基于ADAMS的等臂式平衡懸架建模及整車平順性仿真

江浩斌，張澤華，李龍晨，唐傳政，冒維維

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于ADAMS的等臂式平衡懸架建模及整車平順性仿真

江浩斌，張澤華，李龍晨，唐傳政，冒維維

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對某重型廂式運(yùn)輸車的第3軸與第4軸之間的等臂式平衡懸架，在借鑒離散梁法思想的基礎(chǔ)上，將ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模塊與ADAMS/View相結(jié)合，提出了一種高效而靈活地建立等臂式平衡懸架鋼板彈簧模型的新方法。在ADAMS/View中分別建立了等臂式平衡懸架模型、前橋懸架模型及整車動力學(xué)模型，進(jìn)行了整車隨機(jī)路面行駛平順性仿真，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了提出的等臂式平衡懸架建模方法的可行性和所建的整車多體動力學(xué)模型的有效性，可為多軸重型商用車動力學(xué)建模和平順性仿真研究提供有益的參考。

車輛工程；等臂式平衡懸架；鋼板彈簧；建模方法；平順性仿真

0 引 言

鋼板彈簧是車橋與車架(或車身)之間的彈性連接件,其作用是緩和并吸收沖擊和振動，同時(shí)起到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用[1]。在多軸式商用車動態(tài)性能仿真過程中，建立合理的等臂式平衡懸架鋼板彈簧模型是一項(xiàng)重要的工作。等臂式平衡懸架的鋼板彈簧在結(jié)構(gòu)上與常見的多片式鋼板彈簧懸架有較大區(qū)別，它沒有卷耳、吊耳等零部件。在ADAMS軟件中，等臂式平衡懸架鋼板彈簧的建模方法有以下3種。

1)SAE三段梁法[2]。該法是一種簡化的鋼板彈簧模型，將板簧看成中間的剛性桿(U型螺栓固定)和兩側(cè)的簡支梁構(gòu)成，剛性桿與兩端簡支梁用彈性村套連接。通過調(diào)整合適的襯套參數(shù)使之達(dá)到實(shí)際鋼板彈簧剛度。其優(yōu)點(diǎn)是建模簡單，仿真速度快，但仿真精度不高。

2)模態(tài)法。該方法是在有限元軟件(如ANSYS等)中建立鋼板彈簧模型并生成中性文件，然后導(dǎo)入到ADAMS中與其它部件連接。該方法的優(yōu)點(diǎn)是精確度高，但仿真速度低，尤其是在進(jìn)行整車仿真時(shí)計(jì)算量很大。在設(shè)計(jì)階段調(diào)整鋼板彈簧弧高特別費(fèi)時(shí)[3]。

3)離散梁法。利用ADAMS/Car中的非線性梁建立板簧模型[4]，將各片鋼板彈簧離散化，每段均看作為一個剛體，段與段之間用BEAM梁連接。優(yōu)點(diǎn)是直接在ADAMS/Car中建模，便于建立整車模型。在整車設(shè)計(jì)階段，可以直接修改板簧模型，但是離散梁鋼板彈簧模型是由一定數(shù)量的剛體組成，對這些剛體逐個修改也比較費(fèi)時(shí)。

基于多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS，在借鑒離散梁法思想的基礎(chǔ)上，將ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模塊與ADAMS/View有機(jī)結(jié)合，從改善建模靈活性和建模效率的角度對等臂式平衡懸架鋼板彈簧的建模方法作了新的探索，并應(yīng)用于某廂式運(yùn)輸車進(jìn)行平順性仿真[5]。

1 建模與驗(yàn)證

ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模塊專門用來建立普通的多片式鋼板彈簧模型。圖1為Leaf Spring模塊的工作界面，設(shè)計(jì)者只需要將鋼板彈簧的主要參數(shù)輸入到相應(yīng)的工作欄目中，便可生成所需要的鋼板彈簧模型[6]。表1是某廂式運(yùn)輸車等臂式平衡懸架的鋼板彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 Leaf Spring模塊工作界面

表1 鋼板彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)該廂式運(yùn)輸車的懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，鋼板彈簧在零負(fù)載時(shí)的弧高為39 mm；滿載狀態(tài)下載荷為84 560 N，此時(shí)鋼板彈簧的弧高為(16.5±6)mm，對應(yīng)的彈性變形量為(22.5±6)mm，鋼板彈簧總成剛度的設(shè)計(jì)要求為(3 722.4±372.2)N/mm。為避免建模時(shí)自由度過多，采用三片等厚鋼板彈簧進(jìn)行等效模擬[7]。

在Leaf Spring模塊里設(shè)置好鋼板彈簧的基本參數(shù)并生成鋼板彈簧初始模型，將生成好的鋼板彈簧模型導(dǎo)入ADAMS/View中，顯然，此時(shí)的鋼板彈簧模型中有很多零部件及約束是等臂式平衡懸架所沒有的，如圖2。

1—前卷耳與大地的約束；2—前卷耳；3—鋼板彈簧底片與虛擬軸的約束；4—虛擬軸上的力；5—后卷耳與吊耳的約束；6—吊耳；7—后卷耳；8—后卷耳與大地的約束

圖2 未修改的鋼板彈簧模型

Fig.2 Unmodified model of Leaf Spring

根據(jù)圖2中突出的零部件及約束，對鋼板彈簧模型進(jìn)行修改，修改后的鋼板彈簧模型如圖3。

圖3 修改后的鋼板彈簧模型

對修改后的鋼板彈簧模型進(jìn)行剛度特性仿真測試，如圖4。

1,5—固定副；2,4—平面副；3—力矢量

圖4中，鋼板彈簧的兩端與平臺之間采用平面副約束，平臺與大地之間采用固定副連接，在鋼板彈簧模型的正中上方施加一個線性作用力。圖5為仿真得到的鋼板彈簧剛度曲線。顯然，鋼板彈簧的剛度值介于3 350.2～4 094.6 N/mm之間，在滿載負(fù)荷84 560 N時(shí)，弧高變形量為22.54 mm，因此，所建的鋼板彈簧模型達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 鋼板彈簧剛度曲線

修改鋼板彈簧模型時(shí)，只需要在Leaf Spring模塊中調(diào)整相應(yīng)的鋼板彈簧參數(shù)，并將生成好的鋼板彈簧初始模型導(dǎo)入到ADAMS/View中，按照上述方法進(jìn)行修改，即可獲得所需要的鋼板彈簧模型。采用Leaf Spring模塊與ADAMS/View相結(jié)合建立等臂式平衡懸架鋼板彈簧模型的方法，既降低了工作量，提高了建模效率，也便于對鋼板彈簧進(jìn)行修改。

2 動力學(xué)模型建模

圖6是在ADAMS/View中建立的等臂式平衡懸架動力學(xué)模型。

1—三軸；2—三軸左縱向推力桿；3—心軸；4—四軸左縱向推力桿；5—四軸；6—鋼板彈簧；7—四軸上縱向推力桿；8—車架橫梁；9—三軸上縱向推力桿；10—三軸右縱向推力桿；11—四軸右縱向推力桿

圖6 等臂式平衡懸架多體動力學(xué)模型

Fig.6 Model of equal arm balance suspension

由于導(dǎo)入ADAMS/View中的鋼板彈簧處于自由弧高狀態(tài)，而在實(shí)車中裝配的等臂式平衡懸架鋼板彈簧是要承受靜態(tài)作用力的，其弧高會減小，因此，如果直接將鋼板彈簧模型導(dǎo)入等臂式平衡懸架模型中，則鋼板彈簧兩端與第3和第4軸的兩端會出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，如圖7(a)。

為了解決這一問題，作者在鋼板彈簧兩端分別添加一個平臺，如圖7(b)，平臺與鋼板彈簧用平面副約束，仿真時(shí)平臺先上升將鋼板彈簧抬起，使鋼板彈簧與軸的穿透現(xiàn)象解除，相當(dāng)于在仿真前給鋼板彈簧施加了一定的裝配力。

圖7 鋼板彈簧與軸的穿透現(xiàn)象

3 整車動力學(xué)模型的仿真與實(shí)驗(yàn)

在構(gòu)造整車動力學(xué)模型時(shí)，不考慮駕駛室懸置系統(tǒng)。整車動力學(xué)模型主要由以下5大部分構(gòu)成：前橋懸架動力學(xué)模型，后橋等臂式平衡懸架動力學(xué)模型，駕駛室、車架和車廂模型，輪胎模型以及路面激勵譜。前橋鋼板彈簧模型的建模也采用ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模塊[8]。采用UA輪胎模型和B級隨機(jī)路面譜，構(gòu)造好的整車動力學(xué)模型如圖8。

圖8 整車動力學(xué)模型

仿真時(shí)車速設(shè)為40，50，60，70，80 km/h。仿真初始3 s先讓后橋等臂式平衡懸架的鋼板彈簧各端平臺上升，使穿透現(xiàn)象解除，然后進(jìn)行整車隨機(jī)路面仿真?？紤]整車動力學(xué)模型中第3軸與第4軸之間的等臂式平衡懸架主要對車廂平順性有直接的影響，仿真結(jié)束后計(jì)算出車廂底板中心處垂直加速度均方根值[9]。

對實(shí)驗(yàn)樣車進(jìn)行整車行駛平順性試驗(yàn)，如圖9。平順性試驗(yàn)采集系統(tǒng)采用比利時(shí)LMS公司的SCADAS Mobile SCM05數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配合美國PCB公司制造的加速度傳感器。試驗(yàn)結(jié)束后，將車廂底板中心處垂直加速度均方根值的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表2。

圖9 實(shí)驗(yàn)樣車行駛平順性試驗(yàn)

表2 不同車速下車廂底板質(zhì)心處垂直加速度均方根值對比

從表2可以看出，隨著車速提高，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢基本一致，除了在40 km/h時(shí)的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的偏差較大外，在其余車速時(shí)的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的偏差均小于11%。可見，筆者所建的基于ADAMS的等臂式平衡懸架動力學(xué)模型和整車動力學(xué)模型是正確有效的。將ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模塊與ADAMS/View有機(jī)結(jié)合進(jìn)行等臂式平衡懸架鋼板彈簧的建模方法是可行的，便于在ADAMS中快速建立等臂式平衡懸架模型。

4 結(jié) 語

將ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模塊與ADAMS/View相結(jié)合進(jìn)行等臂式平衡懸架鋼板彈簧建模的方法，降低了等臂式平衡懸架鋼板彈簧建模的難度，同時(shí)也提高了建模的靈活性，便于在ADAMS中快速建立等臂式平衡懸架模型。

基于ADAMS軟件，在建立等臂式平衡懸架動力學(xué)模型中，解決了鋼板彈簧與軸的穿透問題。針對某廂式運(yùn)輸車，建立了整車多體動力學(xué)模型，并進(jìn)行了整車行使平順性仿真，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了所建的等臂式平衡懸架和整車的多體動力學(xué)模型的有效性，可為多軸重型商用車動力學(xué)建模和平順性仿真研究提供有益的參考。

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Study on Modeling of Equal Arm Balance Suspension andSimulation of Vehicle Ride Comfort Based on ADAMS

Jiang Haobin, Zhang Zehua, Li Longchen, Tang Chuanzheng, Mao Weiwei

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

According to the equal arm balance suspension between three and four axle of a heavy van truck, an efficient and flexible method was presented, which was based on the idea of discrete beam method and used in a combined method of Leaf Spring of ADAMS/Chassis and ADAMS/View. Based on ADAMS/View, the equal arm balance suspension dynamic model, the front suspension dynamic model and the vehicle dynamic model were established, then vehicle ride comfort random road input running test was carried out. The results of calculation agreed with the results of experiment. It proves the feasibility of the modeling method of the equal arm balance suspension and the effectiveness of the vehicle dynamics model. It provides helpful reference for the dynamic model of multi-axle heavy truck and the simulations of vehicle ride comfort.

vehicle engineering; equal arm balance suspension; Leaf Spring; modeling method; simulation of ride comfort

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.34

2013-03-21；

2013-06-18

江浩斌(1969—)，男，江蘇啟東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車輛動態(tài)性能控制分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、車輛動態(tài)性能檢測技術(shù)、道路物流車輛運(yùn)行組織與監(jiān)控方面的研究。E-mail：jianghb@ujs.edu.cn

U463

A

1674-0696(2015)03-171-04