基于ADAMS的驾驶室悬置优化设计

胡枫 曾发林 刘雅晨 蔡嘉伟

摘要：商用车驾驶室悬置系统作为驾驶室与车架之间的连接机构，在衰减振动、保证乘员舒适性方面起着不可忽视的作用。该文在多体动力学仿真软件ADAMS中创建驾驶室模型，对其进行运动学仿真，并将驾驶室质心垂向加速度均方根值、纵向加速度均方根值以及侧向加速度均方根值作为优化目标，在Insight模块中进行多目标优化，通过合理选取驾驶室悬置系统的优化参数，提高商用车驾驶室乘坐舒适性。

关键词：ADAMS；驾驶室悬置系统；DOE试验设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0230-03

由于商用车多用于长途货运，其驾驶室能否为驾驶员提供较适宜的驾驶环境直接关系人身财产安全，因此，商用车驾驶室品质越发受到关注。商用车驾驶室悬置系统作为驾驶室与车架之间的连接机构，在衰减振动、保证乘员舒适性方面起着不可忽视的作用[1][2]。

本文以驾驶室质心垂向加速度均方根值、纵向加速度均方根值以及侧向加速度均方根值为优化目标，利用多体动力学仿真软件ADAMS对驾驶室进行运动学仿真，并在Insight模块中进行多目标优化，通过合理选取驾驶室悬置系统的优化参数，提高商用车驾驶室乘坐舒适性。

1 驾驶室模型的建立

1.1 驾驶室悬置系统力学关系分析

本文以某款商用车所采用的全浮四点式悬置为基础，在建立模型之前，首先对驾驶室的力学关系进行分析[3]。在不考虑驾驶室、车架、车桥等部件自身弹性变形的情况下，以悬置系统与车架连接处的垂向振动加速度（x1、x2、x3、x4）为激励，以驾驶室座椅处垂向加速度y1、纵向加速度y2以及侧向加速度y3为响应，可得驾驶室振动状态方程：

[Xis*Hs=Yjs] [（1）]

式中，[i=1，2，3，4]； [j=1，2，3；]

[Xis=[X1s，X2s，X3s，X4s]]为激励拉氏变换，[H（s）]为系统传递函数，[Yij（s）]为响应的拉氏变换。

根据各激励点相对应的功率谱密度函数[G11s]，[G22（s）]，[G33（s）]，[G44（s）]，以及传递函数矩阵

[Hs=[Hiy1s，Hiy2s，Hiy3（s）]]，可求得驾驶室输出功率谱：

[ Gyjyj=i=i4Hiyj2Gii（s）] [（2）]

由式（2）可得驾驶室三个方向的加速度均方根值：

[ σyj=0∞Gyjyjsds12=0∞i=i4Hiyj2Gii（s）ds12][（3）]

1.2 创建驾驶室悬置系统模型

由于本文主要以驾驶室座椅处的三向振动加速度为响应，因此，将驾驶室视作刚体，忽略其自身弹性变形；同时，考虑到参考车辆中悬置系统阻尼器的阻尼特性为非线性阻尼，为了方便建模和仿真计算，本文对这些元件进行了简单的线性化处理，即利用线性的衬套来替代非线性的阻尼器。

根据参考车辆驾驶室及悬置系统基本参数、模型力学关系（式（1）～（3））以及上述简化情况，在ADAMS/View中建立驾驶室及其悬置系统振动仿真模型如图1所示。

2 驾驶室模型的检验

2.1 样车道路试验

创建的驾驶室模型是否接近实车，将直接影响到后续优化设计的有效性，因此，本文借助相关道路试验和仿真对驾驶室模型的准确性加以检验。

本文所选参考车辆为半挂式载重汽车，多行驶在高速公路或一、二级公路上，用于长途运输，根据GB/T 920-2002《公路路面等级与面层类型代码》，高速公路或一、二级公路上均属于高级路面，即路面功率谱密度较小，因此，参考GB7031-2005《机械振动道路路面谱测量数据报告》中所提供的路面功率谱密度计算公式：

（[n]为空间频率（[m-1]）；[n0=-0.1m-1]为参考空间频率；[Gdn0]为参考空间频率[n0]下的路面功率谱密度，即路面不平度系数；[ω]为频率指数，决定了路面功率谱密度的频率结构），以及A～E路面的不平度系数（如表1），选择B级路面作为试验路面。

根据GB/T 4970-2009《汽车平顺性试验方法》，让参考车辆在满载状态下分别以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h和70km/h的速度在B級路面上匀速直线行驶一段距离，利用单向加速度传感器获取参考车辆悬置系统与车架连接处的垂向振动加速度；同时，利用三向加速度传感器获得驾驶室座椅处的垂向、纵向以及侧向加速度，并计算相应的加速度均方根值。

2.2 驾驶室模型验证

将所获参考车辆悬置系统与车架连接处的垂向振动加速度作为激励函数输入到驾驶室模型中进行仿真，获得各车速下的驾驶室座椅上三向振动加速度均方根值。（[awy1、awy2、awy3]）与试验测得值（[a'wy1、a'wy2、a'wy3]）相比较，比较结果如表2～表4。

对比结果表明，三个方向加速度均方根值的仿真结果与试验结果均相近，其中，垂向最大误差为6.3%，纵向最大误差为4.4%，侧向最大误差为8.1%，均在合理范围内，说明将驾驶室视作刚体以及部分元件线性化所获得的驾驶室仿真模型基本准确。

3 驾驶室悬置系统优化

3.1 DOE参数化分析方法

DOE（Design of Experiments），即试验设计，是一种应用于分析多个设计变量发生变化时，各个变量对研究目标的影响程度的参数化分析方法，包括设计矩阵的建立和试验结果的统计分析等。

生产实践中，设计人员常根据经验知识，采用试错法或施加强力的方法来探究和优化机械系统的性能。但当面对较为复杂的设计问题时，这些方法往往不能快速地得出系统化公式化的答案。一次改变一个因素（也称设计参数，Factors）不能反映因素之间的相互影响情况，若进行多次仿真同时测试多个不同的因素则会产生大量的输出数据，增加设计人员评估的难度。而DOE作为一种快速有效的分析方法，可以为安排试验和分析试验结果提供一整套步骤和统计工具，大体包括以下五个基本步骤：

（1） 确定试验目的；

（2） 为系统选择需要考察的因素集，并设计某种方法来测量系统的响应；

（3） 确定每个因素的值，在试验中将因素改变来考察对试验的影响；

（4） 进行试验，并将每次运行的系统性能记录下来；

（5） 分析在总的性能改变时，哪些因素对系统的影响最大。

考虑到本文所采用的四点式驾驶室悬置系统的四个位置的减振器阻尼和螺旋弹簧刚度均可能对驾驶室振动产生影响[9]，即包涵多个因素，因此选用DOE方法对悬置系统参数进行优化。

3.2 优化设计方案的确立

3.2.1 设计因素及系统响应的选择

本文所采用的驾驶室悬置系统为四点式布置，为了充分考虑各个悬置结构参数对响应的影响，在确立设计因素时，将四个位置的减振器阻尼和螺旋弹簧刚度共八个参数，均列为设计因素。

在ADAMS/Insight中对八个因素的变化范围进行设置，其中，前悬置（左）螺旋弹簧刚度和后悬置（右）减振器阻尼的设置分别如图2、3所示。

同时，观察表2～4发现，试验与仿真测得的驾驶室质心纵向加速度均方根值和侧向加速度均方根值的数值均很小，且远小于垂向加速度均方根值，因此，在本次优化中，将驾驶室质心垂向加速度均方根值作为唯一的系统响应，并将驾驶室质心垂向加速度均方根值最小作为优化试验目标，如图4所示。

3.2.2试验矩阵的创建和设计类型的选择

在DOE分析中，需根据试验目的创建相应的试验矩阵，矩阵的列代表着所选取的因素，行用于表示每个因素在每次计算中所对应的水平级，并根据水平级来确定各因素在运算时的具体值。

本文选用DOE Screening （2-level）的方法，创建了八因素两水平的试验矩阵，如表5所示，该方法多用于确定影响系统行为的某因素和某些因素的组合以及每个因素对输出会产生多大的影响；选择Fractional Factorial作为优化试验的设计类型，该类型普遍应用于筛选重要变量并主要用于两水平的因素，能够估计其对系统的影响，如图5所示。

3.2.3 优化试验结果分析

通过优化计算，得到以驾驶室质心垂向加速度均方根值最小作为优化试验目标的设计因素值，如表5所示。

表中，Kf、Cf分别表示前悬置（左右对称）刚度、阻尼，Kr、Cr分别表示后悬置（左右对称）刚度、阻尼。

根据表5的计算结果修改驾驶室悬置系统的相关参数，并对修改后的模型进行仿真，得到优化后不同车速下驾驶室质心垂向加速度均方根值，如表6所示。

表6 优化前后驾驶室质心垂向加速度均方根值（m/s2）

从表6可以明显看出，在各个车速下，驾驶室质心垂向加速度均方根值较优化前均有超过10%的降低，可见驾驶室悬置系统性能得到改善，车辆乘坐舒适性得到提高。

4 结论

1） 以某款商用車驾驶室所采用的全浮四点式悬置系统为基础，分析其悬置系统的力学传递关系，并据此在多体动力学仿真软件ADAMS中建立驾驶室悬置系统模型。

2） 通过针对样车平顺性的道路试验和相应仿真试验，获得样车及模型在多个车速工况下的驾驶室质心垂向加速度均方根值、纵向加速度均方根值以及侧向加速度均方根值，验证驾驶室悬置系统模型的正确性。

3） 根据数据分析，选择驾驶室质心垂向加速度均方根值作为主要优化目标，在ADAMS/Insight模块中利用DOE试验设计方法进行优化计算，研究了悬置系统四个悬置点弹簧刚度及减振器阻尼系数对驾驶室振动的影响。

4） 仿真结果表明，通过优化计算获得的悬置系统参数，使得驾驶室质心垂向加速度均方根值在各个车速下较优化前均有超过10%的降低，有效降低了驾驶室的振动，提高了乘坐舒适性。

参考文献：

[1] 李鹏飞，马力，何天明，等. 商用车驾驶室悬置隔振仿真研究[J]. 汽车工程，2005，27（6）：740-743.

[2] 王楷炎. 商用车驾驶室悬置系统动力学仿真、优化与试验研究[D]. 长春：吉林大学，2008.

[3] 余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

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