客車平順性仿真及優化

康元春

(湖北汽車工業學院，汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室(湖北汽車工業學院)，湖北十堰 442002)

0 引言

隨著汽車工業的發展，人們對出行時乘坐舒適性也逐漸提高?？蛙嚨钠巾樞灾苯佑绊懼俗孢m性，因此提高客車平順性變得越來越重要。采用Adams/car虛擬樣機技術，建立多體動力學模型，能在較短時間內獲得最佳的懸架參數匹配，為改善整車平順性做出指導。本文作者以某客車為研究對象，在ADAMS/Car 中建立了該整車的多體動力學模型，分析它在4種不同路面道路上行駛平順性，并利用ADAMS/Insight對該客車前后輪彈簧剛度和前后減振器阻尼參數進行優化，以降低該客車在水泥道路上行駛時的總加權加速度均方根值，提高了其在水泥道路上行駛時的舒適性。

1 平順性評價方法

ISO 2631-1:1997規定用加權加速度均方根值來評價車輛的平順性。本文作者通過ADAMS/Ride模擬客車在不同等級道路上行駛，得到其在x、y、z3個方向的加速度時間歷程曲線，采用FFT功能得到功率譜密度Ga(f)，總加權加速度均方根值：

αv=[(1.4αxw)2+(1.4αyw)2+αzw2]1/2

(1)

當αw小于0.315 m/s2時，人沒有不舒適；αw在0.315～0.63 m/s2之間時，人有一些不舒適；αw在0.5～1.0 m/s2之間時，人會感覺相當不舒適[1]。

2 整車和道路模型的建立

2.1 整車模型的建立

客車前懸架為雙橫臂懸架，該懸架的上下臂前后端通過襯套與副車架連接，外端通過球鉸接與轉向節連接后連接到車輪?？蛙嚭髴壹苁褂门ちα簯壹?，左右車輪裝在一個扭力梁的兩端。在ADAMS/Car中，從Adjust的Hardpoint中更改前后懸架硬點坐標，將前后懸架與制動系統、轉向系統、動力系統以及車身等系統進行組合，在四柱試驗臺上建立了客車整車仿真模型，見圖1。

圖1 整車在四柱試驗臺上的模型

2.2 道路模型的建立

利用ADAMS自帶的路面生成器建立道路模型，路面生成器見圖2。路面生成器中，Ge、Gs和Ga分別表示白噪聲的空間、速度和加速度的功率譜密度幅值。模擬路面長度1 000 m，采用間隔為5 m，道路表面波長關聯長度為5 m。

圖2 Sayers路面生成器

采用路面生成器模擬光滑水泥路面、水泥路面、光滑瀝青路面和瀝青路面，道路的Ge、Gs和Ga參數見表1[2]。路面生成器模擬的2D路面見圖3，將得到的路面曲線施加在四柱試驗臺上客車的左、右車輪。

表1 道路模型參數

圖3 不同等級路面道路譜

3 懸架性能參數優化

3.1 優化前整車平順性

在ADAMS/Ride四柱試驗臺上，模擬客車整車以車速60 km/h在4種不同道路上行駛，仿真時長為6 s，得到4種道路上在x、y和z3個方向的加速度隨時間變化曲線。圖4是模擬客車在光滑水泥路面上行駛時，x、y、z3個方向的加速度時間歷程曲線和功率譜密度曲線。根據公式(1)結合客車在3個方向的加速度時間歷程和功率譜密度數據，在MATLAB中進行計算，得到客車在這4種路面的加權加速度均方根結果，見表2。

圖4 光滑水泥路面客車仿真曲線

m/s2

從表2可以看出：該客車在光滑水泥路面、光滑瀝青路面和瀝青路面行駛時，各方向加權加速度均方根值及總加權加速度均方根值均小于0.315 m/s2，舒適性較好。在水泥路面行駛時，總加速度均方根值αv為0.319 7 m/s2，大于“人沒有不舒適”時的0.315 m/s2，表明該車在水泥路面行駛時，人有一定的不舒適，因此需要對總加速度均方根值進行優化。

3.2 平順性參數優化

在ADAMS/Insight模塊中，對該客車在水泥路面行駛時總加速度均方根值進行優化。優化目標為水泥路面的橫向、縱向和垂向加權加速度均方根值最??；設計變量為前后懸架的彈簧剛度比和減振器阻尼比，用Kf和Kr表示前后彈簧剛度比，Cf和Cr表示前后減振器阻尼比[3]。將前后懸架彈簧剛度比和減振器阻尼比的變化范圍均設置為0.4～0.6。采用DOE Response Surface(RSM)建立仿真模型，DOE設計類型選擇Latin Hypercube，得到的設計變量矩陣見表3。

表3 設計變量矩陣表

優化前后，水泥路面上x、y和z向加速度曲線對比見圖5。優化后，客車在水泥路面行駛時x、y和z方向的加速度均比優化前有所降低。

圖5 優化前后加速度曲線比較

優化后3個方向的加權加速度均方根值分別為0.129 2、0.100 9和0.203 0 m/s2，均小于0.315 m/s2，且總加速度均方根值由0.319 7 m/s2減小到0.306 4 m/s2，低于“人體有不舒適”時的0.315 m/s2。此時經過優化分析之后Kf、Kr、Cf和Cr的取值分別為0.413 333、0.506 667、0.4和0.413 33。

對前后懸架彈簧和減震器參數進行優化，降低了該客車在水泥路面行駛時3個方向上加權加速度均方根值，同時使總加權加速度均方根值低于0.315 m/s2，該客車平順性得到了改善。

4 結論

(1)在ADAMS/Car中對客車建模，并分析了該客車在光滑水泥道路、光滑瀝青道路、水泥道路和瀝青道路等路面上以60 km/h行駛時的平順性，該客車在水泥道路行駛時總加權加速度均方根值較大。

(2)利用ADAMS/Insight對該客車前后輪彈簧剛度和前后減振器阻尼參數進行了優化。優化后，在水泥道路行駛時，客車的橫向，縱向及垂向加權加速度均方根值均減小，總加權加速度均方根值明顯降低，客車的平順性得到了改善。