基于虚拟样机技术的扭杆悬架汽车平顺性仿真

ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ ｒａｎｄｏｍ ｉｎｐｕｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｉｎ— ｐｕｔｔｉｎｇ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆｉｇｕｒｅｓ ｉｎｔｏ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｍｇｒａｍｍｉｎｇ；ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏＶｅｓ ｉｔ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｉｎ ｒｉｄｅ ｅｏⅡｄｂｒｔ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｎａｔｉｏｎａｌ ａｕｔｈｏｒｉｚｅｄ ｉｎｓｔｉｔｕ— ｔｊｏｎｓ．
图２平顺性分析整车模型
２整车平顺性仿真
２．１路面生成
路面构造既要满足一定的随机分布规律，又 要符合ＡＤＡＭｓ轮胎模型的要求：第一，路谱的位 置要处于轮胎的下方；第二，路谱向上的方向要指 向轮胎所处的一侧；第三，路谱的大小要根据仿真 的需要确定。
按照相关资料规定，路面空间位移功率谱密 度拟合表达式采用下式：
在本仿真模型中，对人体用总加权加速度均 方根值来进行评价，而总加权加速度均方根值包 括汽车纵向、横向、垂向的加权加速度均方根值。
人体在ｘ、ｌ，、ｚ方向的加权加速度均方根值 可由该轴向的振动加速度的自功率谱密度函数直 接积分得到：
盯耐＝［』器，加；∽Ｇ耐∽们Ｔ（ｉ＝ｘ，ｙ，ｚ） （６）
式中：盯耐一人体在ｘ、ｙ、ｚ方向的加权加速 度均方根值，单位Ｉｎ／ｓ２；
ｙ方向的功率谱密度
ｏ 芒 葛 Ｖ
捌 嘲 曩
１０
１５
２０
时问（８）
ｚ方向加速度曲线
ｙ方向的功率谱密度 图４驾驶员振动加速度及功率谱曲线
·２７·
熊慧
蛳＝｛篓篓裟 （７）
叫力＝｛∑之５＜篙孑 ㈣
矿，＝［（１．４盯肚）２＋（１．４盯舻）２＋盯，，２］寺 （９） 按上述公式编制程序后，将得到的功率谱密 度曲线以．ｄａｔ格式导出，程序将可以直接调用数 据得到加权加速度均方根值。最后运行程序得到 了加权加速度均方根值为ｏ．５５２脚／ｓ２。这个结果 基本上满足国家规定的汽车平顺性评价标准。
（３）通过仿真计算，得到了汽车垂向振动的加 速度和加速度功率谱密度曲线，同时也得到了人 体在汽车纵向、横向和垂向振动的总加权加速度
均方根值，为该车型的设计及改进提供了理论基 础。
通过仿真分析可知，该车的平顺性是满足要 求的。
参考文献
１ 王其东，钱立军，唐永琪等．基于平顺性仿真的农用运输车 悬架ｃＡＤ研究．农业机械学报，２０００．３１（６）
Ｇ。（儿）＝Ｇ。（ｎ。）（｝）埘
（１）
’６０
式中：‰一空间参考频率，‰＝０．１ｍ～；
Ｇ。（‰）一路面不平度系数，ｍ２／ｍ～；
Ｇ。（ｎ）一路面空间位移功率谱密度，
ｍ２／ｍ－。：
加一频率指数，训＝２。
已知在空间频率ｎ，＜ｎ＜凡：内的路面位移谱
密度为Ｇ。（ｎ），利用平稳随机过程的平均功率的
频谱展开性质，路面不平度的方差：
盯：＝』：；Ｇ。（凡）ｄｎ
（２）
将区间（ｎ。，ｎ：）划率ｎ砸士ｉ（江１，２，…，ｎ）处的谱密度
值Ｇ。（ｎ膊ｉ）代替Ｇ。（ｎ）在整个小区间内的值，则 式（２）离散化后近似为：
盯：一ｉ蓍Ｇ。（ｎ）（ｎ枷士ｉ）·△凡ｉ
（３）
对应每个小区间，现在要找到具有频率ｎ。舶
（江ｌ，２，…，ｎ）且其标准差为￣／Ｇ。（ｎｍｉ）·△ｎｉ正 弦波函数，这样的正弦波函数为：
２张永林，钟毅芳．车辆路面不平度输入的随机激励时域模 型，农业机械学报，２００４．３５（２）
４ ＧＢ７０３ ｌ－８６，车辆振动输入——路面平度表示方法 ５余志生．汽车理论．北京：机械工业出版社，２０００
６ ＪＯＡＯＰ．Ｃ．ＧＯＮＣＡＬＶＥＳ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙ８ｔｅｍｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏＩＩｌＩｂｎ ｏｆ ｍａｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｕｓｉｎｇ ｎｅｘｉｂｌｅ ｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙ
Ｇ碗一人体在ｘ、ｌ，、ｚ方向振动的加速度 自功率谱密度函数，单位ｍ／ｓ２；
埘ｉ∽一人体在ｘ、ｙ、ｚ方向的频率加权
函数。
上海汽车２００６．０８
万方数据
＾５０００
Ｐ簧＿：２５００ ＪＨＪ。。８ｌ。７Ｊ’一．’ｋＬ也”ｉ一’，ｉ．一ｊ。ｒ止ｗｉ－’．Ｊ‘ｆ出｜Ｊｌ～’… ７Ｌ
ｔ。。。 ．．。 Ｔ”１”
最一５０００
表１ ｕＡ轮胎模型特性参数 参数名称
车轮自由半径Ｒ，（ｍｍ） 胎体半径Ｒ２（ｍｍ） 径向刚度ＣＮ（Ｎ／ｍｍ） 纵向滑移刚度ＣＳｕＰ（Ｎ） 坝《偏刚度ｃＡＬＰＨＡ（Ｎ／Ｄｅｇ） 外倾刚度ＣＧＡＭＭＡ（Ｎ／Ｄｅｇ） 滚动阻力偶臂ＣＲＲ（ｍｍ） 径向阻尼比（ＲＤＲ） 车轮无滑动时的摩擦系数Ｕｏ 车轮纯滑动时的摩擦系数Ｕ。
１ 整车平顺性仿真模型的建立
１．１平顺性的整车动力学模型 汽车振动系统是一个复杂的、多自由度的质
量一刚度一阻尼动力学系统。为了研究方便，需
要对影响汽车平顺性的次要因素进行适当简化。 简化后的汽车模型主要由前后悬架、轮胎、转向系 等子系统组成。汽车前悬架为双横臂式纵置扭杆 弹簧悬架。扭杆悬架的前端和上横臂相连，后端 固定在车架上，在中问断开并在断开处加一转动 副，在转动副上加一扭簧，以达到扭杆弹簧的效 果。汽车后悬架为斜置臂式后悬架。前后减振器 用阻尼约束来代替，其阻尼特性曲线如图１所示。
数值
３７５ １０７．５ ２６１．３ ３００００ ８０２．７ ６９．８ ５．６２５ ０．７５ ０．９４ Ｏ．７５
１．３整车模型的建立 将上述各子系统按照实际车辆的定位和约束
关系组装成整车系统。整车包含２４个运动部件 和３４个约束副，最后共有１２个自由度，并且验证 模型正确没有过约束。整车模型如图２所示。
由于人体的加权评价指标不能从ＡＤＡＭｓ仿 真计算结果中直接得到，只有通过对ＡＤＡＭＳ计算 结果作大量的数据处理后才能得到这些评价指 标，这是整车平顺性仿真分析的一个难点。通过 对人体平顺性评价方法和ＡＤＡＭＳ计算结果数据 输出功能的研究，用Ｃ编制了相应的汽车平顺性 评价程序，将ＡＤＡＭＳ计算结果与该程序相结合， 可以方便地得到人体各种平顺性评价指标。
行使试验方法》的要求，对整车的随机输人平顺性 进行仿真分析。设定车辆在Ｂ级路面以６０ｋⅡ∥ｈ 的速度匀速行使，车辆为空载状态，测试点为驾驶 员座椅处，测量出驾驶员在菇、ｙ、石方向的加速度曲 线，然后做ＦＦＴ变换得到功率谱密度曲线。（坐标 系说明：ｘ轴一汽车纵向，正向向后；ｙ轴一汽车垂 向，正向向上；Ｚ轴一汽车横向，正向向左）。 ２．３ 随机路面输入的平顺性评价
ｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎ舢ｉｃ ａｎｉｆｉｃｉａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＳＡＭＳ．
Ｐａｖｅｍｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｉｌｅ ｉｓ ｃｏｍｐｉｌｅｄ ｕｓｉｎｇ Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ， ａｎｄ ｒａｎｄｏｍ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｉｆＩ．ｅｒｅｎｔ ｇｒａｄｅ ａｒｅ
ｆｏ珊ｅｄ． Ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｔｅ
／：／一
／ｉ ／
／ ，
／ ／ 謇＿：
图１减振器的阻尼特性曲线
本文采用的是齿轮齿条式转向机构模型。它 主要包括转向横拉杆、转向传动轴、齿轮齿条转向 器和转向盘等。人体用６０ｋｇ的质量块代替，座椅 用阻尼弹性力来实现。为了清晰地表达各子系统 的相互连接关系，将车身总成模型用～个集中质 量的球体表示，此方法并不影响仿真分析的结果。 １．２轮胎模型
目前，人们已利用多体动力学建模软件ＡＤ． ＡＭＳ对汽车的平顺性及其他性能做了很多研究。 本文利用ＡＤＡＭＳ建立了扭杆悬架汽车的多体动 力学模型，并进行了随机路面下的平顺性仿真，再 将仿真结果输入到平顺性评价程序中，得到汽车 平顺性评价指标。相比以前的平顺性仿真评价方 法，本文提出了扭杆悬架汽车特殊的建模方法和 不同等级路面生成的新方法。
收稿日期：２００６—０６—１０
上海汽车２００６．０８
万方数据
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从力学观点来看，轮胎也是一个由质量、弹性 元件和阻尼元件组成的子系统。ＡＤＡＭＳ／ｖｉｅｗ提 供了５种轮胎模型：Ｄｅｍ轮胎模型、Ｆｉａｌａ轮胎模 型、Ｓｍ汕ｅｒｓ轮胎模型、ＵＡ轮胎模型和Ｕｓｅｒ Ｄｅ— ｆｉｎｅｄ（用户自定义）轮胎模型。本文采用了ＵＡ轮 胎模型，根据轮胎的特性参数（见表１），编制ＡＤ－ ＡＭＳ／ｖｉｅｗ中的轮胎特性文件。
【主题词】虚拟样机平顺性汽车
Ｏ 引言
平顺性的优劣直接影响到乘员的乘坐舒适 性，成为影响车辆的一项重要性能指标。汽车是 一个复杂的非线性系统，其性能是各部件、总成以 及人和环境（如路面）协调作用下的体现。而虚拟 样机技术就是在汽车设计阶段对汽车总体性能匹 配和各系统布置等进行直观全面的仿真分析、评 价和改进，从而尽可能缩短设计周期、提高设计质 量、降低设计成本。
可以得到空间频域下随机路面ｙ方向的值。
根据上述的离散化处理，用ＶＢ编制了Ｂ级
路面可视化生成程序。生成的路面长１００ｍ，宽
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２０ｍ，包含８０００个节点和７９９８个三角形单元。生 成的Ｂ级路面如图３所示。
图３生成的Ｂ级路面
２．２汽车随机输入平顺性分析 根据ＧＢ／Ｔ４９７０一１９９６《汽车平顺性随机输入
ｄｙｎ枷ｉｃｓ，Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ＤｙｎａＩｎｉｃｓ ２００３
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｕｌｔｉ—ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｄ±如ｎｔ ａｎｄ ｒｅａｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ，ｔｉｒｅ，ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｖｅｈｉ— ｃｌｅ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｒｔｕａｌ ｐｍｔｏｔｙ— ｐｉｎｇ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｌａ唱ｅ ｍｅ—
— √２Ｇ（ｎ）（ｎ。珏ｆ）·△ｎｉ·ｓｉｎ（２叮Ｔ凡，删一ｉ戈＋统） （４）
将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起