汽车平顺性的虚拟样机试验_王国权

农业机械学报

第34卷第3期

汽车平顺性的虚拟样机试验

王国权　许先锋　王　蕾　余　群

　　【摘要】　应用面向整机系统虚拟样机的概念,将研究对象分为悬架、轮胎、路面等模块。用BEAM力将悬架多片板簧简化为一片主板簧或一片主板簧和一片副板簧,用ADAMS的FIALA模型轮胎表示车辆轮胎,根据ISO噪声路面的功率谱参数,设计了车辆行驶的路面文件。同时建立了三维实体虚拟整车模型,实现了虚拟车辆的仿真行驶。虚拟汽车仿真行驶时,能够体现真实车辆的运动学和动力学关系,驾驶员振动加速度仿真值与实测值接近。研究结果表明,对于汽车这一复杂的机器系统,通过在计算机上建立详细的虚拟样机进行平顺性分析是可行的。

关键词:车辆工程　汽车平顺性　虚拟试验　道路试验中图分类号:TP391.9;U461.4

文献标识码:A

VirtualVehicleRideComfortTestonVehicle

WangGuoquan　WangLei

(BeijingUniversityofTechnology)

YuQun

(BeiqiFutianAutomobileCo.Ltd.)(ChinaAgriculturalUniversity)

Abstract

Thispaperpresentedtheconceptofvirtualprototypeforthewholesystemmachine.Intheprocessingofmakingvirtualvehiclemodel,awholevehiclewasdisassembledasfollowmodule:chassis,suspension,tire,cab,vehiclebodyandroad,etc.Thecomplicatedmulti-leafsuspen-sionswerereplacedbychiefspringandsubordinatespringthataccordingtoADAMS/BEAMforce.ThetirewasrepresentedbyADAMS/FIALAtiremodel.Roadfilethatadaptedthevirtualtestwasdesignedwhichreferredtotherealroadpowerspectrum.Soa3Dvirtualprototypeof1028E2vehiclewassetup.Whilethevirtualvehiclewasridesimulationincomputer,thevibra-tionofdriver,vehiclebodyandtirewerevisualoncomputerscreen,theaccelerationofdriverfromvirtualprototypeanalysiswasclosedtotherealvehicleridetest.Theresultsshowthatcomplicatedmachinesystem,suchasvehiclecouldbesuccessfullymodeledbydetailed3Dproto-type.Virtualtestforcomplexmechanicalsystemwasreliable.

Keywords　Vehicleengineering,Vehicleridecomfort,Virtualtest,Roadtest

拟环境下完成各种试验、测试,以虚拟样机评定车辆的制造性能、装配性能和使用性能。

本研究利用ADAMS机械动力学分析软件实现整车的数字化模拟,在计算机上建立福田1028E2汽车三维实体虚拟样机;根据随机路面空间功率谱密度拟合车辆行驶道路,并在虚拟道路上对车辆的

XuXianfeng

　　引言

虚拟现实(virtualreality)技术的应用为汽车产品的研发设计、加工制造及性能试验提供了一种全新的方法。即在计算机上建立汽车整车的三维实体模型,创建虚拟制造工厂、虚拟实验室及道路,在虚

收稿日期:2002

0227

王国权　北京工业大学机电学院CAD/CAM工程中心　副教授　博士,100022　北京市许先锋　北汽福田技术研究院　工程师,102202　北京市

王　蕾　北京工业大学机电学院CAD/CAM工程中心　讲师　博士

余　群　中国农业大学车辆与交通学院　教授　博士生导师,100083　北京市　第3期王国权等:汽车平顺性的虚拟样机试验

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平顺性加以仿真分析。

1　三维实体虚拟汽车模型的建立

1.1　整车系统拓扑结构分析

平顺性是车辆乘坐舒适性的一个主要指标,反映车辆对路面激励的振动响应。汽车在道路上行驶,路面的不平经过轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂质量、非悬挂质量等构成的振动系统,最终传递到人体及运载的货物上。虚拟的汽车模型既要保证人体视觉对车辆的感受,又要保证系统运动的精确性,同时为了提高运算速度,对于和主要研究目标相干性小的因素作适当简化。按此原则,将虚拟汽车整体分为前、后悬架,车身(包括车架、驾驶室和货箱),座椅和人体,转向系,动力总成和传动系,轮胎等部分。在本虚拟汽车中,考虑了后悬架副板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;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,与车身相联;人体简化为65kg的质量块,与座椅相联。

在平顺性分析中,只研究车辆沿平直道路行驶情况,故此处对车辆转向系不作详细分析。另外,发动机及动力总成只是给汽车的传动轴提供一定扭矩的旋转运动,因此,对发动机及动力总成也不作详细讨论。以车架为主体,该复杂系统的拓扑结构如图1所示。

驾驶员座椅

转向系

前右板簧、发动机

前左板簧前桥

传动系

后轮胎路面

车架后右板簧、后左板簧

后右副簧、后左副簧车厢

BEAM力来约束。这样可以有效降低整个虚拟汽车的自由度,减少计算量,仿真中构造的钢板弹簧虚拟部件在几何外形和刚度方面与实际相符合。简化后的前、后悬架模型如图2和图3所示。

图2　前右钢板弹簧的虚拟模型

图3　后右钢板弹簧的虚拟模型

1.3　轮胎

轮胎与路面的接触问题以及轮胎模型的简化,目前比较成熟的有FIALA、DELFT、SMITHT和UATIRE轮胎模型。ADAMS根据这些轮胎模型的理论基础建立了相应的虚拟轮胎模型。由于DELFT、SMITHT和UATIRE轮胎模型参数较多,不易得到,而FIALA轮胎模型需要的参数较少,本研究采用FIALA轮胎模型。研究分析的车型

1前后轮胎均为6.00-14LT,轮辋为4J,断面宽度

2

170mm,外直径680mm,轮胎气压420kPa,后轮为双胎。分析的工况是满载,前、后轴载荷分别为1181.7kg、2448.3kg。FIALA虚拟轮胎模型的参数见表1。

表1　6.00-14LT轮胎的FIALA模型参数

参数名称　

前轮34081.1

1

后桥

后轮34081.1354.786.0466.31116.586.120.040.950.75

后轮胎

车轮自由半径R1/mm胎体半径R2/mm径向刚度CN/N・mm-侧偏刚度Ca/N・(°)-1外倾刚度Co/N・(°)-径向阻尼比r

车轮无滑动时的摩擦因数L0车轮纯滑动时的摩擦因数L1

1

前轮胎前轮胎

352.925.8444.54111.136.120.040.950.75

图1汽车整体系统的拓扑结构

纵向滑移刚度Cl×104/N

1.2　前、后悬架虚拟模型

前、后悬架由前桥及主板簧、前减振器、后桥及主板簧、后桥副板簧、后减振器等构成。建立整车虚

拟汽车的一个难点是构造前、后钢板弹簧和后副簧,虚拟模型的前、后钢板弹簧总成的力学性质要与实际一致。实测前板簧的总成刚度为60.2N/mm,后板簧的总成刚度为112.6N/mm,后副簧的总成刚度为125.9N/mm。通过对钢板弹簧仿真计算研究,这里将多片板簧简化为一片由多段弹性体构成的主板簧或一片主板簧和一片副板簧,段与段之间用滚动阻力力偶臂Cr/mm

　　前、后轮胎模型如图4、图5所示。

1.4　路面

通过对路面不平度空间功率谱密度、时间功率谱密度、ADAMS对功率谱密度的反变换以及轮胎虚拟汽车路面文件的分析,编制了满足虚拟汽车[2,5]

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农　业　机　械　学　报2003年　

图4　前轮胎模型　

图5　后轮胎模型

图6　隐藏了路面的整车虚拟汽车　

图7　隐藏了驾驶室、货箱和路面的整车虚拟汽车　

轮胎所要求的路面文件生成软件。在某一车速时,根据某一等级路面不平度系数Gq(n0)的取值,计算出空间功率谱密度Gq(n)和时间功率谱密度Gq(f)值,将Gq(f)数据输入ADAMS,计算出路面不平度的

时间信号q(t),再将q(t)输入路面生成软件则生成相应等级的路面文件。

至此,完成了ADAMS平台上整车虚拟汽车原型的构建,如图6。用Modelverify验证模型,总自由度数596。运动部件数132个,21个旋转副,5个球面副,3个圆柱副,3个移动副,3个万向节,3个联轴器,6种运动。隐藏驾驶室、货箱和路面后的整车虚拟汽车如图7所示。

2　虚拟汽车仿真分析与实车道路试验比较

虚拟汽车平顺性仿真分析结果应与实车道路试验相比较。根据车辆平顺性评价试验的要求进行实车道路试验。在虚拟试验分析中,车辆在ISO噪声路面以60km/h(16.6m/s)速度行驶。使用ADAMS后处理工具Postprocessing,计算出虚拟汽车行驶时,驾驶员在汽车的前进方向、垂向、横向的振动加速度ax、ay、az,作出时域曲线,如图8a所示。

　　实车道路试验在交通部公路交通试验场的综合

[2,3]

图8　驾驶员座椅处振动加速度曲线

(a)虚拟样机试验　(b)实车试验测定

路面进行,测试车辆为1028E2汽车,所用测试仪器有B&K4370加速度传感器、B&K4322人体座椅加

速度传感器、B&K2512座椅加速度信号分析仪、DAQ1200型数据采集卡、DELL便携式计算机等。试验车速、负载与虚拟试验相同,取样截断频率为100Hz。所测得的人体座椅处的加速度曲线如图8b所示。

从试验结果可看出,虚拟样机分析与实车道路试验结果比较接近,两者加速度加权值之差在15%左右。虚拟样机试验与实车道路试验相比较,还存在误差,这可能来自两个方面,一是虚拟汽车对真实汽车简化的误差,二是对道路仿真的误差,这些尚需要进一步研究。

3　结束语

将面向整机系统的虚拟试验思想应用于实际的汽车产品上,利用ADAMS软件建立了1028E2汽车的三维实体模型。该模型基本上体现了真实车辆的运动学和动力学关系。通过对路面功率谱密度的反变换建立了ISO随机路面的路面文件,并在ADAMS平台上对该车的平顺性进行了虚拟样机分析。实车道路试验表明,虚拟样机分析有较好的可信性,其结果可以预测和评估车辆的平顺性。因此,对

(下转第34页)34

农　业　机　械　学　报2003年　

图5　推土机(直铲)生产率评估

矩器的输入、输出速度和推土机加速度为输入参数,机载计算机系统实时求出推土机发动机的输出转矩,进行代数求和,并求出履带驱动链轮的角加速度,由积分模块计算出履带式推土机的实际行走速度。输入履带驱动链轮的转速和推土机车速,计算得到牵引力和滑转率,获得了推土机的驱动控制信号。通过信号处理及运算器,输出控制信号。

对162kW推土机,以Ⅰ挡1～2.5km/h完成切土工况和Ⅱ挡2～4.5km/h完成运土工况为算例,进行仿真模型的计算,见图5。可以看出,仿真结果比推土机实际生产率提高较大,尤其是在推土机进行长距离运土作业时,推土机生产率有增加趋势。

(a)切土　(b)运土

的驱动控制系统可实现推土机驱动功率的最大输出,达到最佳的作业生产率。从图5可以看出,采用该技术,推土机推土作业生产率提高的趋势是十分明显的。仿真计算结果生产率提高过大,主要是仿真计算的模型理想化,产生了一定的误差,而实际上履带推土机作业的工况是十分复杂的。

我国履带式推土机最大牵引力的驱动控制系统的理论研究处于探索阶段,控制策略和控制算法及逻辑等理论研究尚少开展,更谈不上实用的控制技术产品与开发。因此,履带式推土机最大牵引力的驱动控制技术还有许多工作要做。

4　结束语

通过计算机的控制,履带式推土机最大牵引力　　

参

考

文

献

1　杨红旗.履带式工程机械履带地面附着力矩的研究.北京:机械工业出版社,1990.2　田晋跃.松土工作装置参数分析与优化设计.建筑机械,1999(1):35～39

3　LgataH.Developmentofnewcontrolmethodstoimproveresponseofthrottletypetractioncontrolsystem.SAEPa-per920608,1992.

4　寇国瑗等.汽车电器与控制系统.北京:人民交通出版社,1999.

(上接第28页)

于汽车这一复杂的机器系统,通过计算机上的虚拟

参

考

样机进行性能分析是可行的,这对汽车产品的研究开发具有重要的现实意义。

文

献

1　RyanRR.Digitaltestinginavirtualword.InternationalIndustrialVehicleTechnology,2001(4):28～352　GB/T4970—1996　汽车平顺性随机输入行驶试验方法3　GB7031—86　车辆振动输入路面平度表示方法

4　张旭.机械系统虚拟样机技术的研究:[博士学位论文].北京:中国农业大学,1999.5　庄继德.汽车轮胎学.北京:北京理工大学出版社,1997.6　陈家瑞.汽车构造.北京:人民交通出版社,2001.