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基于车辆动力学仿真的重型牵引车平顺性分析与优化
2017-06-16 17:11:51  作者:马凤军 邵林 运伟国 房策 蒙启恩   来源:互联网
  •   0 引言   在重型商用车当中,半挂牵引车占据了相当大的比例;同时由于牵引车相对较好的行驶工况,用户对牵引车平顺性的需求也日益凸显,使平顺性性能成为影响牵引车销售的一项重要指标。   虽然CAE技术 ...

  0 引言

  在重型商用车当中,半挂牵引车占据了相当大的比例;同时由于牵引车相对较好的行驶工况,用户对牵引车平顺性的需求也日益凸显,使平顺性性能成为影响牵引车销售的一项重要指标。

  虽然CAE技术在车辆动力学性能仿真中已得到了广泛的应用,但车辆的平顺性由于其主观性因素较明显,因此,目前汽车产品的平顺性仍主要依靠实验手段和主观评价来进行调校,仿真分析对平顺性性能设计的贡献还比较有限。尽管如此,仍有许多研究对该领域的技术进行了关注,主要是借助多体动力学分析软件对整车进行建模,利用实验采集的载荷数据作为激励,或在虚拟的路面上进行仿真,对关键点上的响应进行评价,目前已经达到了较好的效果;基于这项技术,对整车平顺性优化问题的研究也达到了一定水平。

  本文基于车辆多体动力学仿真,对某重型牵引车进行了平顺性分析和优化,给出了提升整车平顺性的优化方案。

  1 车辆平顺性性能优化技术路线

  本文的研究遵循了多体动力学模型建模模型校核方案选择的基本技术路线,流程如图1所示。

  

图1 车辆平顺性性能优化流程

  图1 车辆平顺性性能优化流程

  通过实验获得的物理参数和ADAMS/Car车辆动力学仿真工具搭建了牵引车整车平顺性分析模型;对典型工况下实测的轴端加速度信号进行处理,生成位移信号作为激励;对比实验结果和仿真结果,对仿真模型做出修正;在此基础上对影响整车平顺性的因子进行灵敏度分析,识别出关键因子;计算关键因子在各种水平匹配下的平顺性水平,优选出最佳方案。

  2 车辆动力学模型建模

  该牵引车的驱动形式为6×4,其车辆多体动力学模型是基于实验测得的硬点坐标参数和刚度、阻尼、质量、质心、转动惯量等物理参数搭建的。表1中所列为用于建模的所有硬点。

  表1 整车硬点列表

  

表1 整车硬点列表

  表2中所列为用于建模的所有物理参数,其余如横向稳定杆扭转刚度可由其截面属性计算获得,则无需进行实验测量。

  表2 物理参数列表

  

表2 物理参数列表

  所建整车多体动力学模型包含车桥、钢板弹簧、横向稳定杆、动力总成、转向系、驾驶室、车架等9个子系统,装配完成的整车模型如图2所示。

  

图2 整车装配模型

  图2 整车装配模型

  其中钢板弹簧、横向稳定杆和驾驶室翻转轴采用多段梁单元进行建模。由于轮胎特性复杂,标定成本高,且激励信号直接加于轴端,因此模型中不考虑轮胎。

  3 车辆动力学模型校核

  为保证所建模型能够真实反映实际车辆的平顺性特性,在初始状态下需要对其进行校核,以保证后续在此模型上进行的优化匹配是可信的。

  3.1 激励数据采集

  由于牵引车的主要工作环境是公路,并且前一代产品反映出的平顺性问题也是在高速公路上的某一特定车速范围内,因此,通过实验采集了6个轴端的3向加速度信号,测试车速为30km/h~80km/h,间隔为lOkm/h。

  由于加速度信号中存在一定的直流分量和趋势项,直接施加于模型会导致计算发散,因此,必须对原始加速度信号进行处理,生成位移信号。本文所采用的信号处理流程如图3所示。

  

图3 激励信号处理流程

  图3 激励信号处理流程

  3.2 模型修正

  在数据采集的过程中,同步采集了若干响应点上的加速度信号,用于模型的校核和初始平顺性性能的评价。轴端激励到驾驶室内响应点的传递路径为:轴端悬架车架驾驶室悬置驾驶室地板一座椅悬置一座椅。为保证整条传递路径的准确性,分别对近端参考测点(车桥)和远端参考测点(驾驶室悬置上端、座椅导轨和椅面)的响应进行对比。

  根据平顺性评价方法,用于对比的响应采用的是加权加速度均方根值,加权系数按照GB/T4970-2009《汽车平顺性试验方法》的规定进行选取。

  初始模型是完全刚性的,经过与实验测得的响应点信号进行初步对标,并参考行业经验,对车架和前轴使用柔性体进行替代,参考测点上的响应信号和实验实测信号达到了较高的一致性,图4和图5分别举例显示了近端和远端若干响应点上的对比结果。

  

图4 近端参考点各车速响应对比

  图4 近端参考点各车速响应对比

  

图5 远端各参考点80km/h响应对比

  图5 远端各参考点80km/h响应对比

  对比结果显示,仿真计算的结果与实验测试的结果达到了较好的一致性,可以在此基础上进行优化匹配。

  4 车辆平顺性优化

  对钢板弹簧刚度、减震器阻尼、驾驶室悬置刚度和阻尼、座椅系统刚度和阻尼、平衡轴衬套刚度、横向稳定杆扭转刚度、驾驶室翻转轴扭转刚度分别进行±50%~30%,间隔为50%的变化区间内的平顺性分析,采用正交试验设计,对单一因子灵敏度进行估计。

  4.1 设计变量的选择

  因子灵敏度分析的结果显示,钢板弹簧垂向刚度、减震器阻尼、驾驶室悬置刚度和阻尼、座椅系统刚度和阻尼是影响牵引车整车平顺性水平的主要因子。考虑成本因素和方案的可实现性,以以上主要因子作为设计变量,在±200%变化区间内进行平顺性水平分析,并在此范围内进行方案筛选。

  4.2 优化结果

  从以上匹配中,筛选出4种备选方案,如表3所示。

  表3 备选优化匹配方案

  

表3 备选优化匹配方案

  以上4种备选方案在70km/h车速下驾驶室内响应点的加权加速度均方根值对比如图6所示。

  

图6 高速路面70km/h响应对比

  图6 高速路面70km/h响应对比

  可见方案1、2优化效果均不理想,方案3、4优化效果差异不大,同时考虑到修改前钢板弹簧刚度可能涉及较多的设计改动,带来成本增加。因此最终选取方案3为最优匹配方案。

  5 结论

  (1)介绍了应用车辆多体动力学仿真进行牵引车平顺性分析和优化的方法。经过实验校核证明了该分析模型的准确性和适用性;

  (2)通过试验设计进行了因子的优化匹配方案选择,得到了最优匹配方案,证明了该技术路线的可行性;

  (3)目前的方法还存在仿真结果普遍小于实验结果的问题,经分析主要原因在于激励信号处理过程中造成了一定的能量损失;在后续工作中需考虑通过载荷虚拟迭代或基于3D虚拟路面提取激励信号的方法提升分析精度。



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