励最有可能是造成驾驶室异常振动的主要原因之一。

对悬置和悬架各测点的功率谱密度进行分析，3.2Hz的激励频率则是来自于底盘后悬下，根据图2分析得知，底盘后悬架，驾驶室悬置没有对该频率下的激励进行很好的衰减，导致座椅处各测点该频率下的幅值偏大。

因此，需要对底盘悬架刚度和减振器，驾驶室悬置刚度和减振器进行优化设计，降低3.2Hz，5Hz，10.2Hz频率下的能量，提升该车的平顺性能。

2 多体动力学模型的建立

2.1 整车模型的建立

整车模型包括驾驶室及其悬置、车架、动力总成、前后悬架、货箱和轮胎等部分。

驾驶室采用四点全浮悬置系统，悬置由弹簧减震器构成。座椅为机械式弹簧减震座椅。前悬架由前桥、板簧和减震器组成，后悬架则是由后桥、主板簧，副板簧和减震器组成。板簧则是多段梁结构。车架采用柔性体模型。将对平顺性影响不大动力总成系统做相应的简化，将发动机和变速箱简化成质量块，用衬套模拟悬置使其与车架相连。

整个模型拥有51个自由度，40个运动部件，26个固定副，1个圆柱副，3个旋转副，3个球副，1个移动副。基于上述拓扑结构的整车模型如图3和图4所示：

2.2 模型仿真试验

平顺性仿真中采用与实际试验相符的路面激励。本文的试验是根据GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》在路面为A级平直沥青路进行的。根据GB/T7031-2005《机械振动道路路面谱测量数据报告》选择相应的路面功率谱密度，拟合仿真所需的随机路面。

利用上述整车模型和随机路面进行平顺性仿真分析。使整车模型在额定载荷状态下分别以50km/h、55km/h、60km/h、65km/h、70km/h车速匀速直线行驶，仿真计算得到座椅总加权加速度值。仿真结果与试验结果对比如图5所示。仿真结果与实车试验结果的误差均在10%以内，仿真模型精度能够满足实际工程需要。

3 平顺性优化设计

3.1 目标函数

根据ISO2631-1（1997）定义，利用总加权加速度均方根值 来对整车平顺性进行评价，故选择座椅平面的加速度加权均方根值为目标函数，目标值越小，其平顺性越好。

3.2 优化变量

底盘悬架、驾驶室悬置和座椅构成该车型的三级减振系统，影响座椅平面的加速度加权均方根值的主要有前后悬架板簧刚度和减震器特性参数、驾驶室的悬置参数、簧载质量和非簧载质量的质量参数。

由于是对现有车型的平顺性能改善，优化时车辆本身的质量参数是无法改变的；调整前悬架板簧刚度和减震器特性参数可对簧下激励进行有效隔振，减小因前桥簧下偏频引起的共振；并结合驾驶室悬置参数、后悬架板簧刚度和减震器特性参数的优化，还能抑制3.2HZ处的低频段激励。考虑到整车承载能力和可靠性，无法对板簧刚度进行任意优化，故根据整车质量分配分别计算出前、后悬架的板簧刚度最大能够调整的范围，最低刚度分别为原刚度值的80%和90%。

因此，选择驾驶室悬置和底盘减振器特性曲线比例系数，驾驶室悬置刚度进行优化变量，结合板簧刚度的调整，提升该车的平顺性能。

3.3 约束条件

在确定各优化变量的取值范围时，应根据企业的生产能力和悬置设置的基本原则确定，所以各优化设计变量的取值范围如表1所示：

3.4 建立优化工作流

利用OPTIMUS和ADAMS软件接口建立联合优化工作流，利用OPTIMUS中的并行计算模型，大大提高优化效率。OPTIMUS与ADAMS联合优化工作流中的控件包括设计变量，输入输出文件，输出向量，输出变量和联合仿真接口。建立好的工作流如图6所示：

3.5 优化结果

利用OPTIMUS参数进行优化计算，最终得到的参数最优值如表2所示。

优化后的特性曲线需要经过主观调试，经过实车主观调试后，优化前后的减振器曲线如图7所示。

3.6 仿真及试验验证

将得到的优化后的参数值输入到ADAMS模型中，获取优化后驾驶员处各方向的加速度。图8是优化后驾驶员处各个方向的加速度PSD对比。表3是优化前后加权加速度均方根值。

以仿真工况60KM/h时驾驶员处各测点的PSD可以看出，通过对板簧刚度、驾驶室悬置和底盘减振器特性曲线比例系数，驾驶室悬置刚度进行优化，优化后各测点3.2Hz处的幅值明显降低，坐垫Z，靠背X，靠背Z，脚步Z在5Hz和10.2Hz处的幅值也有明显降低。这些因素的改善都促使了乘坐总值的降低。

4 结论

本文对座椅各测点的振动加速度PSD进行分析得到了该车型乘坐总值过大的原因。利用ADAMS/View建立整车虚拟样机模型，通过对底盘悬架板簧刚度和减振器特性、驾驶室悬置刚度和减振器特性进行优化匹配，能够有效的衰减3.2HZ、5HZ和10.2HZ时的能量，改善车辆的平顺性。

经试验验证，通过优化设计座椅总加权加速度在55～70km/h车速下均有所改善，其中60km/h车速下总加权加速度从1.03m/s2降低到0.857m/s2，降幅达到了16.78%，改善效果显著，主观评价中驾驶室上下振动明显减轻。

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