汽車平順性能仿真分析報(bào)告

汽車平順性能仿真分析報(bào)告整車模型建立將直接影響到整車仿真分析結(jié)果的精度，對(duì)于仿真分析而言，準(zhǔn)確地建立虛擬樣機(jī)模型就顯得至關(guān)重要。本文在ADAMS/Car中建立虛擬樣機(jī)的整車仿真模型。整車模型是一個(gè)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(jié)構(gòu)為一根A臂，同時(shí)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(shí)的減振支柱只負(fù)責(zé)支撐車體和減振任務(wù)，車輪的橫向力縱向力，則都由A臂來完成。應(yīng)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(duì)其參數(shù)進(jìn)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(yīng)用于小型車輛的的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，可帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)小齒輪與一根齒條嚙合，帶動(dòng)齒條左右直線運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪左右擺動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(biāo)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(yīng)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(duì)其參數(shù)進(jìn)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(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)懸架會(huì)壓向穩(wěn)定桿，這樣穩(wěn)定桿就會(huì)發(fā)生扭曲。由于穩(wěn)定桿是個(gè)彈性桿，他的彈力會(huì)阻止車輪抬起，可減小車身側(cè)傾程度，從而使車身盡量保持平衡。應(yīng)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(duì)其參數(shù)進(jìn)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(biāo)系，考慮了非穩(wěn)態(tài)效果，側(cè)偏和縱滑的相互影響是通過摩擦橢圓考慮的。其主要特點(diǎn)是包含輪胎的縱向、側(cè)向松弛效應(yīng)。所謂松弛效應(yīng)指當(dāng)輪胎滾過地面時(shí)，輪胎接地段變形的恢復(fù)需要滾動(dòng)一段距離。在常規(guī)行駛時(shí)，松弛效應(yīng)對(duì)輪胎的動(dòng)力學(xué)性能影響較??；但在低速或路面存在高頻激勵(lì)時(shí)，對(duì)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(dòng)子系統(tǒng)模型的建立盤式制動(dòng)器由液壓控制，主要零部件有制動(dòng)盤、分泵、制動(dòng)鉗、油管等。制動(dòng)盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。分泵固定在制動(dòng)器的底板上固定不動(dòng)。制動(dòng)鉗上的兩個(gè)摩擦片分別裝在制動(dòng)盤的兩側(cè)。分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動(dòng)摩擦片壓向制動(dòng)盤發(fā)生摩擦制動(dòng)，動(dòng)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(dòng)器散熱快，重量輕，構(gòu)造簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。特別是高負(fù)載時(shí)的耐高溫性能好，制動(dòng)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(yīng)用ADAMS/Car軟件共享數(shù)據(jù)庫中提供的四輪盤式制動(dòng)系統(tǒng)模板，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行修改得到所要建立的盤式制動(dòng)子系統(tǒng)模型如圖所示。盤式制動(dòng)子系統(tǒng)車身子系統(tǒng)模型的建立：建立車身模型時(shí)，將車身簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體來處理。由于車身起到連接前后懸架、轉(zhuǎn)向和動(dòng)力系統(tǒng)的重要作用，建模時(shí)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(guān)系，這樣才能保證整車動(dòng)力學(xué)仿真的順利進(jìn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)話框，如圖所示。在標(biāo)準(zhǔn)模式(Standardinterface)下將上述所建各子系統(tǒng)模型與整車測(cè)試平臺(tái)(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(jiǎn)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(shí)域試驗(yàn)擴(kuò)展到頻域試驗(yàn)。ADAMS/CarRide作為ADAMS/Car的插件，不能脫離ADAMS/Car界面獨(dú)立運(yùn)行；使用ADAMS/CarRide必須基于一個(gè)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(yàn)(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(xì)地指定參數(shù)，就可以基于一個(gè)擴(kuò)展的試驗(yàn)平臺(tái)完成一系列預(yù)定義的平順性研究過程。ADAMS/CarRide提供的虛擬四柱試驗(yàn)臺(tái)是固定的，只能作垂直方向的振動(dòng)輸入，用虛擬四柱試驗(yàn)臺(tái)對(duì)整車模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，ADAMS/CarRide只需在設(shè)置界面上定義車速，就可以通過四柱試驗(yàn)臺(tái)仿真汽車行駛在不平路面時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，用實(shí)時(shí)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(shí)的響應(yīng)特性，得路面PSD響應(yīng)研究變得容易。整車平順性仿真路面輸入模型在進(jìn)行車輛平順性仿真研究時(shí)，仿真路面的構(gòu)造是一個(gè)重要方面。當(dāng)以路面輪廓粗糙度為輸入源時(shí)，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(dòng)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(dá)式式中，n—空間頻率，(它是波長(zhǎng)λ的倒數(shù),表示每米長(zhǎng)度中包括幾個(gè)波長(zhǎng),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(duì)數(shù)坐標(biāo)上斜線的斜率，它決定路面譜的頻率結(jié)構(gòu)，通常取w=2。對(duì)汽車振動(dòng)系統(tǒng)的輸入除了路面不平度，還要考慮車速這個(gè)因素。根據(jù)車速u，將空間頻率功率譜密度換算為時(shí)間頻率功率譜密度。當(dāng)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(shí)輸入的時(shí)間頻率是u與n的乘積，即f=un由此得到與的關(guān)系式=由此得時(shí)間頻率譜密度的表達(dá)式=由此得到時(shí)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(guān)系式整車平順性仿真模型的建立利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(gòu)建比較精細(xì)；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(duì)有限的車型分析。建立符合分析要求的汽車整車虛擬樣機(jī)模型是進(jìn)行汽車平順性仿真分析研究的前提。在進(jìn)行車輛平順性仿真研究時(shí)，采用自下而上的建模方式建立整車的動(dòng)力學(xué)仿真模型，整車模型至少應(yīng)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(dòng)系統(tǒng)與動(dòng)力總成不是必需的。若要建立完整的整車虛擬樣機(jī)仿真模型，除相應(yīng)的制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力總成外，還需建立前穩(wěn)定桿模型。而在選擇試驗(yàn)裝配方案時(shí)，對(duì)平順性仿真試驗(yàn)，選擇虛擬四柱試驗(yàn)臺(tái)(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(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等)構(gòu)建一部整車虛擬樣機(jī)模型，如圖所示。整車虛擬樣機(jī)模型整車平順性仿真實(shí)驗(yàn)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(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)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(jī)的路面上行駛，此工況下的振動(dòng)為隨機(jī)振動(dòng)，隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)采用平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)的研究方法評(píng)價(jià)汽車在一般路面上行駛的平順性。汽車平順性試驗(yàn)的主要對(duì)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(duì)汽車振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的傳遞，得到振動(dòng)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(duì)振動(dòng)的反應(yīng)——舒來評(píng)價(jià)汽車的平順性。隨機(jī)輸入整車平順性實(shí)驗(yàn)分析隨機(jī)輸入試驗(yàn)是評(píng)定汽車平順性的最主要的試驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》建立該典型路面并進(jìn)行仿真。隨機(jī)輸入試驗(yàn)主要以總加權(quán)加速度均方根值來評(píng)價(jià)，車廂底板及車軸上采用該處的加速度均方根值來評(píng)價(jià)。隨機(jī)路面輪廊的建立隨機(jī)路面生成器(Ride-ProfileGeneration)是ADAMS/CarRide提供的一個(gè)基于Sayers數(shù)字模型的路面生成工具；該模型是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，綜合了許多不同類型的道路測(cè)量參數(shù)，可以用于表述實(shí)際道路的隨機(jī)不平度。它可以同時(shí)給出左右輪轍路面輪廓參數(shù)，模型輸入量的長(zhǎng)度單位是m，輸出左右輪轍的隨機(jī)高度為mm。Sayers模型中PSD參數(shù)與路面粗糙度關(guān)系見下所示。其中IRI表示國(guó)際面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)(InternationalRoughnessIndex)。功率譜密度與粗糙度IRI路面粗糙度路面類型：（大約相當(dāng)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(jī)不平路面參數(shù)文件：按下圖在路面輪廊發(fā)生器的設(shè)置界面填寫如下參數(shù)（相當(dāng)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(duì)左右輪轍繪圖。由路面輪廓生成器生成的隨機(jī)路面輪廓如圖所示。隨機(jī)路面模型的仿真對(duì)于隨機(jī)路面輸入，根據(jù)GB/T4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)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(gòu)造的路面上，并對(duì)整車虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真。設(shè)置仿真參數(shù)：采樣間隔0.05m，車速為80km/h,仿真時(shí)間2s單擊SetUpRoadProfiles按鈕啟動(dòng)路面輪廓設(shè)置選項(xiàng)卡，如圖所示CalculatedWheelbase和CalculatedTimeLag欄由ADAMS/CarRide自動(dòng)填寫，CalculatedTimeLag是指在設(shè)置了車速并參考軸距后計(jì)算得出的車輛通過道路后輪滯后前輪的時(shí)間。LeftWheeltrackProfile(左輪轍輪廓)設(shè)置ChannelNumber(通道號(hào))為1；RightWheeltrackProfile(右輪轍輪廓)設(shè)置ChannelNumber(通道號(hào))為2。在路面輪廓發(fā)生器(Road-ProfileGeneration)中對(duì)左右輪轍(通道)分別進(jìn)行標(biāo)記，一般約定左輪轍通道名稱為L(zhǎng)Elve，通道號(hào)為1，右輪轍通道名稱為RElev，通道號(hào)為2；如果需要對(duì)左右輪轍作對(duì)稱輸入，則路面輪廓設(shè)置選項(xiàng)卡的左右輪轍通道號(hào)欄輸入同一通道號(hào)。單擊OK按鈕接受設(shè)置并關(guān)閉路面輪廓設(shè)置選項(xiàng)卡；單擊Apply按鈕執(zhí)行仿真，啟動(dòng)ADAMS/PostProcessor觀察仿真結(jié)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631推薦的1/3倍頻程對(duì)比分析法可對(duì)座椅的振動(dòng)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。ISO2631標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是：（1）考慮了整個(gè)1-80Hz頻率范圍內(nèi)振動(dòng)對(duì)人的影響，這個(gè)頻率范圍的振動(dòng)對(duì)平順性的影響最大。（2）考慮了人對(duì)不同方向（水平、垂直）的振動(dòng)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(duì)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(dòng)能量的強(qiáng)弱，是一個(gè)綜合物理量。（4）定量給出了三級(jí)強(qiáng)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(duì)于人體振動(dòng)的評(píng)價(jià)用加權(quán)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(dòng)的加權(quán)加速度均方根值?？偧訖?quán)加速度均方根值按下式計(jì)算：=[(1.4)+(1.4)+()]式中，為前后方向（即X軸向）加權(quán)加速度均方根值，；為左右方向（即Y軸向）加權(quán)加速度均方根值；為垂直方向（即Z軸向）加權(quán)加速度均方根值。根據(jù)分析結(jié)果，使用下表所示平順性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表，預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)車輛的平順性。平順性評(píng)價(jià)表加權(quán)加速度均方根值加權(quán)振級(jí)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(dāng)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(jì)算準(zhǔn)則，可得座椅上人體感受到的振動(dòng)加速度均方根值為=0.057，人體感覺舒適。修改硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行平順性優(yōu)化模型中零部件通過硬點(diǎn)坐標(biāo)定位、連接，通過修改硬點(diǎn)坐標(biāo)可以得到不同的仿真模型，然后再進(jìn)行平順性仿真，對(duì)比原模型，得到實(shí)現(xiàn)最佳平順性的硬點(diǎn)坐標(biāo)。本文中每次修改一個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)，上下浮動(dòng)10%，其他坐標(biāo)保持不變，進(jìn)行所有硬點(diǎn)坐標(biāo)的分析，在其中找出與平順性相關(guān)程度最大的坐標(biāo)在進(jìn)行進(jìn)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(biāo)）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(diǎn)z坐標(biāo)）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(duì)比分析，在36個(gè)坐標(biāo)中找出4個(gè)與平順性相關(guān)程度最大的坐標(biāo)，見下表：相關(guān)程度最高的四個(gè)硬點(diǎn)序號(hào)硬點(diǎn)HardPoints