底盤襯套對整車平順性影響靈敏度分析

王彬

(湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410205)

0 引言

平順性是指汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響保持在一定界限之內(nèi)的能力[1]。通過研究平順性，可以控制汽車振動系統(tǒng)的動態(tài)特性，使振動的輸出在給定的工況下不超過一定界限，以保持乘員的舒適性。

車輛通過不平整路面時，路面引起的振動通過底盤懸架上的襯套傳遞給車身，最后通過車身地板、座椅以及方向盤傳遞至車上乘員，從而影響整車振動和平順性。

橡膠襯套作為懸架鉸鏈處的緩沖元件，發(fā)揮著減振降噪和彌補(bǔ)制造公差的作用，有利于衰減路面激勵對車身的振動與沖擊，特別是衰減來自路面的高頻激勵，因此橡膠襯套在汽車結(jié)構(gòu)上的隔振作用不容忽略。

本文作者應(yīng)用ADAMS軟件建立包含柔性體車身的剛?cè)狁詈险嚩囿w動力學(xué)模型，結(jié)合仿真分析和試驗測試來研究底盤襯套對平順性的影響。選取底盤襯套Z向剛度作為試驗因素，對整車進(jìn)行隨機(jī)不平路面下的低頻振動測試，并根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，得出各襯套對整車平順性的靈敏度結(jié)果。

1 建立剛?cè)狁詈险嚩囿w動力學(xué)模型

文中以某車企MPV(Multi-Purpose Vehicles)為原型，利用有限元法將車身變成柔性體，應(yīng)用ADAMS/Car軟件建立剛?cè)狁詈险嚩囿w動力學(xué)模型。建立的整車剛?cè)狁詈掀巾樞阅Ｐ椭饕ㄈ嵝攒嚿怼⑶皯壹茏酉到y(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、橫向穩(wěn)定桿、輪胎以及瀝青路面(四柱試驗臺)。

根據(jù)該公司設(shè)計部門提供的整車主要參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)整車主要參數(shù)建立各子系統(tǒng)模型，并裝配成整車平順性模型，如圖1所示。

圖1 整車剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型

建立整車動力學(xué)模型后，通過與實車試驗對比的方法對模型進(jìn)行驗證。為了使仿真結(jié)果與實車試驗有較好的可比性，采用實車試驗數(shù)據(jù)作為仿真模型的輸入，對虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析。通常需要進(jìn)行的驗證試驗包括懸架剛度特性分析、K & C分析、方向盤角階躍試驗、方向盤角脈沖輸入試驗等，如圖2—圖3所示。

圖2 前懸架剛度特性分析

圖3 角脈沖輸入試驗車身側(cè)傾角對比

2 整車平順性仿真分析

ADAMS/Car Ride是ADAMS/Car中即插即用模塊，它是一個專門為平順性開發(fā)的汽車平順性虛擬環(huán)境。在ADAMS/Car Ride中用虛擬四柱試驗臺對ADAMS/Car轎車模塊進(jìn)行仿真試驗，通過對試驗臺輸入力或位移的RPC III格式數(shù)據(jù)文件，模擬汽車行駛在粗糙路面和碰撞石塊時的響應(yīng)特性。該研究應(yīng)用ADAMS/Car Ride模塊，通過對四柱試驗臺施加RPC III格式位移激勵，模擬整車在滿載狀態(tài)下以60 km/h速度通過瀝青B級路面的試驗。

為了進(jìn)行整車平順性仿真，通過ADAMS/Car Ride插件所提供的路面輪廓發(fā)生器建立道路模型。路面輪廓發(fā)生器是ADAMS/Car Ride提供的一個基于Sayers數(shù)字模型的路面生成工具，該模型是一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。在路面譜生成器中，通過設(shè)置路面空間功率譜密度幅值、速度功率譜密度幅值和加速度功率譜密度幅值等參數(shù)生成RPC III格式路面譜文件。根據(jù)表2國際路面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)中瀝青路面的參數(shù)，在路面譜生成器中進(jìn)行設(shè)置，得到瀝青路面RPC III格式的路面譜文件。

表2 國際路面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)

正交試驗設(shè)計是試驗優(yōu)化技術(shù)中常用的試驗方法，它是通過應(yīng)用數(shù)學(xué)工作者編制的正交表來安排多因素試驗，并用數(shù)理統(tǒng)計方法來分析試驗數(shù)據(jù)，從而以較少的試驗次數(shù)獲得全面信息的方法。

文中主要研究懸架襯套對整車平順性的影響，由于懸架襯套數(shù)量較多，為了盡量減少試驗次數(shù)，縮短試驗周期，因此采用正交試驗設(shè)計來進(jìn)行試驗。

整車采用的是前麥弗遜、后多連桿懸架系統(tǒng)，由于懸架左右襯套對稱且特性一致，只需選取一側(cè)襯套進(jìn)行試驗即可。因此選取底盤前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子，依據(jù)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，駕駛員座腳地板處3個方向加速度總加權(quán)均方根值為響應(yīng)目標(biāo)，使汽車在滿載條件下，以60 km/h速度通過瀝青路面進(jìn)行試驗。

前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子如圖4所示。

圖4 前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子

由于試驗因子較多，試驗次數(shù)也較多，因此將試驗仿真在ADAMS/Insight中進(jìn)行，根據(jù)試驗設(shè)計矩陣自動完成一系列的試驗仿真。在ADAMS/Insight中將前、后懸架17個襯套Z向剛度曲線作為試驗因子，如圖4所示。

考慮到試驗因子比較多，為了減少試驗次數(shù)，每個試驗因子均選取2水平，分別是原來襯套曲線的70%和130%。正交試驗所需的參數(shù)由設(shè)計矩陣提供，根據(jù)試驗設(shè)計矩陣，完成一系列的試驗仿真。該研究通過ADAMS/Insight中Screening法創(chuàng)建試驗設(shè)計矩陣，如表3所示，共進(jìn)行32次試驗。

表3 試驗方案表

仿真試驗中,從測試點得到駕駛員腳地板處X、Y、Z向加速度曲線，圖5是試驗方案Trial01中，車輛以60 km/h速度通過瀝青路面時測得的3個方向加速度振動曲線。

圖5 駕駛員腳地板處在60 km/h速度時X、Y、Z向加速度振動曲線

3 仿真結(jié)果處理

根據(jù)GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，將駕駛員座腳地板處3個方向總加權(quán)加速度均方根值作為平順性評價指標(biāo)，總加權(quán)加速度均方根值包含駕駛員座腳地板處X、Y、Z向的加權(quán)加速度均方根值。對測試點的加速度時間歷程按式(1)計算測試點各軸向加權(quán)加速度均方根值：

(1)

式中：aw為軸向加權(quán)加速度均方根值，m/s2；aw(t)為加權(quán)加速度時間歷程，m/s2；T為統(tǒng)計持續(xù)時間，s。

由于人體各部位對各方向的加速度敏感程度不一樣，所以需要按式(2)對各軸向的加權(quán)加速度均方根值進(jìn)行加權(quán)處理：

(2)

式中：av為總加權(quán)加速度均方根值，m/s2；awx為X向加權(quán)加速度均方根值，m/s2；awy為Y向加權(quán)加速度均方根值，m/s2；awz為Z向加權(quán)加速度均方根值，m/s2；kx、ky、kz為各軸軸加權(quán)系數(shù)[2]。

其中kx、ky、kz按照表4取得。 并根據(jù)式(2)計算得出各試驗?zāi)_地板處總加權(quán)加速度均方根值，如表5所示。

表4 腳地板位置軸加權(quán)系數(shù)表

表5 各試驗?zāi)_地板處總加權(quán)加速度均方根值 m/s2

結(jié)合表3和表5，對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，找出對整車低頻振動影響較大的因子，如表6所示。

對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差越大，說明該因子對評價指標(biāo)影響越大。根據(jù)極差分析的結(jié)果顯示：靈敏度較高的因子是F01、F15、F16、F06、F02，分別對應(yīng)的是前懸減振器上端襯套、后懸副車架后端襯套、后懸副車架前段襯套、后懸減振器上端襯套以及前懸副車架后端襯套，其余襯套影響不顯著。

表6 對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析

4 結(jié)束語

(1)對整車低頻振動影響較大的襯套分別是前懸減振器上端襯套、后懸副車架后端襯套、后懸副車架前端襯套、后懸減振器上端襯套以及前懸副車架后端襯套，其余襯套影響不顯著。

(2)根據(jù)極差分析的結(jié)果，除了可以確定因子的主次，還可以分清各因子的水平優(yōu)劣，并且可以確定進(jìn)一步的試驗方向及較優(yōu)參數(shù)組合。在該研究中，可以對整車低頻振動影響較大的因子再做優(yōu)化分析，劃分更多水平，同時固定靈敏度較低的因子，從而找出較優(yōu)底盤襯套參數(shù)組合水平。