基于ADAMS牽引車車架動(dòng)態(tài)外載荷仿真研究

張敬輝 宋年秀 劉祥斌 孫海云 樊攀

【摘要】根據(jù)傅里葉變換和逆變換的相關(guān)理論，利用matlab編制了模擬路面不平度激勵(lì)的程序，計(jì)算出了時(shí)域路面不平度激勵(lì);利用ADAMS建立了牽引車的虛擬樣機(jī)模型，以得到的時(shí)域路面不平度激勵(lì)為基礎(chǔ)，反求出了牽引車車架的動(dòng)態(tài)外載荷的時(shí)間歷程。為獲取車架的疲勞壽命和進(jìn)一步研究車架動(dòng)態(tài)特性提供了依據(jù)和參考。

【關(guān)鍵詞】牽引車車架;路面不平度;動(dòng)態(tài)外載荷

Abstract：According to the theory of Fourier transform and inverse transform，using matlab prepared a simulated road roughness incentive program，calculated the time-domain road roughness incentive;Established the tractor virtual prototype model by using ADAMS，reversed out the dynamic loads history of the tractor frame based on the road roughness motivation.Provided basis and reference for obtaining frame fatigue life and further research on the frame dynamic response.

Key words：Tractor Frame;Road Roughness;Dynamic Load

1.引言

車架作為非承載式車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部件，不僅作為其他零部件的裝配機(jī)體，還要承受汽車在運(yùn)行中的各種載荷。經(jīng)過(guò)大量研究表明，車架的損壞90%是汽車運(yùn)行過(guò)程中，汽車自身和載重振動(dòng)引起的，隨機(jī)載荷的循環(huán)作用是車架疲勞破壞的根本原因。所以，要分析車架的動(dòng)態(tài)特性，首先必須得到車架隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)外載荷。

2.路面不平度激勵(lì)

2.1 路面不平度函數(shù)

路面不平度指路面凹凸不平的程度，用來(lái)表征路面平整性的好壞，通常會(huì)將路面相對(duì)基準(zhǔn)平面的高度q，沿道路走向長(zhǎng)度I的變化q（I）稱為路面不平度函數(shù)。如圖1所示。用水準(zhǔn)儀或路面計(jì)可以得到路面不平度函數(shù)。

圖1 路面不平度函數(shù)

2.2 路面不平度功率譜密度

根據(jù)GB/T7031-2005《機(jī)械振動(dòng)-道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》，路面功率譜密度用下式作為擬合表達(dá)式：

（1）

式中：——空間頻率（m-1），波長(zhǎng)的倒數(shù);——參考空間頻率，=0.1m-1;——參考空間頻率下的路面功率譜密度，也稱路面不平度系數(shù);W——頻率指數(shù)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦取W=2。

2.3 路面不平度的模擬

離散傅里葉變換是建立有限長(zhǎng)的時(shí)域序列與有限長(zhǎng)的頻域序列變換關(guān)系的方法，式（2）、（3）為傅里葉正變換和逆變換表達(dá)式。

（2）

（3）

根據(jù)牽引車行駛的工況，其路面等級(jí)為D級(jí)，假定車速為40km/h，為了能夠覆蓋整個(gè)固有頻率段，取，采樣間隔為1/110s，采樣點(diǎn)數(shù)為3300。得到的路面時(shí)域位移激勵(lì)信號(hào)如圖2所示。

圖2 40km/h車速下D級(jí)路面的時(shí)域位移激勵(lì)信號(hào)

3.車架動(dòng)載荷的動(dòng)力學(xué)仿真

為了得到車架的動(dòng)態(tài)外載荷，需要對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、簡(jiǎn)化，然后利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立相應(yīng)的虛擬樣機(jī)模型，最后結(jié)合前面得出的分析結(jié)果仿真車架的動(dòng)態(tài)外載荷。

3.1 建立牽引車虛擬樣機(jī)模型

虛擬樣機(jī)模型是利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立的，如圖3所示。力學(xué)參數(shù)主要是指零部件的剛度阻尼等參數(shù)，外界參數(shù)主要是路面不平度激勵(lì)。根據(jù)傅里葉變換與逆變換已經(jīng)得到了時(shí)域路面不平度激勵(lì)。所以，主要確定車架的力學(xué)參數(shù)即可。

圖3 車架相關(guān)參數(shù)

鋼板彈簧的剛度系數(shù)為：前鋼板彈簧的垂直剛度系數(shù)kf=268N/mm，后鋼板彈簧的垂直剛度系數(shù)kr=1780N/mm。輪胎采用的是12.00R20型號(hào)輪胎，具體參數(shù)如1所示。

表1 12.00R20輪胎力學(xué)參數(shù)

參數(shù)名稱 單位 參數(shù)值

徑向剛度 Mm 817.9

徑向阻尼系數(shù) 2.35

輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kgmm2（Ixx，Iyy） 3.64e6

Kgmm2（Izz） 2.16e6

質(zhì)量 Kg 91.4

根據(jù)以上參數(shù)，利用ADAMS建立牽引車虛擬樣機(jī)模型，在ADAMS/View中導(dǎo)入車架，作為一個(gè)單獨(dú)的PART，將懸架和輪胎進(jìn)行簡(jiǎn)化，用彈簧單元模擬懸架和輪胎，通過(guò)標(biāo)示點(diǎn)和約束，建立車架與懸架、輪胎的連接關(guān)系。將車架受到的載荷簡(jiǎn)化為前中后相應(yīng)位置的質(zhì)量塊。創(chuàng)建道路模型時(shí)，在每個(gè)車輪下創(chuàng)建測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)通過(guò)彈簧與車輪接觸，車輪與懸架通過(guò)彈簧連接，因?yàn)槁访娌黄蕉燃?lì)只是在垂直方向上，所以模型相對(duì)于地面在垂直方向運(yùn)動(dòng)。牽引車虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

圖4 虛擬樣機(jī)模型

3.2 仿真車架動(dòng)態(tài)外載荷

在上一節(jié)中建立了車輛的虛擬樣機(jī)模型，將得到的路面時(shí)域位移激勵(lì)信號(hào)施加到測(cè)試平臺(tái)上，進(jìn)行30s動(dòng)態(tài)仿真，得出車架上裝質(zhì)量M1、M2、M3對(duì)車架的作用力的時(shí)間歷程。得到的外載荷結(jié)果如圖5所示。

圖5 車架前中后部動(dòng)載荷時(shí)間歷程

得到了車架動(dòng)態(tài)外載荷時(shí)間歷程后，需要對(duì)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，可以作為疲勞分析的輸入，通常保存為工業(yè)常用格式—.dac格式，能夠?qū)崿F(xiàn)與疲勞分析軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)傅里葉變換和傅里葉逆變換的相關(guān)理論，利用matlab編制相應(yīng)的模擬路面不平度激勵(lì)的程序，得出了牽引車行駛過(guò)程中的時(shí)域路面不平度激勵(lì)，然后在多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中建立了牽引車的虛擬樣機(jī)模型，結(jié)合得到的時(shí)域路面激勵(lì)，仿真出了車架動(dòng)態(tài)外載的時(shí)間歷程。為進(jìn)一步研究牽引車的動(dòng)態(tài)特性提供了依據(jù)，為研究牽引車車架的疲勞壽命奠定了基礎(chǔ)。

該方法具有普遍意義，同樣適應(yīng)于其他車輛的動(dòng)態(tài)外載荷的仿真計(jì)算。利用matlab和ADAMS聯(lián)合仿真具有實(shí)際意義，已經(jīng)在實(shí)際中得到了很好的驗(yàn)證，該方法在車輛開(kāi)發(fā)前期進(jìn)行虛擬樣車的性能分析以及指導(dǎo)車輛參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：張敬輝（1989—），男，碩士，現(xiàn)就讀于青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，研究方向：汽車制動(dòng)性。