雷雪媛，顧.，董明明，趙.

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

汽車平順性的仿真與試驗(yàn)分析

雷雪媛，顧.，董明明，趙.

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

摘.：目前，平順性對(duì)于汽車性能評(píng)價(jià)愈加重要，對(duì)于平順性的測(cè)試需求也愈加迫切。使用ADAMS/Car模塊建立了某轎車的整車模型，并進(jìn)行了整車平順性仿真。在實(shí)車試驗(yàn)中，選取了一段高速路進(jìn)行了道路試驗(yàn)，并通過道路模擬試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了越野工況下的車輛振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)。實(shí)車試驗(yàn)中采用不同車速和多測(cè)點(diǎn)組合工況進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，最終，結(jié)合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果得到了車速、加速度軸向、座椅位置、路面條件等因素對(duì)汽車平順性的影響，并對(duì)實(shí)車試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行了簡單對(duì)比，結(jié)果表明，仿真模型精度滿足要求，可以用于平順性的仿真試驗(yàn)，道路模擬試驗(yàn)臺(tái)可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)完成某些極限工況下的平順性評(píng)價(jià)，對(duì)于常規(guī)試驗(yàn)是有益的補(bǔ)充。

平順性；ADAMS/Car；R.M.S；仿真；試驗(yàn)

1.言

如今，車輛已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)基本的交通工具。隨著技術(shù)的發(fā)展及生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)平順性質(zhì)量和車輛性能有越來越高的需求。平順性質(zhì)量關(guān)心駕駛?cè)藛T的舒適性，而底盤的振動(dòng)將直接影響駕乘人員的感覺。在不同的振動(dòng)源中，底盤和懸架系統(tǒng)在振動(dòng)響應(yīng)中起非常重要的作用。換句話說，底盤和懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量將很大程度的影響乘員和駕駛員的舒適性以及車輛設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。

平順性質(zhì)量包括三個(gè)主要的研究方向：激勵(lì)平順性質(zhì)量的振動(dòng)源，車輛振動(dòng)響應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)以及人類的感覺和對(duì)車輛振動(dòng)的承受力[1]。平順性質(zhì)量的分析過程主要應(yīng)用測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，同時(shí)，有一些可以依據(jù)的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 2631，UIC 513，UIC 518 等，我國相關(guān)國標(biāo)包括 GB/T 5902-1986，GB 4970-1985，GB/T 4970-1996/2009，每一種舒適性分析方法都可以獨(dú)立應(yīng)用或聯(lián)合使用。以ADAMS/Car轎車模型為例，采用Sayers經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將?jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)運(yùn)用到汽車設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)直觀，結(jié)果準(zhǔn)確，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度[2]。并應(yīng)用GB/T 4970-2009標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估振動(dòng)對(duì)駕駛員或者乘客健康和平順性質(zhì)量的影響。

2.車平順性評(píng)價(jià)方法

根據(jù)GBT 4970-2009[3]汽車平順性試驗(yàn)方法，加權(quán)加速度均方根值是按振動(dòng)方向并根據(jù)人體對(duì)振動(dòng)頻率的敏感程度而進(jìn)行加權(quán)計(jì)算的，是人體振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。加權(quán)加速度均方根值的計(jì)算方法有時(shí)域法和頻域法，但國內(nèi)對(duì)汽車平順性的計(jì)算使用頻域法的居多，對(duì)時(shí)域的探討較少[4]。

頻域法是由等帶寬頻率分析得到的加速度自功率譜密度函數(shù)Ga（f）來計(jì)算單軸向加權(quán)加速度均方根值aw。先按下式計(jì)算1/3倍頻帶加速度均方根值：

然后，按下式計(jì)算aˉw：

時(shí)域法是對(duì)記錄的加速度時(shí)間歷程a（t），通過符合表規(guī)定的頻率加權(quán)濾波網(wǎng)絡(luò)得到加權(quán)加速度時(shí)間歷程aw（t），按下式計(jì)算得到單軸向加權(quán)加速度均方根值：

當(dāng)同時(shí)考慮座椅坐墊上方3個(gè)軸向振動(dòng)時(shí)，3個(gè)軸向的總加權(quán)加速度均方根值計(jì)算公式為：

當(dāng)同時(shí)考慮腳處3個(gè)軸向振動(dòng)時(shí)，3個(gè)軸向的總加權(quán)加速度均方根值計(jì)算公式為：

總加權(quán)加速度均方根值aˉv與人的主觀感覺間關(guān)系，如表1所示。

表 1總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系Tab.1T h eR e l a t i o n s h i pB e t w e e nT o t a l We i g h t e dR MS A c c e l e r a t i o na n dP e o p l e’sS u b j e c t i v eF e e l i n g

最后根據(jù)式計(jì)算總加權(quán)加速度均方根值：

3.于ADAMS軟件的汽車平順性仿真分析

3.1.建整車虛擬樣機(jī)模型

3.1.1.架模型的建立

本例中前懸架為麥弗遜式獨(dú)立懸架，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，行駛過程中具有較好的響應(yīng)性和操控性。后懸為雙叉臂式獨(dú)立懸架，有較大的橫向剛度，行駛過程中具有較好的抗側(cè)傾性能和抓地性能。

3.1.2輪胎模型

ADAMS/Car模塊中的輪胎模型是整個(gè)仿真分析中最重要的部分之一，因?yàn)檩喬サ念愋蛯?duì)整車的所有性能都有較大的影響。本研究在建模時(shí)選用的是UA類型的輪胎。UA輪胎屬于純解析模型，包含有許多常見的特性參數(shù)，包括側(cè)偏、外傾和垂直剛度等，以及多種阻力和阻尼系數(shù)等。UA輪胎基本參數(shù)由廠商提供[5]。

3.1.3整車模型的建立與校驗(yàn)

整車的構(gòu)建是通過在ADAMS/Car模塊中，把已經(jīng)建好的子系統(tǒng)調(diào)出來并裝配在一起完成。該整車模型在仿真分析前，必須進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證，以確保整個(gè)模型的建立正確無誤。這里所建立的整車模型，如圖1所示。

圖1.車模型Fig.1 The Whole Car Model

上面的整車模型只是拓?fù)鋬?yōu)化后得到的模型，對(duì)于該模型到底能不能代替真實(shí)的情況還不能確定，故模型的仿真校驗(yàn)非常重要。本研究中模型校驗(yàn)主要是通過ADAMS中的Model Verify模塊來實(shí)現(xiàn)。通過在模型上加入和實(shí)際系統(tǒng)相同的輸入，觀察和比較它們之間的輸出是否具有某種相同性。通過這種方法，可以確定該模型在建立的時(shí)候，約束類型的選擇和約束部件的選用是否合理、可靠，相應(yīng)的約束值是否準(zhǔn)確可靠。

3.1.4路面譜的建立

本例中選擇的路面是二維隨機(jī)路面，它是把路面特性文件經(jīng)過白噪聲線性濾波法處理以后得到的兩條車轍縱向剖面曲線[5]。其中Sayers模型是通過集中分析多種不同類型道路測(cè)量值后生成的兩側(cè)車輪的路面譜，屬于一種經(jīng)過實(shí)踐以后生成的模型。該模型可以用基本函數(shù)的形式表達(dá)，具體如下式：

式中：Ge—白噪聲空間功率譜密度的幅值；Gs—關(guān)于時(shí)間的白噪聲速度功率譜密度幅值；Ga—關(guān)于時(shí)間平方的白噪聲加速度功率譜密度幅值；n—空間頻率；Gd（n）—路面輪廓的空間功率譜密度。

在路面特性文件生成工具中輸入所需路面的基本數(shù)據(jù)后，就能自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的隨機(jī)路面的特性文件。本例中選用的路面特征文件是根據(jù)良好水泥路面的數(shù)據(jù)建立的。

3.2.順性的仿真分析

3.2.1.真試驗(yàn)條件

仿真試驗(yàn)條件，如表2所示。

表 2仿真試驗(yàn)條件T a b.2S i mu l a t i o nT e s t C o n d i t i o n

3.2.2仿真結(jié)果分析

得到腳底位置處（即車身）的縱向、橫向和垂向的加速度時(shí)域曲線，以垂向加速度時(shí)域曲線為例，如圖2所示，縱坐標(biāo)單位為g。

圖2.0km/h的速度在水泥路面上行使時(shí)垂向加速度時(shí)域圖Fig.2 The Vertical Acceleration Time-Domain Chart When Driving at the Cement Pavement at 60km/h

分別將腳底位置處縱向、橫向和垂向的加速度時(shí)域值用FFT工具處理，得到各自的以60km/h的速度在隨機(jī)水泥路面上行駛時(shí)候的各個(gè)方向的加速度功率譜密度函數(shù)，當(dāng)車身處縱向的振動(dòng)加速度功率譜密度取得最大值時(shí)候，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為2.1484Hz，當(dāng)車身處橫向的振動(dòng)加速度功率譜密度取得最大值時(shí)候，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為4.2969Hz，第二峰值為2.1484Hz，人體的縱向、橫向加速度功率譜密度敏感范圍均在在（0.5～2）Hz，故符合要求[7]。當(dāng)車身處垂直的振動(dòng)加速度功率譜密度取得最大值時(shí)候，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為1.5625Hz。人體的垂向加速度功率譜密度敏感范圍在（4～12.5）Hz，故符合要求。以垂向加速度功率譜密度曲線為例，如圖3所示，縱坐標(biāo)的單位為g。將從ADAMS中獲得的數(shù)據(jù)以.txt文件格式導(dǎo)入MATLAB中，程序計(jì)算后，得到腳底處加權(quán)加速度均方根值及各軸向的加權(quán)加速度均方根值柱狀圖。以垂向加權(quán)加速度均方根值柱狀圖為例，如圖4所示。腳底處加權(quán)加速度均方根值，如表3所示。由表3可以看出腳底處的加權(quán)加速度均方根值小于0.315m/s2，乘客沒有不舒服的感覺。

圖3.向加速度功率譜密度曲線Fig.3 The Vertical Acceleration Power Spectral Density Curve

圖4.底處垂向加權(quán)加速度均方根值柱狀圖Fig.4 The Vertical Weighted Rms Acceleration Histogram at Feet

表3.底處加權(quán)加速度均方根值T a b.3We i g h t e dA c c e l e r a t i o nR MSa t F e e t

4.車試驗(yàn)

為了驗(yàn)證某汽車的平順性能，選取一段高速路進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)，并通過道路模擬試驗(yàn)平臺(tái)輸入越野路譜，進(jìn)行模擬越野路面平順性能測(cè)試。試驗(yàn)參照GB/T4970-2009進(jìn)行整車平順性道路試驗(yàn)， 分別以 45km/h、60km/h、95km/h、110km/h進(jìn)行行駛，對(duì)駕駛員和乘客的兩個(gè)不同位置坐墊處的3軸向加速度以及腳底處的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)采樣頻率為800Hz。主要試驗(yàn)設(shè)備包括坐墊傳感器2個(gè)（駕駛員位置及右后乘客坐墊），腳傳感器1個(gè)（副駕駛員導(dǎo)軌處），美國MTS整車道路模擬試驗(yàn)平臺(tái)1套，北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所提供的數(shù)據(jù)采集儀1套，其中座椅、腳底處加速度傳感器和安裝位置以及平順性臺(tái)架試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5.椅、腳底處加速度傳感器及安裝位置及平順性臺(tái)架試驗(yàn)Fig.5 The Installation Location of Acceleration Sensor at Seat and Feet as Well as the Test Bench of Ride Quality

5.車平順性的試驗(yàn)評(píng)價(jià)

當(dāng)車以95km/h的速度行駛在普通城市道路上時(shí)駕駛員座椅處每個(gè)軸的加速度時(shí)域圖，如圖6所示。駕駛員座椅處在不同的測(cè)試狀況下的加權(quán)加速度均方根值以及對(duì)應(yīng)的平順性質(zhì)量，如表4所示。

圖6.5km/h速度行駛時(shí)駕駛員座椅處加速度時(shí)域圖Fig.6 The Acceleration Domain Map of the Driver’s Seat When Driving at 95km/h

表4.駛員座椅處不同測(cè)試狀況加權(quán)加速度均方根值及平順性質(zhì)量T a b.4We i g h t e dR MSA c c e l e r a t i o na t t h eD r i v e r’sS e a t U n d e r D i f f e r e n t T e s t C o n d i t i o n sa n dR i d eQ u a l i t y

5.1.速的影響

車速對(duì)加權(quán)加速度均方根值的影響，如圖7所示。當(dāng)汽車逐漸加速行駛時(shí)，z向（垂向）加權(quán)加速度均方根值隨車速有明顯的增加趨勢(shì)，而x向和y向加權(quán)加速度均方根值當(dāng)車速在（45～110）km/h時(shí)沒有明顯改變。如果車速在（45～60）km/h時(shí)，駕駛員和乘客不會(huì)感覺不舒適，當(dāng)車速達(dá)到95km/h以上，駕駛員和乘客會(huì)達(dá)到不舒適的水平。

圖7.速對(duì)加權(quán)加速度均方根值的影響Fig.7 Influence of Vehicle Speed on Weighted RMS Acceleration

5.2.速度軸向的影響

座椅坐墊上方的x，y，z軸加權(quán)系數(shù)是一致的。由圖8中可看出，駕駛員座椅處加權(quán)加速度均方根值在x軸和y軸是非常相近的，對(duì)整車平順性質(zhì)量產(chǎn)生幾乎一樣的影響，而z軸方向的加速度明顯比其他兩個(gè)方向的大，這時(shí)幾乎是z軸控制整車平順性質(zhì)量。通過觀察振動(dòng)值的大小也能得到相同的結(jié)論。

5.3.椅位置的影響

圖9.駛員座椅和乘客座椅處的加權(quán)加速度均方根值（車速為95km/h）Fig.9 The Weighted RMS Acceleration at Driver’s and Passenger’s Seat（Vehicle speed is 95km/h）

當(dāng)車行駛在普通城市道路上時(shí)駕駛員座椅和右后（乘客）座椅處的加權(quán)加速度均方根值，如圖9所示。由圖9可以看出右后座椅（乘客）位置處的加權(quán)加速度均方根值明顯較大。當(dāng)以95km/h的速度行駛時(shí)，右后座椅的av值0.3213m/s2，比駕駛員座椅處的av值大33.4%，達(dá)到了“有些不舒適”的水平。

5.4.面狀況的影響

為研究路面狀況對(duì)汽車平順性質(zhì)量的影響，通過道路模擬試驗(yàn)平臺(tái)輸入越野路譜，進(jìn)行模擬越野路面平順性能測(cè)試。普通城市道路和越野路面的駕駛員座椅位置、乘客座椅位置、腳以及總加權(quán)加速度均方根值，如圖10所示。由圖10可以看出，越野路面的加權(quán)加速度均方根值均比普通城市路面的值大，其中腳處的振動(dòng)加速度值為1.4889m/s2，比普通城市道路大1518%，乘員已經(jīng)有明顯的“不舒服感覺”。

圖10.通城市道路和越野路面處的加權(quán)加速度均方根值Fig.10 The Weighted RMS Acceleration at Ordinary City Roads and Off-Road

5.5.車試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

以60km/h的速度行駛時(shí)為例，實(shí)車試驗(yàn)中腳步處的總加權(quán)加速度均方根值為0.1593m/s2，ADAMS軟件中仿真得到的腳步處總加權(quán)加速度均方根值為0.243m/s2，均小于0.315m/s2，乘客沒有不舒服的感覺。可以看出仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較相符。

6.論

以某轎車的平順性為目標(biāo)進(jìn)行了仿真建模及試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)結(jié)果分析了車速、路面、加速度軸向以及座椅位置對(duì)平順性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）測(cè)試結(jié)果中對(duì)于各測(cè)點(diǎn)z軸（垂向）振動(dòng)對(duì)總振動(dòng)量級(jí)有明顯貢獻(xiàn)。

（2）右后乘客位置加權(quán)加速度均方根值比駕駛員座椅處大，兩者之間的偏差可高達(dá)33.4%，即右后位置的舒適性稍差。

（3）當(dāng)以60km/h的速度行駛時(shí)，腳底處舒適性良好，仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果比較相符。

（4）道路模擬試驗(yàn)臺(tái)可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬極端路面條件，在不損害車輛的情況下得到較高量級(jí)振動(dòng)值，對(duì)于常規(guī)的道路試驗(yàn)是有益的補(bǔ)充，對(duì)于未來平順性測(cè)試的發(fā)展有重要作用。

［1］Gillespie，T.d.，F(xiàn)undamentals of Vehicle Dynamics，Society of Automotive Engineers，1992.

［2］王永濤，李成，馬志壘.基于 ADAMS/CarRide汽車平順性仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（4）：81-82.（Wang Yong-tao，Li Cheng，Ma Zhi-lei.Simulation on vehicle ride comfort basedonADAMS/Carride［J］.MachineryDesign&Manufacture，2010（4）：81-82.）

［3］GB4970-2009汽車平順性試驗(yàn)方法［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.（GB4970-2009 Method of Running Test-Automotive Ride Comfort［M］.Beijing：ChineseStandardPress，2009.）

［4］宗長富，陳雙，馮剛.基于頻率加權(quán)濾波的汽車平順性評(píng)價(jià)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011（6）：517-521.（Zong Chang-fu，Chen Shuang，F(xiàn)eng Gang.Evaluation of vehicle ride comfort based on frequency weighted filtering［J］.Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition，2011（6）：517-521.）

［5］隗寒冰，鄧楚南，何文波.基于ADAMS軟件的汽車平順性仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（7）：75-76.（Kui Han-bing，Deng Chu-nan，He Wen-bo.Simulation of the vehicle ride comfort based on the ADAMS［J］.Machinery Design&Manufacture，2006（7）：75-76.）

［6］湯愛華.基于ADAMS的平順性仿真及懸架參數(shù)優(yōu)化［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2009.（T>ang Ai-hua.Simulation of vehicle ride comfort and optimization of suspension parameters based on ADAMS［D］.Chongqing：Chongqing Institute of Technology，2009.）

［7］汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）.（Automotive Stability test method Steering transient response test（Steering wheel angle step input）.）

Analysis on Car Ride Comfort Simulation and Test

LEI Xue-yuan， GU Liang， DONG Ming-ming， ZHAO Kai
（ School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

At present， the evaluation of car ride comfort is more important， so the need of test for car ride comfort is more urgent.It uses the ADAMS/car to build a prototype car model， and car ride comfort simulation is made.In the car test， it choses some highway performing road test，and uses the road simulation test platform to test the vibration response under the off-rode condition.It choses different speeds and different positions to do actual vehicle ride performance testing.Finally，together with the simulation test platform results， through data acquisition and processing， analyzes the influence of some factors such as speed， acceleration axial， seat position， road conditions， etc.On the car ride， then makes a simple comparison between the real vehicle test and simulation results，the results show that simulation model precision meets the demand and can be used in the ride comfort simulation teat，the rode simulation test platform can be used to finish the ride comfort evaluation under some extreme conditions in the lab，it is a very useful make-up for the common test.

Ride Comfort； ADAMS/Car； R.M.S； Simulation； Test

TH16；U46；TP391.9.獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.章編號(hào)：1001-3997（2015）11-0038-04

來稿日期：2015-04-04

雷雪媛，（1990-），女，陜西渭南人，碩士研究生，主要研究方向：振動(dòng)與噪聲控制；

顧.，（1958-），男，山東淄博人，博士研究生，教授，主要研究方向：振動(dòng)與噪聲控制、車輛智能懸掛