路面模型和脈沖對汽車平順性影響分析

閻肅威 李卓

摘要：以某整車為研究對象，根據(jù)多體動力學(xué)理論、整車各系統(tǒng)的硬點數(shù)據(jù)和各項性能參數(shù)，在分析軟件ADAMS中建立完整子系統(tǒng)，基于虛擬四柱試驗臺，對汽車各子系統(tǒng)進行裝配。在建立的整車多體動力學(xué)模型中，根據(jù)GB/T4970-2009《汽車平順性試驗方法》規(guī)定，建立隨機路面和凸塊脈沖模型，依據(jù)汽車底盤傳遞到人體的縱向、橫向、垂向的加速度數(shù)值，來評價汽車的平順性。參照國家標準，對仿真結(jié)果進行了研究分析，試驗車輛符合平順性相關(guān)標準。

關(guān)鍵詞：路面模型;路面脈沖;汽車平順性;影響因素

一、引言

汽車的平順性可通過路面-汽車-人來綜合分析。路面不平度和車速是汽車振動系統(tǒng)的“輸入”，此“輸入”經(jīng)過由輪胎、懸架、坐墊等彈性阻尼元件和懸掛、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成的振動系統(tǒng)的傳遞，形成振動系統(tǒng)的“輸出”，即懸掛質(zhì)量或進一步經(jīng)座椅傳至人體的加速度。此加速度通過人體對振動的反應(yīng)———舒適性來評價汽車的平順性。通過模擬汽車實際試驗過程，可以節(jié)省人力物力成本，也可以節(jié)約試驗時間，縮短研發(fā)周期，同時還能降低在實際試驗中所遇到的危險，和實際路試試驗相比，能夠更精準地針對整車的性能進行仿真分析。根據(jù) ADAMS建立汽車模型，參照 GB/T4970-2009《汽車平順性試驗方法》，在路面輪廓發(fā)生器中輸入光滑瀝青路面激勵和單凸塊脈沖進行平順性仿真試驗，根據(jù)相應(yīng)國家標準對結(jié)果進行評價分析。首先要進行的是路面模型對汽車平順性影響的分析，這些模型都是根據(jù)路面的實際出現(xiàn)的情況進行模擬塑造的，因此得出的數(shù)據(jù)也更加符合路面情況，包括路面脈沖的影響也是。

二、整車多體動力學(xué)模型建立

根據(jù)硬點數(shù)據(jù)，對汽車各個子系統(tǒng)進行建模，然后對各個子系統(tǒng)進行整車模型裝配，最后簡化整車動力學(xué)模型。簡化的模型包括前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、鋼板彈簧和橫向穩(wěn)定桿等子系統(tǒng)。這種模型的建立可以為汽車平順性的影響建立科學(xué)性的測試環(huán)境，從而保證測試結(jié)果的準確性。在這個過程中，模型的每個環(huán)節(jié)都是相互關(guān)聯(lián)的，這樣在某一個環(huán)節(jié)點進行測試時就可以從整體的角度對結(jié)果進行評估，從而保證最后的測量結(jié)果可以達到最高的精度。這些模型都是根據(jù)國家的相關(guān)標準進行設(shè)置的，因此其實驗結(jié)果具有權(quán)威性和實用性，可以作為路面建造時的數(shù)據(jù)參考。

1.1 輪胎模型建立

汽車輪胎的作用是支撐整車，緩和由路面?zhèn)鱽淼臎_擊力;通過輪胎對路面的附著作用來產(chǎn)生驅(qū)動力和制動力;汽車轉(zhuǎn)彎行駛時產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛的同時，通過車輪產(chǎn)生的制動回正力矩，使汽車保持直線行駛方向;承擔(dān)越障，提高通過性。在此，采用FIALA輪胎模型，選用型號為245/70R19.5的真空輪胎。

1.2 懸架模型建立

本研究所選用的前、后懸架系統(tǒng)均為鋼板彈簧非獨立懸架。在建立模型前，首先將各個部件的硬點坐標確定好，然后根據(jù)這些硬點坐標創(chuàng)建部件，將這些部件利用約束連接在一起，再加上一些通信器組成前、后懸架模型。在ADAMS模塊中，采用對稱建模，即先建立汽車左半部分模型或者汽車右半部分模型，然后選擇生成對稱部分的模型。

1.3 整車模型建立

通過 ADAMS/Car模塊在標準界面進行整車動力學(xué)模型裝配。將建成的懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力總成系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輪胎模型、車身系統(tǒng)和鋼板彈簧等通過通信器連接，將整車模型裝配在四立柱試驗臺上，并對建好的整車動力學(xué)模型進行檢查，確保整車模型的正確性。

三、光滑瀝青路面平順性仿真

2.1 光滑瀝青路面生成

在進行汽車行駛平順性仿真之前，先利用ADAMS/Car插件建立仿真時需要的路面文件，即路面模型。建立路面模型時，可以根據(jù)路面生成器隨機生成 A級光滑瀝青路面，即打開軟件 Road-Profile Generation，輸入 A級路面參數(shù)。對于設(shè)置好的隨機A級路面模型，可以在 ADAMS/POSTPROCESSOR后處理模塊中觀察路面的外廓。不同路面所對應(yīng)的路面粗糙度不同，參數(shù)也對應(yīng)不同。

2.2 光滑瀝青路面仿真分析

在ADAMS軟件中，利用路面編輯器編寫 A級路面，在路面輪廓發(fā)生器中輸入 Ge=0、Gs=6、Ga=0來生成 A級路面模型。根據(jù)國家標準 GB/T4970-2009《汽車平順性試驗方法》，在 A級路面仿真時，車速分別為 40、50、60、70km/h。根據(jù) ADAMS軟件后處理功能，得到汽車底盤 x、y、z方向的加速度時間歷程。然后對加速度時間歷程曲線進行頻譜分析，得到加速度功率譜密度曲線，并進一步計算各軸向加權(quán)加速度均方根值。

2.3仿真結(jié)果分析

該車分別以 40、50、60、70km/h車速在光滑瀝青路面行駛，分別獲得各個車速下汽車底盤縱向、橫向、垂向加速度時域曲線。由于各車速下的曲線類似，不再逐一顯示。采用加權(quán)加速度均方根值來評價汽車振動對人體舒適性和健康的影響，需要求出各軸向加權(quán)加速度均方根值。

四、凸塊脈沖輸入平順性仿真

3.1 凸塊脈沖路面建模及評價標準

根據(jù)國家標準 GB/T4970-2009《汽車平順性試驗方法》中對三角形凸塊形狀進行了規(guī)定，即三角形凸塊高 80mm，底邊長 400mm。在軟件 ADAMS中建立所需的模型。在進行脈沖路面輸入汽車平順性仿真時，采用人體的垂向加速度。通常，汽車底盤處的垂向加速度值是座椅上人體感受到的加速度值的1.4倍以上，這里按1.4倍計算。按照規(guī)定，脈沖輸入下平順性的評價方法，采用座椅表面?zhèn)鬟f給乘員的最大加速度響應(yīng)絕對值A(chǔ)CCmax作為評價指標。

3.2脈沖輸入仿真結(jié)果分析

根據(jù) GB/T4970-2009《汽車平順性試驗方法》要求，脈沖輸入的車速分別為：10、20、30、40、50、60km/h。由于各車速下的曲線類似，不再逐一顯示。

實線為底盤處的垂向加速度曲線，虛線為求絕對值后的曲線，用最大值乘以重力加速度（g=9.8m/s2），然后再除以1.4，即得到不同速度v車下座椅表面?zhèn)鬟f給乘員的最大加速度響應(yīng)絕對值 ACCmax，三角形凸塊脈沖仿真結(jié)果如表 3所示。由表 3可知，該車以車速 10km/h通過單凸塊脈沖路面時，人體此時的垂向加速度最大，且最大值為 5.831m/s2（小于 31.44m/s2）。此時對駕駛員健康不構(gòu)成任何危害，因此汽車駛過單凸塊脈沖路面時其平順性良好，符合國家標準。

結(jié)束語：通過對試驗車輛進行隨機路面和凸塊脈沖路面的平順性仿真分析，得到由座椅至人體的加速度曲線，由此可以得出結(jié)論：

（1）該車在400～70km/h光滑瀝青路面行駛時，傳遞給人體的垂向最大加速度為0.121m/s2，最大總加權(quán)振級為 101.620dB，小于給定的標準值，乘客沒有感到不舒適，符合國家標準。

（2）該車通過單凸塊脈沖路面時，人體垂向最大加速度為5.831m/s2，小于標準值，對人體健康不構(gòu)成任何危害，符合平順性相關(guān)標準。

（3）在仿真過程中，考慮到橡膠件等模型參數(shù)的不精確及做的一些簡化處理，試驗車輛在實際使用過程中，平順性可能有稍微的差別。

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