汽車平順性能仿真分析報告

汽車平順性能仿真分析報告整車模型建立將直接影響到整車仿真分析結果的精度，對于仿真分析而言，準確地建立虛擬樣機模型就顯得至關重要。本文在ADAMS/Car中建立虛擬樣機的整車仿真模型。整車模型是一個汽車子系統(tǒng)的裝配體，用于整車分析的組合至少需要前后懸架、前后車輪、轉(zhuǎn)向和車身子系統(tǒng)。前懸架模型的建立選用上一章已經(jīng)建立好的麥弗遜式前懸架為整車的前懸架子系統(tǒng)。建立的麥弗遜式懸架子系統(tǒng)模型如圖麥弗遜式前懸架后懸架模型的建立選用整車后懸架子系統(tǒng)為雙橫臂式懸架。它的下部結構為一根A臂，同時車輪上部也有一根A臂與車身相連。減震彈簧和減振器與下A臂相連。此時的減振支柱只負責支撐車體和減振任務，車輪的橫向力縱向力，則都由A臂來完成。應用ADAMS/Car軟件共享數(shù)據(jù)庫中提供的后懸架子系統(tǒng)模板，對其參數(shù)進行修改得到所要建立的雙橫臂式后懸架子系統(tǒng)模型如圖所示。雙橫臂式后懸架模型轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型的建立選用整車轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系(rackandpinionsteeringsystem)。它是一種廣泛應用于小型車輛的的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，可帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，這個小齒輪與一根齒條嚙合，帶動齒條左右直線運動，并推動轉(zhuǎn)向輪左右擺動從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向結構簡單、成本低、轉(zhuǎn)向力和路感傳遞直接，因此，現(xiàn)在轎車上基本都采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向。齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參變量如表所示。齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參變量參變量名稱類型和初始值單位說明phs_kinematic_flagInteger=0鉸鏈或軸套激活模式標記pvs_steering_assist_activeInteger=1轉(zhuǎn)向助力激活模式pvs_max_rack_displacementReal=100Mm最大齒條位移pvs_max_rack_forceReal=500N最大齒條力pvs_max_steering_angleReal=720Deg最大方向盤轉(zhuǎn)角pvs_max_steering_torqueReal=500N.mm最大方向盤轉(zhuǎn)矩應用ADAMS/Car軟件共享數(shù)據(jù)庫中提供的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模板，對其參數(shù)進行修改得到所要建立的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型如圖所示。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型的建立橫向穩(wěn)定桿也稱平衡桿，它的兩端分別固定于左右懸架上，當汽車轉(zhuǎn)彎時，外側懸架會壓向穩(wěn)定桿，這樣穩(wěn)定桿就會發(fā)生扭曲。由于穩(wěn)定桿是個彈性桿，他的彈力會阻止車輪抬起，可減小車身側傾程度，從而使車身盡量保持平衡。應用ADAMS/Car軟件共享數(shù)據(jù)庫中提供的橫向穩(wěn)定桿模板，對其參數(shù)進行修改得到所要建立的橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型如圖所示。橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)模型輪胎子系統(tǒng)模型的建立選用整車輪胎子系統(tǒng)為UA輪胎模型。它采用的是SAE坐標系，考慮了非穩(wěn)態(tài)效果，側偏和縱滑的相互影響是通過摩擦橢圓考慮的。其主要特點是包含輪胎的縱向、側向松弛效應。所謂松弛效應指當輪胎滾過地面時，輪胎接地段變形的恢復需要滾動一段距離。在常規(guī)行駛時，松弛效應對輪胎的動力學性能影響較?。坏诘退倩蚵访娲嬖诟哳l激勵時，對滑移率有比較顯著的影響。建立的輪胎子系統(tǒng)模型如圖所示。輪胎子系統(tǒng)盤式制動子系統(tǒng)模型的建立盤式制動器由液壓控制，主要零部件有制動盤、分泵、制動鉗、油管等。制動盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動。分泵固定在制動器的底板上固定不動。制動鉗上的兩個摩擦片分別裝在制動盤的兩側。分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動摩擦片壓向制動盤發(fā)生摩擦制動，動作起來就好像用鉗子鉗住旋轉(zhuǎn)中的盤子，迫使它停下來一樣。盤式制動器散熱快，重量輕，構造簡單，調(diào)整方便。特別是高負載時的耐高溫性能好，制動效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲(離心力的作用可將雨水飛散出去)。應用ADAMS/Car軟件共享數(shù)據(jù)庫中提供的四輪盤式制動系統(tǒng)模板，對其參數(shù)進行修改得到所要建立的盤式制動子系統(tǒng)模型如圖所示。盤式制動子系統(tǒng)車身子系統(tǒng)模型的建立：建立車身模型時，將車身簡化為一個剛體來處理。由于車身起到連接前后懸架、轉(zhuǎn)向和動力系統(tǒng)的重要作用，建模時注意定義車身系統(tǒng)與其它各子系統(tǒng)Communicator:之間的正確連接關系，這樣才能保證整車動力學仿真的順利進行。整車仿真模型的建立整車組合至少是由前后懸架、前后輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身6個子系統(tǒng)組成且子系統(tǒng)零件是基于模板建立的。用戶可以根據(jù)自己的需要建立整車模型。建立模型的方法在ADAMS/Car的標準界面中的File菜單中選擇New命令，然后選擇Full-VehicleAssembly命令，彈出建立整車集成模型對話框，如圖所示。在標準模式(Standardinterface)下將上述所建各子系統(tǒng)模型與整車測試平臺(MDI_SDI_TESTRIG)組裝在一起，得到整車仿真模型，如圖所示整車仿真模型基于ADAMS/CarRide的整車平順性仿真ADAMS/CarRide模塊簡介ADAMS/CarRide是與世界上主要汽車制造商合作開發(fā)的汽車平順性虛擬環(huán)境，將數(shù)字化汽車(FunctionalDigitalVehicle)的平順性仿真從時域試驗擴展到頻域試驗。ADAMS/CarRide作為ADAMS/Car的插件，不能脫離ADAMS/Car界面獨立運行；使用ADAMS/CarRide必須基于一個現(xiàn)存的符合ADAMS/Car規(guī)范的模型或子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；ADAMS/CarRide包括在汽車平順性頻域分析方面建模(building)、試驗(testing)及后處理(postprocessing)所需要的單元、模型及事件的定義，一旦系統(tǒng)中所有部件被詳細地指定參數(shù)，就可以基于一個擴展的試驗平臺完成一系列預定義的平順性研究過程。ADAMS/CarRide提供的虛擬四柱試驗臺是固定的，只能作垂直方向的振動輸入，用虛擬四柱試驗臺對整車模型進行仿真試驗，ADAMS/CarRide只需在設置界面上定義車速，就可以通過四柱試驗臺仿真汽車行駛在不平路面時的振動響應，用實時采樣的數(shù)據(jù)模擬汽車行駛在粗糙路面和輪胎碰撞石塊時的響應特性，得路面PSD響應研究變得容易。整車平順性仿真路面輸入模型在進行車輛平順性仿真研究時，仿真路面的構造是一個重要方面。當以路面輪廓粗糙度為輸入源時，ADAMS/CarRide要求提供路面的空間功率譜密度、速度功率譜密度和加速度功率譜密度。根據(jù)GB7031《車輛振動輸入一路面平度表示方法》的規(guī)定，路面功率譜密度Gq（n）用下式作為擬合表達式式中，n—空間頻率，(它是波長λ的倒數(shù),表示每米長度中包括幾個波長,單位為)；——參考空間頻率，；——參考空間頻率下路面功率譜密度值(稱為路面不平度系數(shù))；w——頻率指數(shù)，為雙對數(shù)坐標上斜線的斜率，它決定路面譜的頻率結構，通常取w=2。對汽車振動系統(tǒng)的輸入除了路面不平度，還要考慮車速這個因素。根據(jù)車速u，將空間頻率功率譜密度換算為時間頻率功率譜密度。當汽車以一定車速u(單位為m/s)駛過空間頻率為n()的路面不平度時輸入的時間頻率是u與n的乘積，即f=un由此得到與的關系式=由此得時間頻率譜密度的表達式=由此得到時間頻率的不平度速度功率譜密度和加速度功率譜密度與位移功率譜密度的關系式整車平順性仿真模型的建立利用機械系統(tǒng)動力學軟件ADAMS創(chuàng)建汽車的整車參數(shù)化模型有兩條途徑：其一是使用ADAMS/View創(chuàng)建汽車的整車模型，它是通過逐一創(chuàng)建汽車的各部件模型、各部件之間的連接副等組裝而成，比較繁瑣，但是模型構建比較精細；其次是使用ADAMS/Car模塊里一些部件模型組建汽車的整車模型，建模比較快，但是各部件模型有限，只能夠針對有限的車型分析。建立符合分析要求的汽車整車虛擬樣機模型是進行汽車平順性仿真分析研究的前提。在進行車輛平順性仿真研究時，采用自下而上的建模方式建立整車的動力學仿真模型，整車模型至少應包含前后懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、前后輪胎子系統(tǒng)與車身子系統(tǒng)，制動系統(tǒng)與動力總成不是必需的。若要建立完整的整車虛擬樣機仿真模型，除相應的制動系統(tǒng)和動力總成外，還需建立前穩(wěn)定桿模型。而在選擇試驗裝配方案時，對平順性仿真試驗，選擇虛擬四柱試驗臺(ARIDE_FOUR_POST_TESTRIG)。本文通過組裝ADAMS/Car模塊里的一些子模塊(車身、前后懸架、前后車輪、轉(zhuǎn)向機構、發(fā)動機和動力傳動系統(tǒng)等)構建一部整車虛擬樣機模型，如圖所示。整車虛擬樣機模型整車平順性仿真實驗分析汽車的平順性主要是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)。汽車通常是在接近平穩(wěn)隨機的路面上行駛，此工況下的振動為隨機振動，隨機輸入行駛試驗采用平穩(wěn)隨機振動的研究方法評價汽車在一般路面上行駛的平順性。汽車平順性試驗的主要對象是“路面—汽車—人(或貨物)”系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，路面不平度形成了對汽車振動系統(tǒng)的“輸入”，此“輸入”經(jīng)過由輪胎、懸架、坐墊等彈性元件的振動系統(tǒng)的傳遞，得到振動系統(tǒng)的“輸出”是經(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——舒來評價汽車的平順性。隨機輸入整車平順性實驗分析隨機輸入試驗是評定汽車平順性的最主要的試驗。這個實驗應根據(jù)國標GB/T4970—1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》建立該典型路面并進行仿真。隨機輸入試驗主要以總加權加速度均方根值來評價，車廂底板及車軸上采用該處的加速度均方根值來評價。隨機路面輪廊的建立隨機路面生成器(Ride-ProfileGeneration)是ADAMS/CarRide提供的一個基于Sayers數(shù)字模型的路面生成工具；該模型是一種經(jīng)驗模型，綜合了許多不同類型的道路測量參數(shù)，可以用于表述實際道路的隨機不平度。它可以同時給出左右輪轍路面輪廓參數(shù)，模型輸入量的長度單位是m，輸出左右輪轍的隨機高度為mm。Sayers模型中PSD參數(shù)與路面粗糙度關系見下所示。其中IRI表示國際面粗糙度標準(InternationalRoughnessIndex)。功率譜密度與粗糙度IRI路面粗糙度路面類型：（大約相當于）光滑瀝青路面751184060瀝青路17粗糙瀝青路面22535510.003200.20光滑水泥路面801263010水泥路面16125410.1200.25粗糙水泥路面24138040.1350.3創(chuàng)建隨機不平路面參數(shù)文件：按下圖在路面輪廊發(fā)生器的設置界面填寫如下參數(shù)（相當于較粗糙的水泥路面）：ElevationPSDParameter（空間功率譜密度）：=.1；VelocityPSDParameter（速度功率譜密度）：=20；AccelerationPSDParameter（加速度功率譜密度）：=0.1。在PostProcessor模塊，對左右輪轍繪圖。由路面輪廓生成器生成的隨機路面輪廓如圖所示。隨機路面模型的仿真對于隨機路面輸入，根據(jù)GB/T4970—1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》中規(guī)定的車速范圍分別以車速為60、80、90、100、120km/h行駛在由路面輪廓生成器構造的路面上，并對整車虛擬樣機模型進行仿真。設置仿真參數(shù)：采樣間隔0.05m，車速為80km/h,仿真時間2s單擊SetUpRoadProfiles按鈕啟動路面輪廓設置選項卡，如圖所示CalculatedWheelbase和CalculatedTimeLag欄由ADAMS/CarRide自動填寫，CalculatedTimeLag是指在設置了車速并參考軸距后計算得出的車輛通過道路后輪滯后前輪的時間。LeftWheeltrackProfile(左輪轍輪廓)設置ChannelNumber(通道號)為1；RightWheeltrackProfile(右輪轍輪廓)設置ChannelNumber(通道號)為2。在路面輪廓發(fā)生器(Road-ProfileGeneration)中對左右輪轍(通道)分別進行標記，一般約定左輪轍通道名稱為LElve，通道號為1，右輪轍通道名稱為RElev，通道號為2；如果需要對左右輪轍作對稱輸入，則路面輪廓設置選項卡的左右輪轍通道號欄輸入同一通道號。單擊OK按鈕接受設置并關閉路面輪廓設置選項卡；單擊Apply按鈕執(zhí)行仿真，啟動ADAMS/PostProcessor觀察仿真結果。底盤處垂向加速度與頻幅特性底盤處橫向加速度與頻幅特性底盤處縱向加速度與頻幅特性采用國際標準ISO2631推薦的1/3倍頻程對比分析法可對座椅的振動舒適性進行評價。ISO2631標準所采用的基本物理量是1/3倍頻程帶寬加速度均方根值，它的優(yōu)點是：（1）考慮了整個1-80Hz頻率范圍內(nèi)振動對人的影響，這個頻率范圍的振動對平順性的影響最大。（2）考慮了人對不同方向（水平、垂直）的振動所能承受界限的不同。（3）以加速度均方根值作為物理量。加速度是低頻范圍內(nèi)對平順性影響最大的因素，而均方根值既能反映加速度的大小，又反映了振動能量的強弱，是一個綜合物理量。（4）定量給出了三級強度（暴露極限、疲勞---工效降低極限、舒適性降低極限）的承受極限值。對于人體振動的評價用加權加速度均方根值，并分別用、、表示垂直方向、左右方向、前后方向振動的加權加速度均方根值?？偧訖嗉铀俣染礁蛋聪率接嬎悖?[(1.4)+(1.4)+()]式中，為前后方向（即X軸向）加權加速度均方根值，；為左右方向（即Y軸向）加權加速度均方根值；為垂直方向（即Z軸向）加權加速度均方根值。根據(jù)分析結果，使用下表所示平順性評價標準表，預測和評價車輛的平順性。平順性評價表加權加速度均方根值加權振級人的主觀感覺<0.315110沒有不舒適0-315～0．6110～116有一些不舒適0.5～1.0114～120相當不舒適0.8～1.6118～124不舒適1.2～2.5112～128很不舒適>2.0126極不舒適根據(jù)上述計算準則，可得座椅上人體感受到的振動加速度均方根值為=0.057，人體感覺舒適。修改硬點坐標進行平順性優(yōu)化模型中零部件通過硬點坐標定位、連接，通過修改硬點坐標可以得到不同的仿真模型，然后再進行平順性仿真，對比原模型，得到實現(xiàn)最佳平順性的硬點坐標。本文中每次修改一個硬點坐標，上下浮動10%，其他坐標保持不變，進行所有硬點坐標的分析，在其中找出與平順性相關程度最大的坐標在進行進一步的分析。(由于篇幅限制，這里只給出部分修改過的平順性曲線圖)hpl_arm_front-220-400225（修改下擺臂前支x坐標）底盤處垂直加速度底盤處橫向加速度底盤處縱向加速度hpl_arm_out-20-700231（修改下擺臂外支點z坐標）底盤處垂直加速度底盤處橫向加速度底盤處縱向加速度經(jīng)過對比分析，在36個坐標中找出4個與平順性相關程度最大的坐標，見下表：相關程度最高的四個硬點序號硬點HardPoints