王火文，王香廷，曹文超，吳迪

（江淮汽車股份公司技術(shù)中心車身設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601）

前言

在過去，駕駛室懸置系統(tǒng)的開發(fā)需要現(xiàn)場完成物理樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，使得開發(fā)過程需要耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間，并且難以取得較好的效果，而采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，則可以在設(shè)計(jì)階段完成懸置系統(tǒng)特征分析，繼而使原本的設(shè)計(jì)問題在樣機(jī)制作前得以解決[1]。目前虛擬樣機(jī)技術(shù)已在國內(nèi)外的產(chǎn)品開發(fā)中廣泛的應(yīng)用，它不僅可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，而且還節(jié)省了高昂制作物理模型的費(fèi)用，避免了試制過程中的大量風(fēng)險(xiǎn)[2]。隨著多體動力學(xué)軟件的發(fā)展，通過建立虛擬樣機(jī)模型來分析汽車的振動特性已經(jīng)成為了一個(gè)有效的手段[3]。ADAMS是虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析應(yīng)用中的杰出代表，它以多體系統(tǒng)動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，為汽車的動力學(xué)分析提供了強(qiáng)有力的工具。文章主要介紹通過多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立駕駛室懸置系統(tǒng)的仿真模型，對駕駛室懸置系統(tǒng)的各個(gè)工況進(jìn)行分析研究。

1 ADAMS多體動力學(xué)仿真模型的建立

1.1 駕駛室懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為某重型重卡全浮式駕駛室懸置三維模型，其主要由結(jié)構(gòu)部件、液壓舉升部件、彈性減振部件和高度控制系統(tǒng)部件等組成，結(jié)構(gòu)部件主要功能為對駕駛室的支撐作用；液壓舉升部件主要功能為實(shí)現(xiàn)駕駛室的翻轉(zhuǎn)；彈性減振部件主要功能為提高整車舒適性，降低路面不平激勵(lì)等傳給駕駛室的振動和沖擊緩解對乘員的振動；高度控制系統(tǒng)部件實(shí)現(xiàn)駕駛室載荷變化時(shí)保證車身相對底盤的高度不變。駕駛室懸置系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖1所示。

1.2 建立多剛體動力學(xué)模型

1.2.1 設(shè)計(jì)輸入

（1）根據(jù)駕駛室質(zhì)量、質(zhì)心及乘員的質(zhì)量確定載荷，根據(jù)輸入駕駛室的質(zhì)量為876kg，乘員每人重量為75kg，則載荷為M=876+75×3=1101kg；

（2）根據(jù)全浮式四氣囊駕駛室懸置三維模型確定各個(gè)硬度位置坐標(biāo)；

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定空氣彈簧減振器、橡膠襯套等關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)；

（4）根據(jù)穩(wěn)定桿尺寸及相關(guān)參數(shù)，確定穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)剛度。

1.2.2 模型建立

汽車是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，要想建立與實(shí)際完全相同的樣機(jī)模型，既不現(xiàn)實(shí)也沒必要，因此，只對分析結(jié)果產(chǎn)生主要影響的部件建立相應(yīng)的樣機(jī)模型，這樣才能在不影響分析精度的前提下，實(shí)現(xiàn)快捷有效的建模分析[4]。根據(jù)駕駛室懸置系統(tǒng)的特點(diǎn)，按照多體動力學(xué)原理，視駕駛室主要部件為剛體，實(shí)車中存在大量的連接襯套，對主要橡膠襯套剛度進(jìn)行線性處理，建模需要考慮橡膠襯套主要受力方向和轉(zhuǎn)動影響，將駕駛室懸置主要原件等視為剛體，將駕駛室的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等輸入模型中，根據(jù)力學(xué)參數(shù)在模型中添加彈簧和阻尼元件，最后根據(jù)駕駛室懸置系統(tǒng)各元件之間的連接方式建立模型的連接副，根據(jù)計(jì)算獲得的駕駛室質(zhì)量參數(shù)以及由實(shí)驗(yàn)獲得的橡膠原件的剛度，在多體動力學(xué)軟件ADAMS中建立駕駛室的振動模型，由于本文僅考慮駕駛室的振動，故可將車架與大地固聯(lián)以簡化模型，并且減少整個(gè)模型的自由度。

2 在駕駛室懸置系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用研究

2.1 在駕駛室翻轉(zhuǎn)工況上的應(yīng)用研究

對于全浮式四氣囊懸置，翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的分析是一個(gè)難點(diǎn)，由于空氣彈簧減振器的行程較大，導(dǎo)致駕駛室在翻轉(zhuǎn)過程中，翻轉(zhuǎn)中心一直處于變化過程中，難以提取出駕駛室的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動包絡(luò)，往往導(dǎo)致駕駛室在翻轉(zhuǎn)過程中和周邊件干涉，導(dǎo)致需要設(shè)計(jì)變更和模具修改，造成大量的費(fèi)用和開發(fā)時(shí)間的浪費(fèi)，同時(shí)駕駛室的翻轉(zhuǎn)角度和舉升缸的伸長量之間的匹配也難以做到精準(zhǔn)匹配，往往需要等物理樣車出來之后去實(shí)物匹配，具有一定的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。通過駕駛室懸置系統(tǒng)的ADAMS多體動力學(xué)模型，對駕駛室的翻轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真分析，提取出駕駛室的質(zhì)心隨翻轉(zhuǎn)角度的變化曲線圖，為駕駛室的運(yùn)動包絡(luò)分析提供依據(jù)，同時(shí)可以在動力學(xué)模型中提取出翻轉(zhuǎn)角度和舉升缸伸長量之間的關(guān)系。駕駛室翻轉(zhuǎn)仿真工況如圖3所示。

圖3 駕駛室翻轉(zhuǎn)仿真工況分析

駕駛室質(zhì)心隨翻轉(zhuǎn)角度的變化曲線如圖4所示。

圖4 駕駛室翻轉(zhuǎn)軌跡（質(zhì)心X、Z坐標(biāo)隨翻轉(zhuǎn)角度變化）

駕駛室舉升缸長度隨翻轉(zhuǎn)角度變化曲線如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)角度隨舉升缸伸長量變化曲線

2.2 在駕駛室懸置側(cè)傾、俯仰性能評價(jià)上的應(yīng)用研究

對于駕駛室懸置這種有多個(gè)部件組成的多體系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的分析方法和手段很難對駕駛室懸置系統(tǒng)的側(cè)傾俯仰性能進(jìn)行分析，通過在ADAMS多體動力學(xué)模型中對駕駛室懸置系統(tǒng)分別加載X方向0.8G制動加速度和Y方向上0.6G側(cè)傾加速度，對駕駛室俯仰、側(cè)傾角進(jìn)行分析。

圖6 側(cè)傾工況分析

在側(cè)傾加速度0.6g工況下，駕駛室側(cè)傾角為1.13°，側(cè)傾剛度為1.9°/g。在制動加速度0.8g工況下，駕駛室俯仰角為1.6°，俯仰剛度為2°/g。

圖7 俯仰工況分析

2.3 在懸置系統(tǒng)強(qiáng)度校核中的應(yīng)用研究

圖8 前懸支座

圖9 X方向受力

通過在ADAMS多體動力學(xué)模型中施加各個(gè)極限工況下的載荷，提取各個(gè)部件在極限工況下的受力邊界，為結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度分析提供依據(jù)。以前懸翻轉(zhuǎn)支座為例如圖 8，可以提取在0.8制動工況下，上鉸接點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向上的受力狀態(tài)，如圖9，10，11。

圖10 Y方向受力

圖11 Z方向受力

3 結(jié)論

文章主要對駕駛室懸置系統(tǒng)多體動力學(xué)模型的建立和分析進(jìn)行了闡述，對虛擬樣機(jī)技術(shù)在全浮式四氣囊駕駛室懸置系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

1）采用ADAMS仿真軟件建立駕駛室懸置的多體動力學(xué)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，多體動力學(xué)仿真模型可以較好的反應(yīng)駕駛室懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理；

2）在多體動力學(xué)模型中建立駕駛室翻轉(zhuǎn)仿真工況，可以提取駕駛室質(zhì)心的軌跡，為駕駛室的運(yùn)動包絡(luò)提取提供依據(jù)，同時(shí)可以建立舉升缸長度和駕駛室翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，為舉升缸的長度匹配提供依據(jù)；

3）在多體動力學(xué)模型中可以對駕駛室懸置系統(tǒng)的側(cè)傾和俯仰性能進(jìn)行仿真分析，為性能達(dá)標(biāo)提供分析手段；

4）在多體動力學(xué)模型中施加各個(gè)極限工況，可以提取各個(gè)部件在極限工況下的受力邊界，為強(qiáng)度校核提供依據(jù)。