三軸越野車平順性與通過性仿真

張陽陽，安曉衛(wèi)

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

進(jìn)入21世紀(jì)，世界汽車工業(yè)正朝著安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適的方向發(fā)展，尤其是乘坐舒適性(即汽車的平順性)已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展的四大課題之一。在國內(nèi)外汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，如何在汽車設(shè)計(jì)階段就能對(duì)汽車的平順性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和評(píng)估，縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，已成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)取勝的關(guān)鍵，因此汽車平順性技術(shù)的研究日益受到國內(nèi)外汽車設(shè)計(jì)專家的重視［1-3］。汽車的平順性是指:當(dāng)汽車在行駛過程中，控制由于路面不平而對(duì)汽車產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊在一定界限范圍內(nèi)，保證乘員的舒適性和貨物完好無損。文獻(xiàn)［3］建立了整車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用隨機(jī)振動(dòng)理論給出了振動(dòng)形態(tài)、懸架動(dòng)撓度、車輪動(dòng)載荷、座椅加速度等參量的計(jì)算方法。文獻(xiàn)［4-5］利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立兩軸車的仿真模型，在隨機(jī)路面和脈沖路面下進(jìn)行仿真，但在計(jì)算加權(quán)加速度均方根時(shí)未將頻率加權(quán)函數(shù)考慮在內(nèi)。文獻(xiàn)［6］根據(jù)越野汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和平順性試驗(yàn)方法建立越野車模型，研究了不同越野車型在多種路面下的平順性。文獻(xiàn)［7］通過理論分析，建立了路面對(duì)四輪汽車輸入的時(shí)域模型，先是對(duì)該車平順性進(jìn)行仿真計(jì)算，然后對(duì)懸架進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［8］利用SIMULINK建立了基于被動(dòng)懸架和基于半主動(dòng)懸架的1/2三軸車七自由度數(shù)學(xué)模型，利用Lab VIEW軟件搭建車輛平順性試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，開發(fā)了車輛隨機(jī)輸入平順性試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件。文獻(xiàn)［9］由CAD軟件導(dǎo)入車身模型，在ADAMS中完成三軸車的裝配，利用Visual Basic編制了不同的路面文件并進(jìn)行仿真，但在后處理求解加權(quán)加速度均方根值時(shí)也忽視了頻率加權(quán)函數(shù)。本文在ADAMS/CAR中建立三軸車仿真模型，在隨機(jī)路面和脈沖路面下進(jìn)行不同車速的平順性仿真分析，并考慮到越野車長期工作在極端惡劣環(huán)境中，在壞路甚至是無路的工況下，進(jìn)行了該車通過石階和溝壕的仿真試驗(yàn)。

1 仿真模型

1.1 懸架模型

懸架采用雙橫臂獨(dú)立懸架，為多剛體模型。其中包括上、下橫臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、活塞式減震器和彈簧、橡膠襯套等其他零部件，如圖1所示。減震器與車身用萬向節(jié)鉸相連;上、下橫臂的內(nèi)端通過旋轉(zhuǎn)鉸與車身做連接，連接處裝有隔振襯套，外端通過球鉸副與轉(zhuǎn)向節(jié)相連;驅(qū)動(dòng)軸兩端分別通過等速萬向節(jié)與車輪軸和差速器相連。

1.2 輪胎模型

輪胎性能的好壞對(duì)汽車平順性的影響至關(guān)重要。因此，為較好的反應(yīng)真實(shí)情況，提高仿真精度，需選擇合適的輪胎模型。ADAMS中提供了六種用于動(dòng)力學(xué)仿真的輪胎模型，分別是Fiala模型、UA(University of Arizona)模型、SMITHERS模型、Magic Formula模型、用戶自定義模型和FT-ire(柔性環(huán)輪胎)模型。

圖1 懸架模型

本文采用Fiala輪胎模型，該模型是由德國學(xué)者Fiala［10］提出的彈性圓環(huán)狀梁模型，它將輪輞簡(jiǎn)化為剛性圓板，胎體用支撐在圓板上的彈簧表示，胎冠則簡(jiǎn)化為圓環(huán)梁并由彈簧支撐。其輪胎參數(shù)如表1所示。

表1 輪胎主要特性參數(shù)

1.3 動(dòng)力系統(tǒng)及整車裝配

本文利用ADAMS/CAR對(duì)六輪驅(qū)動(dòng)三軸車進(jìn)行平順性仿真分析。與兩軸車相比，其主要難點(diǎn)在于:必須要修改ADAMS軟件中的配置文件，使之能夠識(shí)別三軸車的中排懸架和中排輪胎;并且添加動(dòng)力系統(tǒng)為汽車提供動(dòng)力，添加前后傳動(dòng)軸以實(shí)現(xiàn)該車的六輪驅(qū)動(dòng)。仿真采用的動(dòng)力系統(tǒng)模型是將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器三者結(jié)合在一起，從動(dòng)力提供、動(dòng)力傳遞到動(dòng)力分配構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。該動(dòng)力系統(tǒng)僅有一個(gè)自由度，即輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該越野車車架采用脊梁式，由一根位于汽車左右對(duì)稱中心的大斷面管型梁和懸伸托架構(gòu)成;傳動(dòng)軸從脊梁的中間穿過;這要求車架必須與斷開式驅(qū)動(dòng)橋和獨(dú)立懸架相匹配。與其它車架相比，脊骨式車架有較大的扭轉(zhuǎn)剛度。

根據(jù)越野車的設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)參數(shù)，在ADAMS/CAR中對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配。所裝配的零部件包括前、中、后排懸架子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，前、中、后排輪胎子系統(tǒng)，車身子系統(tǒng)、剎車子系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)及前、后傳動(dòng)軸子系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)之間通過通訊器連接。應(yīng)特別注意子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間通訊器的匹配，以確保相關(guān)零部件之間數(shù)據(jù)信息的傳遞和交換。裝配完成的整車模型如圖2所示。該模型共有9個(gè)自由度，其中包括6個(gè)車輪的垂直方向自由度和質(zhì)心處的3個(gè)平動(dòng)自由度。

圖2 整車模型

2 隨機(jī)路面上的平順性評(píng)價(jià)方法

ISO2631-1∶1997(E)［11］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)加權(quán)加速度時(shí)間歷程aw(t)的峰值與加權(quán)加速度均方值aw的比值系數(shù)＜9時(shí)，依據(jù)表2所示加權(quán)加速度均方根與人體主觀感覺，采用加權(quán)加速度均方根值來評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)人體舒適和健康的影響。各種汽車包括越野汽車，在正常行駛工況下，這一方法均適用。

表2 加權(quán)加速度均方根與人體主觀感覺

(1)對(duì)加速度時(shí)間歷程a(t)進(jìn)行頻譜分析得到功率譜密度函數(shù)Ga(f)后，再按下式計(jì)算加權(quán)加速度均方根:

式中對(duì)于z方向的頻率加權(quán)函數(shù)為

對(duì)于x、y方向加權(quán)函數(shù)為

(2)質(zhì)心處總加權(quán)加速度均方根值為

3 仿真分析

3.1 C級(jí)、D級(jí)路面上的平順性仿真

根據(jù)GB/7031-1986《車輛振動(dòng)輸入路面平度表示方法》［13］，利用諧波疊加法建立C、D級(jí)隨機(jī)路面。其中C、D級(jí)隨機(jī)路面空間分布如圖3和圖4所示。C級(jí)路面是粗糙未鋪裝沙石路面，峰值范圍為-18～10mm，為自卸車和越野車優(yōu)先選用的試驗(yàn)路面。D級(jí)路面工況比C級(jí)還要差，其峰值范圍-25～32mm，相當(dāng)于坑洼不平的野外道路。根據(jù)GB/T4970-1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》［14］，分別在C、D級(jí)隨機(jī)路面下對(duì)汽車進(jìn)行平順性仿真。C級(jí)路面試驗(yàn)車速分別為30、40、50、60 和 70km/h，D 級(jí)路面車速分別為10、20、30、40 和 50km/h。當(dāng)車以 70km/h 速度在C級(jí)路面上行駛，其質(zhì)心垂直方向的加速度時(shí)間歷程如圖5所示。對(duì)該加速度時(shí)間歷程進(jìn)行頻譜分析得到功率譜密度函數(shù)，如圖6所示。

圖3 C級(jí)隨機(jī)路面空間分布

圖4 D級(jí)隨機(jī)路面空間分布

圖5 質(zhì)心處垂直加速度曲線

圖6 加速度功率譜密度曲線

人體對(duì)不同頻率的振動(dòng)敏感程度不同，使人體內(nèi)臟產(chǎn)生共振的頻率范圍在4～8Hz，當(dāng)振動(dòng)頻率為8～12.5Hz時(shí)對(duì)人體脊柱系統(tǒng)影響最大［11］。ADAMS軟件的均方根值(RMS)沒有考慮不同頻率的振動(dòng)對(duì)人體的影響，因此，為研究不同頻率的振動(dòng)對(duì)人體影響的敏感度，引入頻率加權(quán)函數(shù)計(jì)算加速度均方根，即先按式(1)將頻率加權(quán)函數(shù)離散化并導(dǎo)入ADAMS中生成加權(quán)函數(shù)曲線，再將該曲線的平方與對(duì)應(yīng)的加速度功率譜密度曲線相乘后得到一條新的曲線，最后對(duì)這條新曲線在頻率區(qū)間上積分再開方即得到該方向上的加權(quán)加速度均方根值。按照此種方法分別求解不同路況和車速下x、y、z方向的加權(quán)加速度均方根值axw、ayw和azw，再利用式(4)求出相對(duì)應(yīng)的總的加權(quán)加速度均方根av，如表3所示。

表3 不同路面和車速下的加權(quán)加速度均方根值

3.2 脈沖路面輸入下的平順性仿真

汽車正常行駛過程中，有時(shí)會(huì)突然遇到障礙物，這些障礙物會(huì)以脈沖形式使汽車振動(dòng)突然增大，影響汽車的舒適性。因此，對(duì)汽車進(jìn)行脈沖路面隨機(jī)輸入下的平順性仿真顯得尤為必要。

根據(jù)GB/T5902-86《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》［15］，建立三角形凸塊脈沖輸入路面，其中三角形凸塊高60mm、長為400mm。汽車分別以30、40和50km/h的速度通過該凸塊，不同車速下車身質(zhì)心處的垂直加速度曲線如圖7、圖8和圖9所示。圖中的三處峰值，分別對(duì)應(yīng)前、中、后車輪通過凸塊時(shí)質(zhì)心處的加速度響應(yīng)。根據(jù)ISO2631對(duì)健康的評(píng)價(jià)方法［11］，脈沖輸入路面下車身傳遞給乘員的最大加速度大于43m/s2時(shí)將危害乘員的健康，小于31.44m/s2時(shí)對(duì)乘員的健康沒有危害，在31.44～43.02m/s2之間時(shí)對(duì)乘員的健康有一定危害。當(dāng)車速為30km/h、40km/h、50km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的車身質(zhì)心處的垂直加速度最大值分別是3.8m/s2、5.2m/s2、7.2m/s2，這些值均遠(yuǎn)小于31.44m/s2，故對(duì)乘員健康沒有危害。

圖7 質(zhì)心處垂直加速度曲線(30km/h)

圖8 質(zhì)心處垂直加速度曲線(40km/h)

圖9 質(zhì)心處垂直加速度曲線(50km/h)

4 越野車特定工況仿真

對(duì)越野車進(jìn)行特定工況的仿真研究，主要包括越野車以20km/h初始速度通過一垂直臺(tái)階(高0.3m，寬0.5m)和越過一水平壕溝(深0.3m，寬0.5m)。車輛在受到?jīng)_擊的情況下，人體所獲得的加速度是造成其生理損傷的重要因素，而垂直方向的沖擊是最主要的沖擊形式。目前美國針對(duì)越野車輛規(guī)定了在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)車速下，車身質(zhì)心處垂直方向最大加速度不能超過2.5 g［16］(g=9.8 m/s2)。

圖10為越野車駛過臺(tái)階時(shí)的質(zhì)心垂直加速度曲線，圖中的三處波峰值是按時(shí)間順序依次對(duì)應(yīng)前、中、后輪駛過臺(tái)階時(shí)的振動(dòng)情況。當(dāng)前輪過臺(tái)階時(shí)質(zhì)心處的垂直加速度值最大，為-10.3m/s2，出現(xiàn)在前輪從障礙物上駛下的時(shí)刻。圖11為越野車駛過臺(tái)階工況下質(zhì)心垂直方向的位移曲線，此種工況下質(zhì)心的位移最大值為53mm。圖12為越野車駛過溝壕工況，三處明顯的峰值分別表示前、中、后輪依次駛過溝壕時(shí)的質(zhì)心的振動(dòng)情況。從圖12中可以看出，當(dāng)前輪駛過溝壕時(shí)車身質(zhì)心處的振動(dòng)加速度最大，值為17.5m/s2，出現(xiàn)在前輪駛出溝壕時(shí)刻。圖13為越野車駛過溝壕時(shí)車身質(zhì)心處的垂直位移曲線，車的質(zhì)心由于重力的作用先向下運(yùn)動(dòng)，然后受到溝壕的沖擊再向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)心的最大位移量70mm，方向向下。

圖10 質(zhì)心處垂直加速度曲線(臺(tái)階)

圖11 質(zhì)心處位移曲線(臺(tái)階)

圖12 質(zhì)心處垂直加速度曲線(溝壕)

圖13 質(zhì)心處位移曲線(溝壕)

5 結(jié)論

(1)在C級(jí)、D級(jí)路面下不同車速的仿真結(jié)果表明:C級(jí)路面下，該車具有較好的平順性;D級(jí)路面下當(dāng)車速超過20km/h，乘客會(huì)有不舒服的感覺，建議在此種路面工況下，降低車速在20km/h以內(nèi)行駛。在脈沖路面輸入下，車身質(zhì)心處垂直加速度的最大值遠(yuǎn)小于ISO2631規(guī)定的對(duì)人體有危害的數(shù)值，所以不會(huì)對(duì)乘員的身體健康造成危害。

(2)參照美國特種車輛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該款越野車進(jìn)行了包括通過垂直臺(tái)階和水平壕溝的動(dòng)力學(xué)仿真分析，兩種工況下質(zhì)心處垂直加速度最大值均小于美國越野車輛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)2.5g，說明該車具有通過一定垂直臺(tái)階和水平壕溝能力。

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