基于ADAMS的駕駛室懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡楓 曾發(fā)林 劉雅晨 蔡嘉偉

摘要：商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)作為駕駛室與車(chē)架之間的連接機(jī)構(gòu)，在衰減振動(dòng)、保證乘員舒適性方面起著不可忽視的作用。該文在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中創(chuàng)建駕駛室模型，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并將駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側(cè)向加速度均方根值作為優(yōu)化目標(biāo)，在Insight模塊中進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，通過(guò)合理選取駕駛室懸置系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，提高商用車(chē)駕駛室乘坐舒適性。

關(guān)鍵詞：ADAMS；駕駛室懸置系統(tǒng)；DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）25-0230-03

由于商用車(chē)多用于長(zhǎng)途貨運(yùn)，其駕駛室能否為駕駛員提供較適宜的駕駛環(huán)境直接關(guān)系人身財(cái)產(chǎn)安全，因此，商用車(chē)駕駛室品質(zhì)越發(fā)受到關(guān)注。商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)作為駕駛室與車(chē)架之間的連接機(jī)構(gòu)，在衰減振動(dòng)、保證乘員舒適性方面起著不可忽視的作用[1][2]。

本文以駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側(cè)向加速度均方根值為優(yōu)化目標(biāo)，利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)駕駛室進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并在Insight模塊中進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，通過(guò)合理選取駕駛室懸置系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)，提高商用車(chē)駕駛室乘坐舒適性。

1 駕駛室模型的建立

1.1 駕駛室懸置系統(tǒng)力學(xué)關(guān)系分析

本文以某款商用車(chē)所采用的全浮四點(diǎn)式懸置為基礎(chǔ)，在建立模型之前，首先對(duì)駕駛室的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行分析[3]。在不考慮駕駛室、車(chē)架、車(chē)橋等部件自身彈性變形的情況下，以懸置系統(tǒng)與車(chē)架連接處的垂向振動(dòng)加速度（x1、x2、x3、x4）為激勵(lì)，以駕駛室座椅處垂向加速度y1、縱向加速度y2以及側(cè)向加速度y3為響應(yīng)，可得駕駛室振動(dòng)狀態(tài)方程：

[Xis*Hs=Yjs] [（1）]

式中，[i=1，2，3，4]； [j=1，2，3；]

[Xis=[X1s，X2s，X3s，X4s]]為激勵(lì)拉氏變換，[H（s）]為系統(tǒng)傳遞函數(shù)，[Yij（s）]為響應(yīng)的拉氏變換。

根據(jù)各激勵(lì)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的功率譜密度函數(shù)[G11s]，[G22（s）]，[G33（s）]，[G44（s）]，以及傳遞函數(shù)矩陣

[Hs=[Hiy1s，Hiy2s，Hiy3（s）]]，可求得駕駛室輸出功率譜：

[ Gyjyj=i=i4Hiyj2Gii（s）] [（2）]

由式（2）可得駕駛室三個(gè)方向的加速度均方根值：

[ σyj=0∞Gyjyjsds12=0∞i=i4Hiyj2Gii（s）ds12][（3）]

1.2 創(chuàng)建駕駛室懸置系統(tǒng)模型

由于本文主要以駕駛室座椅處的三向振動(dòng)加速度為響應(yīng)，因此，將駕駛室視作剛體，忽略其自身彈性變形；同時(shí)，考慮到參考車(chē)輛中懸置系統(tǒng)阻尼器的阻尼特性為非線性阻尼，為了方便建模和仿真計(jì)算，本文對(duì)這些元件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的線性化處理，即利用線性的襯套來(lái)替代非線性的阻尼器。

根據(jù)參考車(chē)輛駕駛室及懸置系統(tǒng)基本參數(shù)、模型力學(xué)關(guān)系（式（1）～（3））以及上述簡(jiǎn)化情況，在ADAMS/View中建立駕駛室及其懸置系統(tǒng)振動(dòng)仿真模型如圖1所示。

2 駕駛室模型的檢驗(yàn)

2.1 樣車(chē)道路試驗(yàn)

創(chuàng)建的駕駛室模型是否接近實(shí)車(chē)，將直接影響到后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，因此，本文借助相關(guān)道路試驗(yàn)和仿真對(duì)駕駛室模型的準(zhǔn)確性加以檢驗(yàn)。

本文所選參考車(chē)輛為半掛式載重汽車(chē)，多行駛在高速公路或一、二級(jí)公路上，用于長(zhǎng)途運(yùn)輸，根據(jù)GB/T 920-2002《公路路面等級(jí)與面層類型代碼》，高速公路或一、二級(jí)公路上均屬于高級(jí)路面，即路面功率譜密度較小，因此，參考GB7031-2005《機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》中所提供的路面功率譜密度計(jì)算公式：

（[n]為空間頻率（[m-1]）；[n0=-0.1m-1]為參考空間頻率；[Gdn0]為參考空間頻率[n0]下的路面功率譜密度，即路面不平度系數(shù)；[ω]為頻率指數(shù)，決定了路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)），以及A～E路面的不平度系數(shù)（如表1），選擇B級(jí)路面作為試驗(yàn)路面。

根據(jù)GB/T 4970-2009《汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法》，讓參考車(chē)輛在滿載狀態(tài)下分別以30km/h、40km/h、50km/h、60km/h和70km/h的速度在B級(jí)路面上勻速直線行駛一段距離，利用單向加速度傳感器獲取參考車(chē)輛懸置系統(tǒng)與車(chē)架連接處的垂向振動(dòng)加速度；同時(shí)，利用三向加速度傳感器獲得駕駛室座椅處的垂向、縱向以及側(cè)向加速度，并計(jì)算相應(yīng)的加速度均方根值。

2.2 駕駛室模型驗(yàn)證

將所獲參考車(chē)輛懸置系統(tǒng)與車(chē)架連接處的垂向振動(dòng)加速度作為激勵(lì)函數(shù)輸入到駕駛室模型中進(jìn)行仿真，獲得各車(chē)速下的駕駛室座椅上三向振動(dòng)加速度均方根值。（[awy1、awy2、awy3]）與試驗(yàn)測(cè)得值（[a'wy1、a'wy2、a'wy3]）相比較，比較結(jié)果如表2～表4。

對(duì)比結(jié)果表明，三個(gè)方向加速度均方根值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均相近，其中，垂向最大誤差為6.3%，縱向最大誤差為4.4%，側(cè)向最大誤差為8.1%，均在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明將駕駛室視作剛體以及部分元件線性化所獲得的駕駛室仿真模型基本準(zhǔn)確。

3 駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 DOE參數(shù)化分析方法

DOE（Design of Experiments），即試驗(yàn)設(shè)計(jì)，是一種應(yīng)用于分析多個(gè)設(shè)計(jì)變量發(fā)生變化時(shí)，各個(gè)變量對(duì)研究目標(biāo)的影響程度的參數(shù)化分析方法，包括設(shè)計(jì)矩陣的建立和試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析等。

生產(chǎn)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，采用試錯(cuò)法或施加強(qiáng)力的方法來(lái)探究和優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)的性能。但當(dāng)面對(duì)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，這些方法往往不能快速地得出系統(tǒng)化公式化的答案。一次改變一個(gè)因素（也稱設(shè)計(jì)參數(shù)，F(xiàn)actors）不能反映因素之間的相互影響情況，若進(jìn)行多次仿真同時(shí)測(cè)試多個(gè)不同的因素則會(huì)產(chǎn)生大量的輸出數(shù)據(jù)，增加設(shè)計(jì)人員評(píng)估的難度。而DOE作為一種快速有效的分析方法，可以為安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)結(jié)果提供一整套步驟和統(tǒng)計(jì)工具，大體包括以下五個(gè)基本步驟：

（1） 確定試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（2） 為系統(tǒng)選擇需要考察的因素集，并設(shè)計(jì)某種方法來(lái)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)；

（3） 確定每個(gè)因素的值，在試驗(yàn)中將因素改變來(lái)考察對(duì)試驗(yàn)的影響；

（4） 進(jìn)行試驗(yàn)，并將每次運(yùn)行的系統(tǒng)性能記錄下來(lái)；

（5） 分析在總的性能改變時(shí)，哪些因素對(duì)系統(tǒng)的影響最大。

考慮到本文所采用的四點(diǎn)式駕駛室懸置系統(tǒng)的四個(gè)位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度均可能對(duì)駕駛室振動(dòng)產(chǎn)生影響[9]，即包涵多個(gè)因素，因此選用DOE方法對(duì)懸置系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的確立

3.2.1 設(shè)計(jì)因素及系統(tǒng)響應(yīng)的選擇

本文所采用的駕駛室懸置系統(tǒng)為四點(diǎn)式布置，為了充分考慮各個(gè)懸置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響，在確立設(shè)計(jì)因素時(shí)，將四個(gè)位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度共八個(gè)參數(shù)，均列為設(shè)計(jì)因素。

在ADAMS/Insight中對(duì)八個(gè)因素的變化范圍進(jìn)行設(shè)置，其中，前懸置（左）螺旋彈簧剛度和后懸置（右）減振器阻尼的設(shè)置分別如圖2、3所示。

同時(shí)，觀察表2～4發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)與仿真測(cè)得的駕駛室質(zhì)心縱向加速度均方根值和側(cè)向加速度均方根值的數(shù)值均很小，且遠(yuǎn)小于垂向加速度均方根值，因此，在本次優(yōu)化中，將駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值作為唯一的系統(tǒng)響應(yīng)，并將駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值最小作為優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，如圖4所示。

3.2.2試驗(yàn)矩陣的創(chuàng)建和設(shè)計(jì)類型的選擇

在DOE分析中，需根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)建相應(yīng)的試驗(yàn)矩陣，矩陣的列代表著所選取的因素，行用于表示每個(gè)因素在每次計(jì)算中所對(duì)應(yīng)的水平級(jí)，并根據(jù)水平級(jí)來(lái)確定各因素在運(yùn)算時(shí)的具體值。

本文選用DOE Screening （2-level）的方法，創(chuàng)建了八因素兩水平的試驗(yàn)矩陣，如表5所示，該方法多用于確定影響系統(tǒng)行為的某因素和某些因素的組合以及每個(gè)因素對(duì)輸出會(huì)產(chǎn)生多大的影響；選擇Fractional Factorial作為優(yōu)化試驗(yàn)的設(shè)計(jì)類型，該類型普遍應(yīng)用于篩選重要變量并主要用于兩水平的因素，能夠估計(jì)其對(duì)系統(tǒng)的影響，如圖5所示。

3.2.3 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，得到以駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值最小作為優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的設(shè)計(jì)因素值，如表5所示。

表中，Kf、Cf分別表示前懸置（左右對(duì)稱）剛度、阻尼，Kr、Cr分別表示后懸置（左右對(duì)稱）剛度、阻尼。

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果修改駕駛室懸置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)修改后的模型進(jìn)行仿真，得到優(yōu)化后不同車(chē)速下駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值，如表6所示。

表6 優(yōu)化前后駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值（m/s2）

從表6可以明顯看出，在各個(gè)車(chē)速下，駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值較優(yōu)化前均有超過(guò)10%的降低，可見(jiàn)駕駛室懸置系統(tǒng)性能得到改善，車(chē)輛乘坐舒適性得到提高。

4 結(jié)論

1） 以某款商用車(chē)駕駛室所采用的全浮四點(diǎn)式懸置系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析其懸置系統(tǒng)的力學(xué)傳遞關(guān)系，并據(jù)此在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中建立駕駛室懸置系統(tǒng)模型。

2） 通過(guò)針對(duì)樣車(chē)平順性的道路試驗(yàn)和相應(yīng)仿真試驗(yàn)，獲得樣車(chē)及模型在多個(gè)車(chē)速工況下的駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側(cè)向加速度均方根值，驗(yàn)證駕駛室懸置系統(tǒng)模型的正確性。

3） 根據(jù)數(shù)據(jù)分析，選擇駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值作為主要優(yōu)化目標(biāo)，在ADAMS/Insight模塊中利用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，研究了懸置系統(tǒng)四個(gè)懸置點(diǎn)彈簧剛度及減振器阻尼系數(shù)對(duì)駕駛室振動(dòng)的影響。

4） 仿真結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算獲得的懸置系統(tǒng)參數(shù)，使得駕駛室質(zhì)心垂向加速度均方根值在各個(gè)車(chē)速下較優(yōu)化前均有超過(guò)10%的降低，有效降低了駕駛室的振動(dòng)，提高了乘坐舒適性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鵬飛，馬力，何天明，等. 商用車(chē)駕駛室懸置隔振仿真研究[J]. 汽車(chē)工程，2005，27（6）：740-743.

[2] 王楷炎. 商用車(chē)駕駛室懸置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真、優(yōu)化與試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

[3] 余志生. 汽車(chē)?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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