宋年秀，刘亚光,张丽霞

(青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266033)

0 引言

汽车在道路上行驶时难免会遇到诸如减速带、凹坑、凸块等各种不平工况，当汽车通过这些障碍时，轮胎传至驾驶员座椅处的振动加速度会发生较大的波动。为了将这种行驶工况考虑在内，通常情况下采用长为400 mm的三角形单凸块[1]。根据试验条件不同，脉冲输入可用相应高度的凸块或减速带，而并未对为何使用三角形凸块或是减速带进行阐述。

针对国家标准GB/T 4970-2009[2]所提出的对路面脉冲激励的评价方法进行仿真分析。首先基于ADAMS/Car，利用某普及型轿车的相关参数，建立包括悬架、车身、轮胎、转向系统在内的整车系统，对各车速下的包括：矩形凸块、斜角凸块、凹坑、减速带在内的6种脉冲输入进行平顺性仿真，并对仿真结果进行分析比较，得到更适宜作为脉冲输入的脉冲轮廓类型。最后，在脉冲路面的仿真过程中，将随机路面考虑在内，使平顺性仿真更加符合实际工况。

1 整车模型的建立

通过对该轿车的测量以及对其相关参数进行查询，得到了整车的主要参数，如表1所示。

在ADAMS/Car中，根据得到的相关参数建立各个子系统的模型，最后将其组装成整车模型并进行平顺性分析。本文作者选用轿车的前后悬架分别为双横臂独立悬架以及多连杆悬架，对其进行建模得到如图1和图2所示的悬架模型，最终对各子系统进行装配得到如图3所示的轿车整车模型。

表1 整车主要参数

图1 双横臂独立悬架 图2 多连杆悬架 图3 整车模型

2 脉冲输入仿真

2.1 脉冲输入的建立

利用ADAMS/Car对汽车通过脉冲路面的振动进行分析时，可以使用插件Road Builder对脉冲路面进行3D建模，也可以使用后缀名为.rdf的TeimOrbit格式路面文件进行2D或3D路面的创建。国家标准GB/T 4970-2009规定：对于平顺性分析过程中的脉冲输入，应采用如图4所示的长为400 mm的三角形单凸块。根据试验条件不同，脉冲输入可用相应高度的凸块或减速带。

图4 三角形单凸块

各模型路面文件参数如图5所示。

图5 各模型路面文件参数

考虑到路面脉冲输入的随机多样性，本文作者在对脉冲输入建模的时候建立了包括:三角单凸块、矩形凸块、斜角凸块、凹坑、减速带、正弦波在内的6种随机输入路面2D模型。为了增加6种随机脉冲路面的对比性，设置其高度均为60 mm；长度满足国标规定，为400 mm。所建立的各模型路面文件的参数子数据块如图5所示。

2.2 60 km/h车速下脉冲路面整车平顺性仿真

在ADAMS/Car中，可以通过dcf文件来定义仿真汽车的行驶速度[3]。通过修改dcf文件，使汽车以60 km/h的车速分别通过三角单凸块、矩形凸块、斜角凸块、凹坑、减速带以及正弦波脉冲路面，得到如图6—图11所示的整车底盘质心处垂直方向振动的加速度响应曲线。

图6 三角形单凸块加速度响应曲线

图7 矩形凸块加速度响应曲线

图8 斜角凸块加速度响应曲线

图9 凹坑加速度响应曲线

图10 减速带加速度响应曲线

图11 正弦波加速度响应曲线

从图6—图11的结果可以看出：

(1)路面脉冲激励为三角单凸块和凹坑时，汽车底盘质心处垂直方向振动的加速度可以在较短的时间内达到稳态，其他4种脉冲路面均用时较长。

(2)汽车在三角单凸块、矩形凸块、斜角凸块、凹坑、减速带以及正弦波脉冲输入时，其振动峰值分别为5.196、6.931、5.967、4.759、6.903、4.105 m/s2。

(3)汽车在三角单凸块、矩形凸块、斜角凸块、凹坑、减速带以及正弦波脉冲激励输入的工况下，达到振动峰值的时间分别为2.43、2.43、2.43、2.43、2.43、2.58 s。

可以得出结论：汽车在60 km/h的车速下进行脉冲路面平顺性分析时，矩形凸块和减速带凸块脉冲工况下的振动峰值较大，更适合作为汽车在60 km/h车速下的脉冲路面响应。因此在分析时，宜采用矩形凸块和减速带凸块进行分析。

2.3 其余车速下脉冲路面平顺性仿真

将车速分别设置为30、40、50、60、70、80、90 km/h，在各车速下分别进行各脉冲输入的平顺性仿真试验[4]，根据其振动峰值得表2所示的仿真结果。

由表2可知：

(1)在各车速下仿真车辆的脉冲输入的响应中，汽车以60 km/h的车速下通过矩形凸块时的振动响应为6.931 m/s2，为最大。

(2)在相同车速下仿真车辆通过各脉冲输入的响应中：当车速为30 km/h时，正弦波振动响应最大；当车速为40 km/h时，凹坑振动响应最大；当车速为50～90 km/h时，矩形凸块振动响应最大。

表2 各车速下振动加速度峰值

结合第2.2节中所得结论，可以看出：在同一高度以及长度的脉冲输入中，汽车以同一车速驶过矩形凸块以及减速带时汽车底盘质心处垂直方向振动的加速度比驶过三角单凸块、斜角凸块、凹坑以及正弦波的要大，因而在对汽车进行脉冲输入的仿真分析时，脉冲输入宜选择矩形凸块以及减速带。结合国标GB/T 4970-2009“采用长为400 mm的三角形单凸块。根据试验条件不同，脉冲输入可用相应高度的凸块或减速带”，在对汽车脉冲输入进行平顺性仿真时，应采用长为400 mm的矩形凸块或减速带。

3 脉冲路面平顺性分析

对汽车脉冲路面平顺性进行分析时，按照国标GB/T 4970-2009的规定，要求汽车在行驶时通过某一障碍时汽车在垂直方向上产生的振动加速度，且规定中默认脉冲输入的起始位置以及终止位置均处于光滑路面。而在实际生活中，汽车在脉冲工况下路面输入应该为随机路面以及脉冲路面振动响应的叠加，而不是单纯的脉冲路面，因而在对脉冲路面进行平顺性分析时，应同时对随机路面进行分析。

3.1 随机路面输入的仿真

在ADAMS/Car中，利用路面建模器以及事件构造器分别建立沥青路面以及60 km/h的匀速直线行驶车速，对汽车进行平顺性仿真，得到图12所示的汽车底盘质心处垂直方向振动的加速度曲线[5]。

图12 沥青路面加速度响应曲线

由图12，汽车在随机路面行驶时，底盘质心处垂直方向振动的加速度上下波动较大，考虑到对汽车平顺性的影响，取其峰值，即3.55 m/s2。

3.2 脉冲路面平顺性分析

由于脉冲输入具有随机性，无法确定脉冲输入的具体位置，因而将随机路面以及脉冲路面结合到一起时无法单纯地对图像进行叠加。但考虑到悬架阻尼非线性的特征，在将两者结合时，汽车底盘质心处垂直方向振动加速度峰值小于两者峰值之和，故取随机路面以及脉冲路面加速度振动峰值之和作为最终结果。取矩形凸块作为脉冲输入，最后得到的脉冲路面汽车底盘质心处垂直方向振动加速度为60 km/h下的脉冲输入振动响应以及随机路面输入振动响应之和，即为10.48 m/s2。

ISO5631规定了汽车座椅垂直方向最大加速度值对人体健康的影响，当座椅垂直方向加速度超过31.44 m/s2时对乘员有一定的危害；当加速度超过43.02 m/s2时，会严重危害乘员身体健康。而文中，脉冲路面平顺性仿真最终得到的结果为10.48 m/s2，远低于31.44 m/s2的加速度值。

4 结论

(1)利用ADAMS软件对汽车进行多种脉冲输入下的平顺性仿真，对比各脉冲输入下的平顺性数据结果可知，选择矩形凸块、减速带类型的脉冲输入能够较好地评价汽车的平顺性。

(2)在分析脉冲路面平顺性时，将随机输入与脉冲输入同时考虑在内，并将二者的加速度振动峰值之和作为最终结果可以对脉冲路面平顺性进行评价。