汽车驾驶室悬置系统振动仿真分析

第27卷第1期武汉理工大学学报・信息与管理工程版V o l.27N o.1 2005年2月JOU RNAL O F WU T(I N FORM A T I O N&M ANA GEM EN T EN G I N EER I N G)Feb.2005

文章编号:1007-144X(2005)01-0131-04

汽车驾驶室悬置系统振动仿真分析

周水清1,何天明1,邹伯宏2

(1.武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉　430070;2.空军驻湖北军事代表室,湖北武汉　430023)

摘　要:用多体动力学软件ADAM S建立具有2级(底盘与驾驶室)悬置的汽车振动模型,运用虚拟样机技术,在频域内通过路面功率谱对车轮激振的方式,模拟了汽车车身(驾驶室)的振动特性,获得了汽车在随机路面条件下的动态响应。

关键词:虚拟模型;驾驶室;路面谱;动态响应

中图法分类号:U463.81 文献标识码:A

1　前　言

汽车平顺性是评价汽车舒适性的重要性能,它主要由汽车的悬架系统来保证汽车行驶过程中乘员具有一定舒适度。在研究中,一般将汽车看成是由轮胎、悬架、座椅等弹性元件、阻尼元件和悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统[1,2]。汽车行驶过程中的振动是因为随机路面不平度与发动机激励引起的,但发动机激励相对于路面激励是高频激励,笔者不考虑发动机激励影响,所以可将路面谱作为汽车振动系统的输入,座椅及地板的振动加速度功率谱作为振动系统的输出。对于汽车这样结构复杂的振动系统,运动时各个结构部件之间存在大量耦合,仅用基于几个集中质点的动力学模型不能完整地描述整个系统的动力学特性,因此需要运用多刚体系统动力学的理论对包含多构件的车辆整体进行建模。采用多体系统动力学方法能够有效地进行车辆悬置系统动力学仿真,并为车辆悬架控制系统的设计提供基本依据。某商用汽车具有2级悬置,除底盘悬架外,驾驶室悬置构成第二级悬置。驾驶室悬置用来降低因地面不平度引起的车架振动对驾驶室造成的影响,因此,研究驾驶室的舒适性必须综合考虑底盘悬架与驾驶室悬置系统。笔者采用多体动力学软件ADAM S对整车建模并进行仿真分析,以随机路面功率谱对车轮激振的方式,模拟了汽车在B级路面条件下某一车速时车身的振动性能。从悬架传递特性的角度,在频域上分析了该汽车悬置系统的基本性能,并在此基础上提出了合理的优化设计建议。

2　整车多体系统模型

建立整车多体动力学模型所需的参数均通过台架试验或通过三维设计软件计算得到,以保证建模精度。该车底盘悬架系统是主悬架,包括前钢板弹簧、前减振器、后减振器和后钢板弹簧。驾驶室悬置系统是安置在车架上的二级悬置,包括弹簧、减震器、橡胶块和稳定杆等。在建立整车模型时采用ISO坐标制,即以前轮轮心连线与汽车纵向对称面的交点为坐标原点,x轴指向汽车行驶的正前方,y轴指向汽车的左侧,z轴垂直指向上方[3]。整车是由底盘、车轮、车轴、驾驶室和货箱等构件组成的整体,各构件通过特定约束联系起来,驾驶室和底盘通过驾驶室悬置系统连接,车轮与车轴通过底盘悬架连结。整车虚拟模型如图1所示。应用ADAM S软件进行仿真分析,首先要抽象出系统的动力学结构和物理特性,建立几何模型[4]。然后根据系统各零部件的运动规律确定其约束关系与部件之间的力元关系,施加约束副和驱动力,本模型中轮胎与地面之间用B u sh ing力单元连接,向B u sh ing力单元输入3个相互垂直方向的刚度、阻尼和扭转刚度、扭转阻尼,模拟在

收稿日期:2004-10-20.

作者简介:周水清(1977-),男,江西资溪人,武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生.

图1　整车虚拟模型

实际工作中轮胎等弹性元件的作用。悬架通过弹簧、阻尼力元与车架连接。该模型由17个部件(含地面)组成,1个转动铰,5个球铰,7个固定副,2个移动副和一系列力元组成。整个模型的自由度K=(17-1)×6-2×5-1×5-5×3-7×6=24,表1列出了系统建模的约束情况。

表1　车辆约束类型与自由度数

约束类型个数约束自由度系统自由度

球副53

旋转副15

移动副25

固定副76

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ADAM S采用拉格朗日乘子法,建立系统的动力学方程。设有n个构件组成一个多体系统,用笛卡尔坐标描述位置,用欧拉参数描述位姿,第i 个构件的广义坐标可表示为q i,q i=[r,p]T i,而r i =[x,y,z]i,p i=[e0,e1,e2,e3]i,描述该系统位形

的全部坐标q可表示为,q=[q1,q2,…,q n

],则多

体动力学方程可以表示为[5,6]

M5T q 5q0q..

Κ

=

Q

Χ(1)

式中,M、5q、q..、Q、Κ分别为广义的质量矩阵,雅可比矩阵,加速度列阵,广义力列阵,拉格朗日乘子列阵;Χ为加速度方程。

系统的质量矩阵为

M=

P1

J10

ω

0P n

J n

(2) P i=diag[m,

m,m]i

J i=diag[j x x,j y y,j z z]i

式中,m i为系统中构件i(驾驶室、底盘、车轮和车桥等)的质量;j x x、j y y、j z z为各构件相应坐标的转动惯量。

广义雅可比矩阵:

5q=5s1,5r1,…,5sn,5rn(3)式中,5si为系统的约束方程对构件i位移坐标导数的矩阵;5ri为系统的约束方程对构件i转动坐标的导数的矩阵。

加速度列阵:

q..=x..1,y..1,z..1,w.x1,w.y1,w.z1,…,

x..n,y..n,z..n,w.x n,w.y n,w.z n

(4)式中,x i、y i、z i为构件的位置坐标;w x n、w y n、w z n为构件i的角加速度。

广义力列阵:

Q=[f1,r1,…,f n,r

n]

T(5)式中,f i为构件i上的力;r i为构件i上的力矩。

加速度方程,因为约束方程不显含时间,故

5q q.=0(6)将式(6)对时间求导,可得加速度方程

5q q..=-(5q q.)q q.-25qt q.-5tt=

Χ1

Χ2

Χn

=Χ

ADAM S采用变系数的BD F刚性积分程序,它是自动变阶、变步长的预估校正方法,在积分的每一步采用修正的N ew ton2R ap h son迭代算法,求解过程中将适当时间步长的广义坐标和拉氏乘子(拉氏乘子物理上常常相应于约束反力,许多情况下也是希望获取的)的解可视化地显示出来以形成虚拟仿真。

3　路面输入与响应计算

笔者采用多通道来模拟系统的响应,在忽略发动机影响的前提下,汽车的振动主要是由路面不平度激励车轮而引起的,因此在求汽车某位置的响应时,汽车振动系统是一个多输入、单输出的系统。当路面不平度是一个平稳随机过程时,由随机振动理论知其振动响应仍是平稳随机过程,在给定随机路面输入的谱密度以后,就可以求出座椅加速度功率谱,悬架动挠度功率谱,车轮动载荷位移功率谱等。随机过程的功率谱密度函数为自相关函数的傅立叶变换[7]。根据以上关系,将时域信号转换为路面的功率谱密度,并考虑不同车轮之间的互谱,汽车同侧车轮时域信号前后相差一个相位,左右车轮由于存在约束,还需考虑其相干性,把这些时域信号转化为频域信号后,将它作为

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