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随机路面输入的汽车平顺性仿真分析

许先锋
北汽福田车辆股份有限公司技术研究院
前言
现在随着汽车技术的发展和人们对汽车产品性能及质量要求的日益提高，一个汽车产品的生命周期越来越短，且一个全新汽车产品的概念开发和设计也日益提前，以适应激烈市场竞争的需求，在试制出物理样车之前，有必要对所开发的汽车的平顺性有一个清楚的了解，评价该车的乘坐舒适性是否满足设计要求，以避免在试制出物理样车并对其进行平顺性试验后，发现平顺性不满足要求而重新更改设计所造成的试制费用和设计时间的巨大浪费。仿真分析是适应这一要求的最佳途径，因为仿真分析采用虚拟样机技术，其具有丰富的建模功能和强大的运动学、动力学解算能力，可以建立规模庞大、机构复杂、系统级的仿真模型，为进行汽车整车性能仿真分析带来了可能。美同MDI公司的ADAMS软件是世界一流首屈一指的大型机械系统运动学、动力学仿真分析软件，本次平顺性分析的整车仿真模型就是在ADAMS10.0中建立，仿真模型原型是福田公司新开发的某一型号轻卡。
由于平顺性分析对不同等级路面的不平度和人体对振动的敏感程度有严格的规定，如果仅依靠仿真软件仍然很难进行整车平顺性仿真分析，因此在建立整车仿真模型的同时，我们开发了适用于ADAMS轮胎模型要求的不同等级路面生成软件和平顺性评价软件，运用所开发的软件与ADAMS相结合，成功地实现了整车平顺性仿真分析。
1.整车仿真模型的建立
汽车在行驶过程中，来自路面的激励是影响乘员乘坐舒适性的主要因素，平顺性主要是根据乘坐者的舒适性来评价，故其又称为乘坐舒适性。汽车以一定的车速驶过随机的路面，路面不平度经轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件和非悬挂质量、悬挂质量构成的振动系统传递到人体，则前后车桥（非悬挂质量），车架、车身、货箱（悬挂质量）和人体的振动加速度是平顺性的评价对象，因此仿真模型中必须包括以下几个部分：
前后车桥、前钢板弹簧、后主簧、后副簧、前后减振器、车身(包括车架、驾驶室和货箱)、座椅和人体。在本仿真模型中，考虑了后副簧与车架缓冲块的相互冲撞作用；前后减振器简化为一阻尼约束（DAMPER）；车架与前后车桥通过钢板弹簧和减振器联接起来；座椅简化为一弹性、阻尼约束（SPRING-DAMPER），其将人体与车身地板相联；人体简化为65Kg的质量块。
构造整车仿真模型的一大难点是如何构造前、后钢板弹簧和后副簧，并且使前、后钢板弹簧总成的刚度与实际情况一致。通过对不同车型的钢板弹簧仿真计算，我们摸索出一套构造钢板弹簧仿真模型的规律和方法，应用该规律和方法，仅通过建立主片簧的仿真模型，同时在主片簧的段与段相联接的梁（BEAM）单元的截面参数中考虑了其它片簧的影响，这样仅用主片簧就可以代替整个板簧总成，一方面可以大副度地降低整个仿真模型的自由度，有效地减少计算量，另一方面还可以使构造的钢板弹簧仿真模型在几何外形和刚度方面与实际情况高度一致，确保了整车仿真分析的准确性。本次分析车型的前、后钢板弹簧和后副簧的有关参数如表1所示。

表1
弹簧名称片数厚度(mm)宽度(mm)伸直长度(mm)备注前钢板弹簧81～8片为6.5mm63.01～8片簧的长度分别为：1200，1200，1020，1020，860，700，480，480材料：60Si2Mn
总成刚度：60.2N/mm
自由弧高：103mm
骑马螺栓中心距：80mm后钢板弹簧61～4片为8.0mm,5～6为11.0mm63.01～6片簧的长度分别为：1200，1200，1060，920，780，420材料：60Si2Mn
后簧刚度：112.68N/mm
自由弧高：112mm
骑马螺栓中心距：130mm后副簧31～3片为6.5mm631～3片簧的长度分别为：770,570,470材料：60Si2Mn
副簧刚度：129.5N/mm
自由弧高：50mm
骑马螺栓中心距：130mm前右钢板弹簧的仿真模型如图1所示：

图1
前右钢板弹簧的力～变形曲线和刚度曲线的仿真计算结果如图2所示：
力～变形曲线 刚度～变形曲线
图2
后右钢板弹簧的仿真模型如图3所示：

图3
后右钢板弹簧的力～变形曲线和刚度曲线的仿真计算结果如图4所示：

力～变形曲线 刚度～变形曲线
图4
从图2和图4所示前后钢板弹簧的力～变形曲线和刚度～变形曲线的仿真计算结果图上可以看出，仿真计算的板簧刚度值与表1所列的刚度数值非常接近，这保证了整车仿真模型的前后悬挂部分与实车相一致，为确保整车仿真分析的准确性打下了基础。
转向系。为了保证模型在某一等级的路面上直线行驶，转向系是必须具有的，在仿真模型中转向系包括方向盘、转向柱、转向器输入轴、转向螺母、摇臂轴、摇臂、纵拉杆、转向节臂、转向节、梯形臂和横拉杆。在转向器中考虑了转向系的扭转刚度；转向柱通过BUSHING与车身