基于虚拟样机的空气悬架大客车平顺性仿真分析

2012-10-15董吉亮

客车技术与研究 2012年2期

董吉亮

（中国公路车辆机械有限公司，北京 100023）

汽车作为一个复杂的多自由度振动系统，定量分析和评价平顺性的关键在于建立一个基本反映车辆实际使用工况而又不太复杂的理想力学模型。本文应用多体动力学软件建立了空气悬架大客车96自由度整车动力学模型，通过对整车平顺性试验的仿真，考虑了空气弹簧的非线性力学特性和减振器的非线性阻尼特性，运用数值方法进行处理并加入到整车模型中，使整车模型更精确、可靠。在路面时域输入信号的仿真过程中，充分考虑车辆对路面激励信号的轮距相关和轴距滞后作用。在对空气悬架大客车的满载工况下整车平顺性仿真分析完成后，进行了实车的道路试验。通过道路试验和仿真结果的对比，验证了模型的可信性。

1 整车系统多体动力学模型的构建

1.1 整车拓扑结构分析

研究对象的构造主要包括车身、车架、转向系统、前后非独立空气悬架、前后桥、动力总成和车轮等，在UG中将整车三维CAD模型转换为ADAMS的多体模型，转换过程中将连接在一起，且相互间无相对运动的物体定义为一个刚体。将模型传输到ADAMS/View中，加入铰链、约束、前后空气弹簧仿真模型、前后减振器仿真模型和路面模型，最后组成整车多体系统仿真模型。该模型主要部件连接的拓扑关系见图1[1-2]。

该模型由50个物体（含地面）、10个转动铰、11个球铰、4个移动铰、15个固定铰、1个原始铰和4个运动副组成。系统自由度为DOF=（50-1）×6-10×5-11×3-4×5-15×6-1×1-4×1=96。

1.2 建模过程中的其他要素

1）建立轮距相关，轴距滞后的B级路面时域激励信号，通常是把测量得到的大量路面不平度随机数据，经数据处理得到路面功率谱密度Gq(n)，一种被普遍接受的路面功率谱为

式中：n为空间频率，它是波长的倒数，表示每米长度中包含的波数，单位为m-1；n0为参考空间频率，n0=0.1m-1；Gq(no)为参考空间频率下的路面谱值，称为路面不平度系数，单位为m3；ω为频率指数，确定每段功率谱斜线的斜率，取值由路面谱的频率结构确定[3]。

为了分析方便，通常把空间频谱函数转换为时间频谱函数。设车速为u，则空间与时间频谱之间的转换关系为Gq（f）=Gq（n）/u

式中:f为时间频率，Hz；u 为汽车行驶速度，m/s；n 为空间频率,它是波长的倒数,表示每米长度中包含的波数，m-1；空间频率n与时间频率f之间的关系为f=un。

路面文件的生成流程：选取路面等级→输入路面不平度系数Gq（no）→确定空间频率范围→生成空间位移功率谱密度→生成时间位移功率谱密度→计算时间历程的路面不平度→生成路面节点和单元→生成路面文件。

2）建立适于平顺性分析的轮胎仿真模型[4]，在ADAMS／Tire中，存在着五种用于动力学仿真计算的轮胎模型，即缺省的 Fiala模型、UA（University of Arizona）模型、SMITHERS模型、DELET模型和用户自定义模型。本文仿真步长为0.01s，这在ADAMS/Tire模块中是无法实现的。本文是对整车进行平顺性评价，忽略了侧向振动而只考虑了垂直振动，所以本文采用ADAMS中的SFORCE力元素来建立轮胎模型，建模中采用IMPACT冲击力函数来模拟轮胎与地面的作用力。模型中只考虑了轮胎与地面间的垂向力。

3）建立空气弹簧大客车整车平顺性试验仿真模型；求取前桥、前车架、后桥和后车架共4个测点的加速度响应值。图2为平顺性仿真运算过程图。

2 整车系统的平顺性仿真

在平顺性分析中，非悬挂质量、悬挂质量和人体的振动加速度的均方根值是平顺性评价的客观物理量。根据ISO2631“人体承受全身振动的评价指南”要求，人体对不同振动方向、不同振动频率的敏感程度不同，人体的胸—腹系统在垂直振动4 Hz～8 Hz、水平1 Hz～2 Hz范围内会出现明显的共振，这是人体对振动最敏感的频率范围。

平顺性分析对人体而言，根据人体在垂直方向和水平方向的振动加速度（客观物理量），按照人体对振动反映的敏感程度不同（主观评价），分别对垂直方向和水平方向振动加速度的功率谱密度进行频率加权，用1/3倍频带中最大的加权加速度均方根值或总加权加速度均方根值来进行评价；对非悬挂质量（如车桥）和悬挂质量（如车身地板）采用其加速度均方根值来进行评价[5-6]。在本仿真模型中，对前后车桥、车架用加速度均方根值来进行评价。

1）稳定车速为50 km/h、B级路面、满载工况的仿真计算结果见图3。

图3的上半部分是前桥的垂直方向振动加速度时间历程；下半部分为加速度的功率谱密度（以下均同）。前桥垂直方向振动加速度的均方根值为2450 mm/s2，加速度的功率谱密度的最大峰值处频率为9.01Hz，对应的峰值功率谱密度值为1.269×106mm2/s3。

2）前底板垂直方向的振动加速度及加速度自功率谱密度见图4。

从图4下半图中可以看出，曲线有一较大峰值和一个较小峰值，两峰值处的频率分别为1.28 Hz、8.92 Hz，对应的峰值分别为1.241×105mm2/s3、7250 mm2/s3。前底板垂直方向振动加速度的均方根值为507.8 mm/s2。

3）后桥垂直方向的振动加速度及加速度自功率谱密度见图5。

从图5下半图中可以看出，曲线最大峰值处的频率为8.94 Hz，对应的峰值为1.735×106mm2/s3，后桥垂直方向振动加速度的均方根值为2852 mm/s2。

4）后底板垂直方向的振动加速度及加速度自功率谱密度见图6。

从图6下半图中可以看出，曲线最大峰值处的频率为2.076 Hz，对应的峰值为2.041×105mm2/s3，后桥垂直方向振动加速度的均方根值为625.79 mm/s2。

3 平顺性道路试验

装空气弹簧悬架的大客车在沥青路面上进行整车平顺性试验，以验证仿真分析的正确性。该试验主要测量客车前车架、前桥、后车架和后桥垂直方向的加速度响应值，选取被测点的原则：该点能较好地反映系统的振动，并且易于安装加速度传感器[7-8]。本次试验选取的四个测点：前车桥上平面中心离左导向臂内侧3 cm处；前纵梁下平面中心离左导向臂内侧6 cm处。后车桥上平面中心离左导向臂内侧3 cm处；后底板下平面中心离左导向臂内侧6 cm处。将加速度传感器安装在所选定的四个位置，保证传感器与汽车连接可靠[9]。

试验路面采用的是平顺性试验专用试验路，路面要求符合汽车平顺性随机输入试验方法中规定的要求，路面等级符合GB 7031-1986[10]规定的B级路面。试验在满载工况下进行，使用水桶加载，固定靠牢，遵守标准[11]和[12]的要求。试验车速为匀速50 km/h。样本记录长度不短于3 min。

将记录下的四个测点的加速度响应的时间和历程通过《CDSP振动信号采集、处理和分析》软件进行处理，得出各测点的加速度自功率谱密度曲线分别为图7-10。

从图7-10可以看出，以上四点垂直方向的加速度功率谱密度的最大峰值分别为1.53×106mm2/s3、1.4×105mm2/s3、1.45×106mm2/s3、1.8×105mm2/s3；对应的频率分别为 8.8 Hz、1.8 Hz、10 Hz、1.8 Hz。

同时，也可看到前桥和前底板、后桥和后底板的振动加速数据差异大，原因是由于悬架的减振作用使得车轿和轮胎的运动各程和频率要远远大于车架（即底板）的，尤其是空气悬架客车，差异会更大。这也表明空气悬架车辆的平顺性和舒适性更好。

将仿真结果和试验结果作对比，两者对应的功率谱图十分近似，并且变化趋势基本一致，但也存在差别。这主要是因为[13]：

1）仿真模型未将客车车架作为弹性体处理，实际上该整车跨度较大（轴距为5.9 m），车架的刚度较低，这样的模型误差势必导致理论分析与试验结果的偏差。

2）动力总成在平顺性分析中是一个重要的振源。由于条件所限，本文未能获得动力总成的惯性参数及发动机悬置的刚度特性，所以在仿真模型中未考虑动力总成的影响，这也造成仿真结果与试验结果存在差别。

3）实际汽车的侧向振动对垂直振动有影响，在仿真中这个因素也未予考虑，将会带来偏差。