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1、美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司 2001 年中国用户年会论文集-133-随机路面输入的汽车平顺性仿真分析随机路面输入的汽车平顺性仿真分析许先锋北汽福田车辆股份有限公司技术研究院前言前言现在随着汽车技术的发展和人们对汽车产品性能及质量要求的日益提高，一个汽车产品的生命周期越来越短，且一个全新汽车产品的概念开发和设计也日益提前，以适应激烈市场竞争的需求，在试制出物理样车之前，有必要对所开发的汽车的平顺性有一个清楚的了解，评价该车的乘坐舒适性是否满足设计要求，以避免在试制出物理样车并对其进行平顺性试验后，发现平顺性不满足要求而重新更改设计所造成的试制费用和设计时间
2、的巨大浪费。仿真分析是适应这一要求的最佳途径，因为仿真分析采用虚拟样机技术，其具有丰富的建模功能和强大的运动学、动力学解算能力，可以建立规模庞大、机构复杂、系统级的仿真模型，为进行汽车整车性能仿真分析带来了可能。美同 MDI 公司的 ADAMS 软件是世界一流首屈一指的大型机械系统运动学、动力学仿真分析软件，本次平顺性分析的整车仿真模型就是在 ADAMS10.0 中建立，仿真模型原型是福田公司新开发的某一型号轻卡。由于平顺性分析对不同等级路面的不平度和人体对振动的敏感程度有严格的规定，如果仅依靠仿真软件仍然很难进行整车平顺性仿真分析，因此在建立整车仿真模型的同时，我们开发了适用于 ADAMS
3、轮胎模型要求的不同等级路面生成软件和平顺性评价软件，运用所开发的软件与 ADAMS 相结合，成功地实现了整车平顺性仿真分析。1.1.整车仿真模型的建立整车仿真模型的建立汽车在行驶过程中，来自路面的激励是影响乘员乘坐舒适性的主要因素，平顺性主要是根据乘坐者的舒适性来评价，故其又称为乘坐舒适性。汽车以一定的车速驶过随机的路面，路面不平度经轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和非悬挂质量、悬挂质量构成的振动系统传递到人体，则前后车桥（非悬挂质量），车架、车身、货箱（悬挂质量）和人体的振动加速度是平顺性的评价对象，因此仿真模型中必须包括以下几个部分：1） 前后车桥、前钢板弹簧、后主簧、后副簧、前后减振器、
4、车身(包括车架、驾驶室和货箱)、座椅和人体。在本仿真模型中，考虑了后副簧与车架缓冲块的相互冲撞作用；前后减振器简化为一阻尼约束（DAMPER）；车架与前后车桥通过钢板弹簧和减振器联接起来；座椅简化为一弹性、阻尼约束（SPRING-DAMPER），其将人体与车身地板相联；人体简化为65Kg 的质量块。构造整车仿真模型的一大难点是如何构造前、后钢板弹簧和后副簧，并且使前、后钢板弹簧总成的刚度与实际情况一致。通过对不同车型的钢板弹簧仿真计算，我们摸索出一套构造钢板弹簧仿真模型的规律和方法，应用该规律和方法，仅通过建立主片簧的仿真模型，同时在主片簧的段与段相联接的梁（BEAM）单元的截面参数中考虑了其
5、它片簧的影响，这样仅用主片簧就可以代替整个板簧总成，一方面可以大副度地降低整个仿真模型的自由度，有效地减少计算量，另一方面还可以使构造的钢板弹簧仿真模型在几何外形和刚度方美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司 2001 年中国用户年会论文集-134-面与实际情况高度一致，确保了整车仿真分析的准确性。本次分析车型的前、后钢板弹簧和后副簧的有关参数如表 1 所示。表表 1 1弹簧名称片数厚度(mm)宽度(mm)伸直长度(mm)备注前钢板弹簧818片为 6.5mm63.018 片簧的长度分别为：1200，1200，1020，1020，860，700，480，480材料：6
6、0S i2Mn总成刚度：60.2N/mm自由弧高：103 mm骑马螺栓中心距：80mm后钢板弹簧614片为8.0mm, 56 为11.0mm63.016 片簧的长度分别为：1200，1200，1060，920，780，420材料：60S i2Mn后簧刚度：112.68N/mm自由弧高：112 mm骑马螺栓中心距：130mm后副簧313片为 6.5mm6313 片簧的长度分别为：770,570,470材料：60S i2Mn副簧刚度：129.5N/mm自由弧高：50 mm骑马螺栓中心距：130mm前右钢板弹簧的仿真模型如图 1 所示：图 1前右钢板弹簧的力变形曲线和刚度曲线的仿真计算结果如图 2
7、所示：力变形曲线 刚度变形曲线图 2后右钢板弹簧的仿真模型如图 3 所示：美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司 2001 年中国用户年会论文集-135-图 3后右钢板弹簧的力变形曲线和刚度曲线的仿真计算结果如图 4 所示：力变形曲线 刚度变形曲线图 4从图 2 和图 4 所示前后钢板弹簧的力变形曲线和刚度变形曲线的仿真计算结果图上可以看出，仿真计算的板簧刚度值与表 1 所列的刚度数值非常接近，这保证了整车仿真模型的前后悬挂部分与实车相一致，为确保整车仿真分析的准确性打下了基础。2） 转向系。为了保证模型在某一等级的路面上直线行驶，转向系是必须具有的，在仿真模型中转
8、向系包括方向盘、转向柱、转向器输入轴、转向螺母、摇臂轴、摇臂、纵拉杆、转向节臂、转向节、梯形臂和横拉杆。在转向器中考虑了转向系的扭转刚度；转向柱通过 BUSHING 与车身相联；转向柱通过万向节约束（HOOKE）与转向器输入轴相联；通过COUPLER 约束，将转向器输入轴的旋转运动转化为转向螺母沿轴线的位移运动，又将转向螺母的位移运动转化为摇臂轴的旋转运动；纵拉杆通过球销约束（SPHERICAL）与摇臂和转向节臂相联；横拉杆通过球销约束（SPHERICAL）与左右梯形臂相联；左右转向节通过铰链约束（REVOLUTE，相于主销）与前桥左右端相联，此时考虑了主销后倾角和内倾角。转向系部分仿真模型如
9、图 5 所示。图 53） 动力总成、传动轴、主减速器和半轴。动力总成根据转速输出相应的发动机扭矩；传动轴通过前后两个万向节与动力总成和主减速器输入轴相联；通过 COUPLER 约束，根据主减速器传动比的大小，将主减速器的旋转运动与半轴的旋转运动联系起来；半轴通过铰链约束（REVOLUTE）在后桥壳内进行旋转运动。动力总成与传动系部分的仿真模型如图 6所示。美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司 2001 年中国用户年会论文集-136-图 64） 轮胎。轮胎与路面的接触问题以及轮胎模型如何简化，国内外学者一直在进行不断地探索，现在比较成熟和被人们认同的有 FIALA、
10、DELFT、SMITHT 和 UATIRE 轮胎模型。ADAMS 根据这些轮胎模型的理论基础建立了相应的轮胎仿真模型，为建立整车仿真模型带了方便。在本仿真模型中考虑了前轮的外倾角和前束。确定轮胎模型所需的各种参数又是构造整车仿真模型的一大难点，由于DELFT、SMITHT 和 UATIRE 轮胎模型参数较多，一般不易得到，而 FIALA 轮胎模型需要的参数较少，因此我们采用 FIALA 轮胎模型。本次分析车型的前后轮胎均为 6.0014LT，轮辋为，断面宽度 170mm，外直径 680mm，轮胎气压 420KPA，后轮为双胎。本次分析的工J214况是满载，前、后轴载荷分别为 1181.7Kg、
11、2448.3Kg，则前轮载荷为，后轮载荷为。该型号轮胎的 FIALA)(339.579028 . 97 .1181N)(335.599848 . 93 .2448N模型的参数如表 2 所示：表表 2 2参数名称前轮后轮车轮自由半径（R1）mm340340胎体半径（R2）mm81.181.1径向刚度（CN）N/mm352.92354.78纵向滑移刚度（CSLIP）N5.8E46.0E4侧偏刚度（CALPHA）N/Deg444.54466.31外倾刚度（CGAMMA）N/Deg111.13116.58滚动阻力偶臂（CRR）mm6.126.12径向阻尼比（RDR）0.040.04车轮无滑动时的摩擦系
12、数（U0）0.950.95车轮纯滑动时的摩擦系数（U1）0.750.75 前后轮胎模型如图 7、图 8 所示：图 7 前轮胎模型 图 8 后轮胎模型（双胎）5） 路面。构造即满足一定随机分布规律要求又符合轮胎枋真模型要求的路面是建立整车仿真模型的最大难点，通过对路面不平度空间功率谱密度、时间功率谱密度、ADAMS美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司 2001 年中国用户年会论文集-137-对功率谱密度的反变换以及轮胎仿真模型路面文件的深入研究，找出了根据路面不平度空间功率谱密度和车速来生成满足轮胎仿真模型所要求的路面文件的方法，并编制了相应的路面生成软件。应用该软
13、件，可以生成任意等级路面和车速下的道路文件，成功地解决了这个难题。通过对路面大量实测和统计分析，根据 GB7031“车辆振动输入路面平度表示方法”的规定，路面空间位移功率谱密度的拟合表达式采用以下形式：(1)w qqnnnGnG)()(00式中:是路面空间位移功率谱密度，单位；n 空间频率，单位 m-1；)(nGq12/mmn0空间参考频率，n0=0.1m-1；Gq(n0)路面不平度系数，单位；w 频率指数。12/mm在 GB7031 文件中规定，按照功率谱密度 Gq(n)把路面分为八级，并规定了每级路面下的不平度系数 Gq(n0)的取值范围和几何平均值，如表 3 所示。表表 3 3路面不平度
14、系数Gq(n0) 10-6m2/m-1 n0=0.1m-1路面等级下限几何平均上限A81632B3264128C128256512D51210242048E204840968192F81921638432768G3276865536131072H131072262144524288 汽车的振动与车速关系密切，需根据车速将空间频域的功率谱密度 Gq(n)转换为时间频域的功率谱密度 Gq(f)，空间频率与时间频率存在以下关系：f=n.u （2）式中 f 时间频率，单位 Hz；n 空间频率，单位 m-1；u 车速，单位 m/s。则 Gq(f)的表达式为：（3）unGGq fq)()(式中是路面时间位
15、移)( fGq功率谱密度，单位。sm 2因此，在某一车速，根据某一等级路面不平度系数 Gq(n0)的取值，可计算出一定空间频率范围内的 Gq(n)和 Gq(f)数据曲线，将 Gq(f)数据曲线输入 ADAMS，则可计算出路面不平度的时间信号美国 MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司 2001 年中国用户年会论文集-138-q(t)，将 q(t)输入路面生成软件则可以生成这种等级下的路面文件。路面文件生成的流程如图 9 所示。本次分析的是汽车在 B 级路面上行驶，车速为 60Km/h，由路面生成软件产生的部分路面网格如图 10 所示。图 9图 106） 整车仿真模型隐藏掉
16、驾驶室、货箱和路面后的整车仿真模型如图 11 所示，陷藏掉路面后的整车仿真模型如图 12 所示。图 11 图 12随机路面输入的平顺性评价随机路面输入的平顺性评价由于人体的加权评价指标不能从 ADAMS 仿真计算结果中直接得到，只有通过对 ADAMS计算结果作大量的数据处理后才能得到这些评价指标，这又是整车平顺性仿真分析的一个难点。通过对人体平顺性评价方法和 ADAMS 计算结果数据输出功能的研究，我们开发了相应的汽车平顺性评价软件。将 ADAMS 计算结果与该软件相结合，可方便地得到人体各种平顺性评价指标。在平顺性分析中，非悬挂质量、悬挂质量和人体的振动加速度的均方根值是平顺性评价的客观物理量。根据 ISO2631“人承受全身振动的评价指南”要求，人体对不同振动方向、不同频段振动的敏感程度不同，人体的胸腹系统在
