路面模型和脉冲对汽车平顺性影响分析

阎肃威 李卓

摘要：以某整车为研究对象，根据多体动力学理论、整车各系统的硬点数据和各项性能参数，在分析软件ADAMS中建立完整子系统，基于虚拟四柱试验台，对汽车各子系统进行装配。在建立的整车多体动力学模型中，根据GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》规定，建立随机路面和凸块脉冲模型，依据汽车底盘传递到人体的纵向、横向、垂向的加速度数值，来评价汽车的平顺性。参照国家标准，对仿真结果进行了研究分析，试验车辆符合平顺性相关标准。

关键词：路面模型;路面脉冲;汽车平顺性;影响因素

一、引言

汽车的平顺性可通过路面-汽车-人来综合分析。路面不平度和车速是汽车振动系统的“输入”，此“输入”经过由轮胎、悬架、坐垫等弹性阻尼元件和悬挂、非悬挂质量构成的振动系统的传递，形成振动系统的“输出”，即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。通过模拟汽车实际试验过程，可以节省人力物力成本，也可以节约试验时间，缩短研发周期，同时还能降低在实际试验中所遇到的危险，和实际路试试验相比，能够更精准地针对整车的性能进行仿真分析。根据 ADAMS建立汽车模型，参照 GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》，在路面轮廓发生器中输入光滑沥青路面激励和单凸块脉冲进行平顺性仿真试验，根据相应国家标准对结果进行评价分析。首先要进行的是路面模型对汽车平顺性影响的分析，这些模型都是根据路面的实际出现的情况进行模拟塑造的，因此得出的数据也更加符合路面情况，包括路面脉冲的影响也是。

二、整车多体动力学模型建立

根据硬点数据，对汽车各个子系统进行建模，然后对各个子系统进行整车模型装配，最后简化整车动力学模型。简化的模型包括前后悬架系统、转向系统、动力系统、车身系统、轮胎系统、制动系统、钢板弹簧和横向稳定杆等子系统。这种模型的建立可以为汽车平顺性的影响建立科学性的测试环境，从而保证测试结果的准确性。在这个过程中，模型的每个环节都是相互关联的，这样在某一个环节点进行测试时就可以从整体的角度对结果进行评估，从而保证最后的测量结果可以达到最高的精度。这些模型都是根据国家的相关标准进行设置的，因此其实验结果具有权威性和实用性，可以作为路面建造时的数据参考。

1.1 轮胎模型建立

汽车轮胎的作用是支撑整车，缓和由路面传来的冲击力;通过轮胎对路面的附着作用来产生驱动力和制动力;汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时，通过车轮产生的制动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向;承担越障，提高通过性。在此，采用FIALA轮胎模型，选用型号为245/70R19.5的真空轮胎。

1.2 悬架模型建立

本研究所选用的前、后悬架系统均为钢板弹簧非独立悬架。在建立模型前，首先将各个部件的硬点坐标确定好，然后根据这些硬点坐标创建部件，将这些部件利用约束连接在一起，再加上一些通信器组成前、后悬架模型。在ADAMS模块中，采用对称建模，即先建立汽车左半部分模型或者汽车右半部分模型，然后选择生成对称部分的模型。

1.3 整车模型建立

通过 ADAMS/Car模块在标准界面进行整车动力学模型装配。将建成的悬架系统、转向系统、动力总成系统、制动系统、轮胎模型、车身系统和钢板弹簧等通过通信器连接，将整车模型装配在四立柱试验台上，并对建好的整车动力学模型进行检查，确保整车模型的正确性。

三、光滑沥青路面平顺性仿真

2.1 光滑沥青路面生成

在进行汽车行驶平顺性仿真之前，先利用ADAMS/Car插件建立仿真时需要的路面文件，即路面模型。建立路面模型时，可以根据路面生成器随机生成 A级光滑沥青路面，即打开软件 Road-Profile Generation，输入 A级路面参数。对于设置好的随机A级路面模型，可以在 ADAMS/POSTPROCESSOR后处理模块中观察路面的外廓。不同路面所对应的路面粗糙度不同，参数也对应不同。

2.2 光滑沥青路面仿真分析

在ADAMS软件中，利用路面编辑器编写 A级路面，在路面轮廓发生器中输入 Ge=0、Gs=6、Ga=0来生成 A级路面模型。根据国家标准 GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》，在 A级路面仿真时，车速分别为 40、50、60、70km/h。根据 ADAMS软件后处理功能，得到汽车底盘 x、y、z方向的加速度時间历程。然后对加速度时间历程曲线进行频谱分析，得到加速度功率谱密度曲线，并进一步计算各轴向加权加速度均方根值。

2.3仿真结果分析

该车分别以 40、50、60、70km/h车速在光滑沥青路面行驶，分别获得各个车速下汽车底盘纵向、横向、垂向加速度时域曲线。由于各车速下的曲线类似，不再逐一显示。采用加权加速度均方根值来评价汽车振动对人体舒适性和健康的影响，需要求出各轴向加权加速度均方根值。

四、凸块脉冲输入平顺性仿真

3.1 凸块脉冲路面建模及评价标准

根据国家标准 GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》中对三角形凸块形状进行了规定，即三角形凸块高 80mm，底边长 400mm。在软件 ADAMS中建立所需的模型。在进行脉冲路面输入汽车平顺性仿真时，采用人体的垂向加速度。通常，汽车底盘处的垂向加速度值是座椅上人体感受到的加速度值的1.4倍以上，这里按1.4倍计算。按照规定，脉冲输入下平顺性的评价方法，采用座椅表面传递给乘员的最大加速度响应绝对值ACCmax作为评价指标。

3.2脉冲输入仿真结果分析

根据 GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》要求，脉冲输入的车速分别为：10、20、30、40、50、60km/h。由于各车速下的曲线类似，不再逐一显示。

实线为底盘处的垂向加速度曲线，虚线为求绝对值后的曲线，用最大值乘以重力加速度（g=9.8m/s2），然后再除以1.4，即得到不同速度v车下座椅表面传递给乘员的最大加速度响应绝对值 ACCmax，三角形凸块脉冲仿真结果如表 3所示。由表 3可知，该车以车速 10km/h通过单凸块脉冲路面时，人体此时的垂向加速度最大，且最大值为 5.831m/s2（小于 31.44m/s2）。此时对驾驶员健康不构成任何危害，因此汽车驶过单凸块脉冲路面时其平顺性良好，符合国家标准。

结束语：通过对试验车辆进行随机路面和凸块脉冲路面的平顺性仿真分析，得到由座椅至人体的加速度曲线，由此可以得出结论：

（1）该车在400～70km/h光滑沥青路面行驶时，传递给人体的垂向最大加速度为0.121m/s2，最大总加权振级为 101.620dB，小于给定的标准值，乘客没有感到不舒适，符合国家标准。

（2）该车通过单凸块脉冲路面时，人体垂向最大加速度为5.831m/s2，小于标准值，对人体健康不构成任何危害，符合平顺性相关标准。

（3）在仿真过程中，考虑到橡胶件等模型参数的不精确及做的一些简化处理，试验车辆在实际使用过程中，平顺性可能有稍微的差别。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[2]GB/T4970-2009，汽车平顺性试验方法[S].

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[4]周长峰，李延骁，刘佳，等.基于 ADAMS的脉冲路面车辆行驶平顺性仿真研究[J].拖拉机与农用运输车，2012，39（2）：22-25.