客车平顺性仿真及优化

康元春

(湖北汽车工业学院，汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室(湖北汽车工业学院)，湖北十堰 442002)

0 引言

随着汽车工业的发展，人们对出行时乘坐舒适性也逐渐提高。客车的平顺性直接影响着乘坐舒适性，因此提高客车平顺性变得越来越重要。采用Adams/car虚拟样机技术，建立多体动力学模型，能在较短时间内获得最佳的悬架参数匹配，为改善整车平顺性做出指导。本文作者以某客车为研究对象，在ADAMS/Car 中建立了该整车的多体动力学模型，分析它在4种不同路面道路上行驶平顺性，并利用ADAMS/Insight对该客车前后轮弹簧刚度和前后减振器阻尼参数进行优化，以降低该客车在水泥道路上行驶时的总加权加速度均方根值，提高了其在水泥道路上行驶时的舒适性。

1 平顺性评价方法

ISO 2631-1:1997规定用加权加速度均方根值来评价车辆的平顺性。本文作者通过ADAMS/Ride模拟客车在不同等级道路上行驶，得到其在x、y、z3个方向的加速度时间历程曲线，采用FFT功能得到功率谱密度Ga(f)，总加权加速度均方根值：

αv=[(1.4αxw)2+(1.4αyw)2+αzw2]1/2

(1)

当αw小于0.315 m/s2时，人没有不舒适；αw在0.315～0.63 m/s2之间时，人有一些不舒适；αw在0.5～1.0 m/s2之间时，人会感觉相当不舒适[1]。

2 整车和道路模型的建立

2.1 整车模型的建立

客车前悬架为双横臂悬架，该悬架的上下臂前后端通过衬套与副车架连接，外端通过球铰接与转向节连接后连接到车轮。客车后悬架使用扭力梁悬架，左右车轮装在一个扭力梁的两端。在ADAMS/Car中，从Adjust的Hardpoint中更改前后悬架硬点坐标，将前后悬架与制动系统、转向系统、动力系统以及车身等系统进行组合，在四柱试验台上建立了客车整车仿真模型，见图1。

图1 整车在四柱试验台上的模型

2.2 道路模型的建立

利用ADAMS自带的路面生成器建立道路模型，路面生成器见图2。路面生成器中，Ge、Gs和Ga分别表示白噪声的空间、速度和加速度的功率谱密度幅值。模拟路面长度1 000 m，采用间隔为5 m，道路表面波长关联长度为5 m。

图2 Sayers路面生成器

采用路面生成器模拟光滑水泥路面、水泥路面、光滑沥青路面和沥青路面，道路的Ge、Gs和Ga参数见表1[2]。路面生成器模拟的2D路面见图3，将得到的路面曲线施加在四柱试验台上客车的左、右车轮。

表1 道路模型参数

图3 不同等级路面道路谱

3 悬架性能参数优化

3.1 优化前整车平顺性

在ADAMS/Ride四柱试验台上，模拟客车整车以车速60 km/h在4种不同道路上行驶，仿真时长为6 s，得到4种道路上在x、y和z3个方向的加速度随时间变化曲线。图4是模拟客车在光滑水泥路面上行驶时，x、y、z3个方向的加速度时间历程曲线和功率谱密度曲线。根据公式(1)结合客车在3个方向的加速度时间历程和功率谱密度数据，在MATLAB中进行计算，得到客车在这4种路面的加权加速度均方根结果，见表2。

图4 光滑水泥路面客车仿真曲线

m/s2

从表2可以看出：该客车在光滑水泥路面、光滑沥青路面和沥青路面行驶时，各方向加权加速度均方根值及总加权加速度均方根值均小于0.315 m/s2，舒适性较好。在水泥路面行驶时，总加速度均方根值αv为0.319 7 m/s2，大于“人没有不舒适”时的0.315 m/s2，表明该车在水泥路面行驶时，人有一定的不舒适，因此需要对总加速度均方根值进行优化。

3.2 平顺性参数优化

在ADAMS/Insight模块中，对该客车在水泥路面行驶时总加速度均方根值进行优化。优化目标为水泥路面的横向、纵向和垂向加权加速度均方根值最小；设计变量为前后悬架的弹簧刚度比和减振器阻尼比，用Kf和Kr表示前后弹簧刚度比，Cf和Cr表示前后减振器阻尼比[3]。将前后悬架弹簧刚度比和减振器阻尼比的变化范围均设置为0.4～0.6。采用DOE Response Surface(RSM)建立仿真模型，DOE设计类型选择Latin Hypercube，得到的设计变量矩阵见表3。

表3 设计变量矩阵表

优化前后，水泥路面上x、y和z向加速度曲线对比见图5。优化后，客车在水泥路面行驶时x、y和z方向的加速度均比优化前有所降低。

图5 优化前后加速度曲线比较

优化后3个方向的加权加速度均方根值分别为0.129 2、0.100 9和0.203 0 m/s2，均小于0.315 m/s2，且总加速度均方根值由0.319 7 m/s2减小到0.306 4 m/s2，低于“人体有不舒适”时的0.315 m/s2。此时经过优化分析之后Kf、Kr、Cf和Cr的取值分别为0.413 333、0.506 667、0.4和0.413 33。

对前后悬架弹簧和减震器参数进行优化，降低了该客车在水泥路面行驶时3个方向上加权加速度均方根值，同时使总加权加速度均方根值低于0.315 m/s2，该客车平顺性得到了改善。

4 结论

(1)在ADAMS/Car中对客车建模，并分析了该客车在光滑水泥道路、光滑沥青道路、水泥道路和沥青道路等路面上以60 km/h行驶时的平顺性，该客车在水泥道路行驶时总加权加速度均方根值较大。

(2)利用ADAMS/Insight对该客车前后轮弹簧刚度和前后减振器阻尼参数进行了优化。优化后，在水泥道路行驶时，客车的横向，纵向及垂向加权加速度均方根值均减小，总加权加速度均方根值明显降低，客车的平顺性得到了改善。