基于ADAMS的汽车平顺性仿真分析贺翠华，王树凤（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博255049）摘要：本文利用动力学仿真软件ADAMS对汽车的平顺性进行了分析。首先在view中建立了车身与车轮双质量二自由度振动模型，然后用vibration模块对其进行了振动仿真分析。分别研究了悬架刚度、悬架阻尼系数、非悬挂质量和轮胎刚度对平顺性的影响。结果表明，在相同的路面输入下，通过合理选择悬架和轮胎参数可以明显改善汽车平顺性。关键词：平顺性；仿真；性能评价；虚拟样机技术TheResearchofVehicleRidingComfortBasedonADAMSHECui-hua；WANGShu-feng（SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,ZiboChina255049）Abstract:Theridingcomfortisoneofthemostimportantperformancesofvehicle.ThispaperanalysesthevehicleridingcomfortperformanceusingADAMS/view.Accordingtothevehiclevibrationtheory,thevehicleissimplifiedtoadualmassmodelwithtwofreedoms.ThesimulationofthemodeliscarriedoutusingADAMS/Vibration.Theinfluenceofsuspensionstiffness,damping,bodymassandtirestiffnessonthecomforthasbeeninvestigated.Theresultshowsthatchoosingtheappropriateparametersofsuspensionandtirecanimprovethevehicleridingcomfortperformance.Keywords:ridingcomfortperformance;simulation;performanceassessment1引言随着汽车车速的提高，汽车的乘坐舒适性越来越受到人们的重视，而汽车的乘坐舒适性与汽车的平顺性息息相关。所以汽车在行驶过程中的平顺性受到人们的极大关注。但由于受到科研成本、开发周期等因素的影响，对汽车的各种性能的测试不可能都用试验样车来进行，因此汽车动力学仿真技术得到广泛应用[1][2]。其中，m2为悬挂质量（车身质量），m1为非悬挂质量（车轮质量），K为弹簧刚度，C为减振器阻尼系数，Kt为轮胎刚度，q为路面不平度。在这个模型中，又因轮胎阻尼较小而予以忽略。车轮与车身垂直位移坐标为z1、z2，坐标原点选在各自的平衡位置，其运动方程为••⎫⎛••⎞m2z2+C⎜z2−z1⎟+K(z2−z1)=0⎪⎝⎠⎪⎬••••⎛⎞m1z1+C⎜z1−z2⎟+K(z1−z2)+Ktz1=0⎪⎪⎝⎠⎭。本文利用动力学仿真软件ADAMS对汽车的平顺性进行了仿真分析与评价。2建立模型汽车的振动系统是一个复杂的系统，在建模时必须对其进行简化。当汽车对称于其纵轴线且左、右车辙的路面不平度函数相等，悬挂质量分配系数数值接近于1即前后悬挂系统的垂直振动几乎是独立的情况下，可以把汽车简化为图1所示的二自由度振动系统此运动方程是ADAMS软件求解并绘制车身加速度，悬架动挠度以及车轮相对动载荷的幅频特性曲线的理论基础。以前悬架为例，用ADAMS/view建立四分之一车的双质量二自由度振动系统（如图2所示），用两个质量块分别来代表车身与车轮，悬挂质量与非悬挂质z量之间实际上通过并联的弹性元件和阻尼元件连接在m一起的，而且只在垂直方向上相对移动；所以在建模K时通过在两质量块之间作用具有刚度和阻尼性质的力来表示车身与车轮之间的力学关系，同时在两质量块之间施加只允许其相对垂向运动的移动副。忽略轮胎阻尼，质量块之间的有刚度和阻尼的弹性连接表示汽车悬架，其参数为：悬挂质量m2=500kg，车轮质量m1=50kg，悬架刚度K=30N/mm，悬架阻尼C=2N⋅S/mm,车轮刚度Kt=200N/mm。 图1车身与车轮两个自由度振动系统图2ADAMS/view建立的四分之一车模型3振动仿真分析3.1建立输入输出通道由于路面速度功率谱密度幅值在整个频域为一常数，即为“白噪声”，所以建立输入通道时，应建立车轮质心处的垂向速度输入通道[3]。汽车的车身加速度、悬架动挠度和车轮动载荷是平顺性分析中三个重要的振动响应量。车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标，与车辆的舒适性紧密相关；悬架动挠度与其限位块行程的配合决定着汽车车轴部件撞击限位块的概率，影响到平顺性；车轮与路面间的动载荷影响到车轮与路面的附着效果，不仅关系到平顺性而且影响到形式安全性。进行平顺性分析时，要在路面随机输入下对汽车振动系统的这三个振动响应量进行统计计算。因此，应建立这三个响应量的输出通道。利用ADAMS/vibration_build_inputchannel/outputchannel，建立车身加速度通道时，输出点应取在m2质心处；而建立悬架动挠度fd通道时，应根据其相应的公式，fd=z2−z1，输出应该为m2与m1之间的距离；建立车轮动载荷通道时，根据其计算公式，其输出量为Kt(z1−q)(m)g，其中，g为重力加速度，q为路面不1+m2平度函数。3.2进行振动仿真分析建立输入输出通道后，对模型进行仿真（ADAMS/vibration_test_vibrationanalysis），频率范围在0.1Hz-100Hz，仿真步数为200步，选用双对数坐标[4]。在后处理中得到车身加速度（如图3所示）、悬架动挠度（如图4所示）和车轮动载荷（如图5所示）的幅频特性曲线。从图3-5幅频特性曲线可以看出，三个输出通道的响应量在两个共振频率1.2HZ和10HZ下均出现峰值，这两个频率分别为车身和车轮的垂向振动的固有频率。汽车在这两个频率点产生共振，舒适性差，实际设计及行驶中应当避开该工况下运行。图3车身加速度的幅频特性曲线图4悬架动挠度的幅频特性曲线图5车轮动载荷的幅频特性曲线4系统参数对车身加速度的影响汽车的平顺性与许多因素有关，其中悬架参数以及轮胎参数是主要的影响因素。下面通过修改模型中的悬架刚度、阻尼系数、非悬挂质量和轮胎刚度进行仿真实验来分析这些参数对平顺性的影响。4.1悬架刚度改变悬架刚度，分别取20N/m，30N/m和40N/m（依次用蓝色短划线，红色实线，绿色点划线代表），对于同样的路面输入，观察它们的改变对汽车平顺性评价指标的影响（如图6所示）：图6不同的悬架刚度对车身加速度的影响从图6中可以看出，最低的加速度峰值发生在1.2Hz处，而且随着悬架刚度的增大，较低加速度峰值处的主频率也变大，同时车身的加速度峰值也随之变大。这就说明不同悬架刚度的车辆在强迫振动发生低频共振的情况下，悬架的刚度越大，汽车的舒适性越差；同时由于较低加速度峰值处的主频率也变大，汽车处于高频区的概率变小，更容易发生共振。4.2悬架阻尼系数平顺性的好坏不仅与悬架刚度有关，悬架阻尼也是一个不可忽略的因素。改变悬架阻尼系数，对于同样的路面输入，观察悬挂质量处的垂向加速度的幅频特性曲线，如图7所示设悬架阻尼系数为1，2，3，依次用蓝色短划线，红色实线，绿色点划线代表。图7不同悬架阻尼系数对车身加速度的影响从图7可以看出小的阻尼系数在1.2Hz的共振区有较高的峰值突出，它引起悬挂质量将道路上波长长的起伏加以放大，尽管不利，但在共振点以上的高频率区却因为达到高的衰减而获益，在13.2Hz的共振区变化很小。随着阻尼比的增大，加速度均方根值逐渐增加。阻尼比较大时，悬挂质量1.2Hz垂向跳动的运动被有效控制，但对较高的隔振非常不利。如果阻尼增加到超过临界值，此时减震器变得相当硬使悬架不再运动，车辆在其轮胎上跳动，从而使悬架起不到缓冲和减振的作用，对平顺性不利。平顺性要求阻尼比取较小值，但是操纵稳定性要求阻尼比取较大值，因此不可以为了获得较好的平顺性而没有限度的减小阻尼比。4.3非悬挂质量非悬挂质量（车轮质量）是二自由度模型中除了车辆悬挂质量（车身质量）以外的第二大刚体质量，而且独立悬架的车轮均有一个垂直跳动模态，它是由道路和车轮不均匀输入激励加于车身。分别设置非悬挂质量为25Kg，50Kg和75kg（分别用蓝色短划线，红色实线，绿色点划线表示），这三种质量对车身加速度的影响如图8所示。图9不同轮胎刚度对车身加速度的影响从图9可看出，随着轮胎刚度的增加，车轮跳动的固有频率向高频移动，且峰值变大。因此可以看出采用软的轮胎对改善平顺性尤其是提高车轮与地面的附着性能有明显的好处。同样，考虑到汽车行驶安全性能，不能无限制的降低轮胎刚度。图8不同非悬挂质量对车身加速度的影响图8比较了车身加速度随非悬挂质量的大小变化的规律，图中非悬挂质量m1依次为25kg、50kg、75kg（分别用蓝色短划线，红色实线，绿色点划线表示）。对应的车轮垂直跳动固有频率分别为17.8Hz、13.2Hz、9.0Hz，加速度均方根值依次增大，但变化不大。图中还可以看出1.22Hz处的车身共振的性能不受非悬挂质量的变化的影响，但此频率以上的变化明显。较重的质量将车轮垂直跳动频率降至9Hz，在此范围道路输入的传递明显增加。由于这些是更不舒适的振动，且难以隔绝，接近人体的垂直敏感振动频率，导致舒适性下降。较轻的非悬挂质量将提高车轮垂直跳动共振频率，使中间频率范围隔振较好。并且由于底盘隔绝高频振动较容易，因此较轻的非悬挂质量一般可得到较好的舒适性。参考文献：[1]雷良育.基于虚拟样机技术的汽车平顺性仿真分析[J].传感技术学报,2006.[2]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2006.[3]冯爱华.基于虚拟样机技术的汽车平顺性分析与驾驶仿真[D].吉林大学[硕士学位论文],2007.[4]范成建，熊光明等.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高[M].北京:机械工业出版社,2006.5结论本文对利用ADAMS建立的二自由度车身与车轮双质量系统的振动模型进行了基本分析，得到了悬架系统的固有振动频率。在此基础上进一步分析了悬架刚度，悬架阻尼系数，非悬挂质量和轮胎刚度对模型振动性能的影响。仿真结果表明：在一定范围内，悬架的刚度越大，汽车的舒适性越差；悬架阻尼比减小，汽车平顺性变好，但是考虑到操纵稳定性不能没有限度的减少阻尼比；较轻的非悬挂质量和较软的轮胎可以使平顺性得到一定程度的改善。本文基于虚拟样机技术，在计算机上实现了对汽车行驶平顺性的仿真研究，这些研究为悬架的设计和参数的选择提供了理论依据。4.4轮胎刚度轮胎刚度也是分析汽车平顺性不可忽略的一个重要因素，分别设轮胎刚度为100N*S/mm，200N*S/mm和300N*S/mm,依次用蓝色短划线，红色实线，绿色点划线表示，观察它们对车身加速度的影响（如图9所示）。