基于虛擬樣機技術對整車行駛平順性的優化研究

王馨翊

(西安航空職業技術學院, 航空制造工程中心, 陜西, 西安 710089)

0 引言

虛擬樣機技術是產品開發中用來代替真實物理模型的技術,和傳統實車試驗測試相比,虛擬樣機分析設計能夠達到模型快速改變且所花費成本更小的目的,被許多學者應用于汽車平順性的分析中[1-2]。車輛平順性的研究旨在降低汽車的振動,并將其控制在一定范圍內,保證駕駛員和乘客乘坐的不適感低于一定值,同時保證貨物安全[3-5]。在汽車行駛過程中,懸架系統作為連接車輪與車身的傳力裝置,可以降低和隔絕不平路面激勵對車身產生的振動,緩和路面的沖擊力,提高汽車乘坐的舒適性[6-8]。因此,利用虛擬樣機技術建立汽車模型,優化汽車懸架的結構特征和參數,對于提高懸架系統的隔振、減振能力,進而改善汽車的平順性非常重要。

汽車懸架中與行駛平順性及乘客主觀感受相關的部件是彈簧和減振器[9]。減振器可以起到緩沖振動的作用,其結構形式為阻尼元件,適配的減振器可提高車輛的行駛平順性、增加懸架角剛度,對提高汽車在崎嶇粗糙路面上的行駛速度有很大幫助[10]。而彈簧作為彈性元件,其安裝點的硬點坐標直接影響汽車懸架的結構參數,使得懸架系統的剛度發生變化,進而影響行駛過程中的平順性。因懸架空間布置,彈簧上安裝點無法變化,操穩性與平順性相互耦合和關聯[11],在滿足操穩性能的前提下,可以修改前懸架彈簧下安裝點的安裝位置來優化汽車平順性。

本文基于ADAMS/Car建立整車虛擬樣機模型并進行平順性仿真,針對在B級和C級路面上汽車行駛平順性較差的問題,應用ADAMS/Insight試驗設計功能中曲面響應的擬合方法進行仿真計算,獲得優化后的前懸架彈簧下安裝點的新硬點坐標,完成懸架結構參數的匹配優化,改善整車行駛的平順性能,提高乘客乘坐的舒適性。

1 整車仿真模型的建立

根據汽車平順性仿真分析的需要,簡化機械系統,構建多體系統模型。首先建立汽車各個子系統的剛體模型,基于ADAMS/Car依次創建前雙A臂式獨立懸架模型、后多連桿式獨立懸架模型、前后防傾桿模型、轉向系統模型、輪胎模型、車身模型等子系統,然后裝配完成整車虛擬樣機模型的建立。帶有四柱試驗平臺的整車虛擬樣機模型如圖1所示,其中為方便研究,將車身模型簡化處理為一個理想的剛性球體。

圖1 整車模型

2 整車平順性仿真試驗及分析

2.1 平順性仿真試驗

在ADAMS/Car Ride模塊提供的虛擬四柱實驗臺上進行整車平順性的試驗研究,選擇B級瀝青和C級水泥這兩種常用路面建立隨機路面模型。通過虛擬四柱實驗臺對4個車輪分別施加40、60和80 km/h的車速激勵,讓整車產生的振動效果與真實駕駛過程相似。仿真完成后,得到車輛在B級、C級路面上,分別以上述3種速度行駛時,底盤縱向、橫向、垂向的振動加速度時域特性圖。以車輛在B級瀝青路面,速度為40 km/h行駛時為例,其底盤的縱向、橫向和垂向的振動加速度時域特性圖如圖2～圖4所示。

圖2 底盤縱向振動加速度時域特性

圖3 底盤橫向振動加速度時域特性

圖4 底盤垂向振動加速度時域特性

2.2 平順性評價指標

對于乘用車而言,參照我國使用的標準ISO2631-1:1997(E)來制定量化平順性的評價指標[12]。對于轎車,一般用質心處或者座椅處的總加權加速度均方根值RMSman進行評價,同時參照上述ISO2631-1:1997(E)標準可以得到RMSman的數值與人主觀感受之間的對應關系,如表1所示。

表1 RMSman的數值與人的主觀感受對應表

由表1可知,座椅處總加權加速度均方根值RMSman越小,乘客乘坐車輛時的舒適度越高,汽車的平順性越好。

2.3 平順性試驗結果分析

對得到的仿真結果做后處理后計算RMSman,分析汽車在上述條件下行駛時的平順性。仿真得到了車輛縱向、橫向和垂向的底盤振動加權加速度時間歷程aw(t),3個方向的底盤加權加速度均方根值RMS由下式計算:

(1)

式中,T為振動的分析時間。

由圖2可知底盤的縱向振動加速度在-1.6304 m/s2至1.0242 m/s2范圍內變化,由式(1)可計算底盤縱向加權加速度均方根值RMSx為0.2498 m/s2,同理可計算得到底盤橫向RMSy為0.0412 m/s2,底盤垂向RMSz為0.4959 m/s2。

當同時考慮椅面x,y,z3個軸向振動時,底盤總加權加速度均方根值RMSchassis由下式計算:

(2)

式中,RMSx、RMSy、RMSz-車身底盤在3個坐標方向的加權加速度均方根值。

因此由式(2),可計算得到車身底盤的RMSchassis為0.6095。

座椅處的總加權加速度均方根值和車身底盤的總加權加速度均方根值可以使用如下經驗公式進行換算:

RMSchassis=k×RMSman

(3)

式中,RMSchassis為車身底盤的總加權加速度均方根值,RMSman為車輛座椅處的總加權加速度均方根值,k為比例換算系數,一般k≥1.4,本文取k=1.6。

經式(3)換算后,可得車輛在B級瀝青路面上以40 km/h的速度行駛時的RMSman為0.3809。

用相同的步驟和方法對其他工況進行仿真分析和后處理計算,最終得到汽車在B級路面分別以60、80 km/h速度行駛時的RMSman值為0.3508、0.4225,在C級路面分別以40、60和80 km/h速度行駛時的RMSman值為0.386、0.4789和0.5856。結合表1可得RMSman值均在0.315至0.6之間,因此人體的主觀感受均為“有一些不舒服”,如表2所示。

表2 整車隨機路面輸入仿真結果

由表2可得,車輛在B級瀝青和C級水泥路面上行駛時,乘客的主觀感受都是“有一些不舒服”,均不符合ISO2631-1:1997(E)標準中的規定,平順性較差,該汽車結構需要進一步的優化改進。

3 整車平順性的優化改進

3.1 數學模型的建立

(1) 目標函數

由于車輛座椅處的總加權加速度均方根值RMSman越小,乘客乘坐的感受越舒服,汽車的平順性越好,且RMSman可以和車身底盤的總加權加速度均方根值RMSchassis呈正比換算,因此基于ADAMS/Insight進行試驗設計,以降低RMSchassis作為優化目標,即目標函數為

ymin=min{RMSchassis(i)},i=1,2,…,n

(4)

式中,i為仿真試驗次數。

(2) 設計變量及約束條件

將前懸架彈簧下安裝點的硬點坐標值作為設計變量,前懸架左側和右側彈簧下安裝點的硬點坐標值分別設為(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)。

優化前前懸架左側彈簧下安裝點的硬點坐標值為(72.983,-550.61,205.79),右側為(72.983,550.61,205.79),根據車輛及懸架的幾何參數約束,確定設計變量的變化范圍,如表3所示。

表3 設計變量的變化范圍

3.2 ADAMS/Insight仿真優化

使用ADAMS/Insight試驗設計方法中的曲面響應法,根據設定的條件進行十組迭代仿真計算,同時使用標準方差統計工具對優化后的硬點坐標進行數據擬合檢驗。仿真試驗結束后得到的前懸架左側彈簧下安裝點的硬點坐標值為(69.884,-549.05,203.73),右側為(69.884,549.05,203.73),數據擬合的檢驗結果如圖5所示。

圖5 優化效果檢驗圖

將優化后的硬點坐標值輸入車輛模型,完成模型懸架參數的修改。然后在B級路面以40 km/h的速度進行仿真試驗,測出底盤縱向、橫向和垂向的振動加速度時域特性圖,同時與優化之前的振動加速度時域特性圖對比,如圖6～圖8所示,圖中實線1為優化前的圖形,虛線2為優化后的圖形。

圖6 底盤縱向振動加速度時域特性

圖7 底盤橫向振動加速度時域特性

圖8 底盤垂向振動加速度時域特性

由圖6可知,底盤縱向振動加速度在-1.0211 m/s2至1.0452 m/s2范圍內變化,經計算可得底盤縱向RMSx為0.2177 m/s2。同理可計算得到底盤橫向RMSy為0.1307 m/s2,底盤垂直RMSz為0.2406 m/s2。最終可計算得到優化改進后的車輛模型在B級瀝青路面上以40 km/h的速度行駛時,座椅處總加權加速度均方根值RMSman為0.2683 m/s2,相比優化前該值降低了29%,乘客的感受變為“沒有不舒服”。

用相同的步驟和方法對其他工況進行仿真分析和計算后處理,最終得到汽車在B級路面分別以60、80 km/h速度行駛時的RMSman值為0.2753、0.2585,在C級路面分別以40、60和80 km/h速度行駛時的RMSman值為0.256、0.2911和0.3055。結合表1可得RMSman值均小于0.315,因此人體的主觀感受均為“沒有不舒服”,如表4所示。

由表4可得,優化改進后的汽車模型在B級、C級路面上分別以40、60和80 km/h的車速行駛時,乘客的乘坐感受都為“沒有不舒服”,符合標準,汽車平順性得到了明顯改善。

4 總結

本文基于ADAMS/Car搭建了具有前雙A臂式獨立懸架的汽車虛擬樣機模型,并在兩種路面以不同車速激勵進行了平順性仿真試驗。針對汽車平順性較差的問題,使用ADAMS/Insight中的曲面響應試驗設計法進行了優化仿真計算,得到前懸架彈簧下安裝點的最佳硬點坐標,改進了前懸架的結構參數,優化后的汽車模型在相同工況下行駛時,其RMSman值降低了29%,汽車平順性明顯改善,顯著提高了乘坐的舒適性。