某型轿车平顺性分析

王鑫，王浩，孙翔鸿，张亚波

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某型轿车平顺性分析

王鑫，王浩，孙翔鸿，张亚波

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章针对在研某轿车为例，建立刚柔耦合的整车平顺性分析模型，根据公司目前的评价方法，选取座椅表面进行分析。结合公司试验设备，经过理论推导出等效均值，提出前后排座椅等效均值的评价指标，综合了三个方向的振动情况，能更加形象的评价整车平顺性。最后通过实验验证了模型建立的准确性。通过此方法，能让设计人员在整车开发初期针对模型进行平顺性分析，指导结构优化、降低整车开发成本、缩短了开发周期，具有一定的实用意义。

轿车；平顺性；分析

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-102-03

引言

汽车平顺性研究的目的是为了降低汽车在行驶过程中来自路面的各种冲击和振动的作用，将其控制在一定范围之内，保证乘客的舒适性和货物的完好度。此外，汽车平顺性也会影响整车的可靠性，当汽车在行驶过程中遇到的振动和冲击所产生的动载荷会影响汽车零部件的磨损进而减少其疲劳寿命影响汽车行驶安全和可靠性。随着汽车行业竞争的加剧，人门对平顺性有了更高的要求。目前如何通过不断的衰减汽车行驶过程中产生的振动来改善乘客的舒适性成为研究的重点。我国已经形成了评价汽车行驶平顺性的一系列完整的国家标准体系[1]，文献2在论证的基础上,提出一种设计计算方法。应用这种方法可以容易地求得汽车在典型实际路面上激起的振动与载荷的统计规律;给出振动与载荷的均方值与设计参数之间的简明关系;进而研究了阻尼值和限位行程的合理选择以及计算在不平路面上极限车速的方法;最后讨论了有关试验评价问题。后来谢卫国等人通过计算机仿真技术建立十八自由度的半挂车振动模型，控制汽车车轮随机输入的模拟，测量车身加速度响应来分析半挂汽车的平顺性问题。

本文基于企业研发的某型轿车为研究对象，基于多体系统动力学理论、机械系统动力学理论，建立了该车模型，并对其进行了随机路面激励下的平顺性仿真分析，获取了平顺性结果。同时结合公司实验验证了模型的准确性，能反映整车的实际情况，对下一步优化提供了途径。

1、理论分析

1.1 平顺性评价方法

基于频谱分析法，将通过加速度传感器采集到的振动加速度时间历程 a(t)转化为功率谱密度函数 Ga(f)，在将数据经过滤波网格最终获取加权加速度时间历程aw，如下：

选取座椅支撑面xs、ys、zs三个轴向的振动放在一起考虑时，从三向加速度角度进行计算，则公式1可转换为：

其中：axw表示 x轴方向的加权加速度均方根值，avw及azw分别表示y和z轴方向的加权加速度均方根值。

等效均值与加权加速度均方根值之间换算关系如公式3：

表1是人体对振动的主观感觉与该振动的加权加速度均方根值aw之间的对应关系，其中a0= 10-6m/s2。

表1 aw与人的主观感觉之间的关系

2、模型建立

2.1 前后悬架模型

建立某型轿车的ADAMS模型，在模型的基础上基于优化理论进行优化。此轿车为麦弗逊式独立前悬架，扭力梁式半独立后悬架，其他参数主要针对具体参数进行修改。主要的整车参数如下：

表2

根据整车硬点信息建立的前悬架如下：

图1 前悬架模型

为了为了获取更加准确的后排驾驶室平顺性数据，建立了柔性体结构的扭力梁悬架。对于设 计阶段采用的扭力梁悬架进行有限元网格划分，按照约束条件进行约束，并赋予其参数，之后运行分析计算，有限元模型如下 图所示，单元总数为25412个，节点数为25323个，其中网格单元的长度为4mm，缝焊选用RBE2单元进行模拟。

图2 横梁截面示意图

在HyperMesh中，根据模态综合法分析计算导出扭力梁悬架柔性体mnf文件，再将其导入到ADAMS模型中，在ADAMS软件中建立扭力梁的刚柔耦合模型，其中减震器的刚度和阻尼以及弹簧衬套的参数由厂家提供。

2.3 动力总成及轮胎

对动力总成进行适当的简化，忽略动力装置的实际结构，把整个动力系统看做刚体，将发动机、变速器、离合器三部分简化为一个部件，动力总成系统是三点悬置，采用橡胶衬套与车体及副车架连接，建立的动力总成模型如图3所示：

图3

3、平顺性分析

3.1 模型分析

建立好整车刚柔耦合模型后，就可以进行随机输入的平顺性仿真分析。在B级路面（沥青路面）上分别以40-120km/h间隔10km/h的速度进行仿真，测试底盘传递给人体三个方向的振动加速度。当仿真完成以后，可以得到驾驶员位置处纵向、横向和垂向的振动加速度时域曲线。图为虚拟汽车以40km/h的速度下行驶时，纵向加速度仿真曲线和傅里叶计算获取的纵向加速度功率谱密度曲线。

图4 驾驶员纵向加速度曲线及功率谱密度曲线

由此根据公式1便可获取各方向加权加速度均方根值，再带入到公式2和3中便可计算出总加权加速度均方根值和等效均值，按照上述分析方法可获取50km/h- 120km/h速度下的加权加速度均方根值和等效均值如下。

表3 前后排座椅等效均值

可以看出该轿车在高速行驶时平顺性不是很理想，乘客会有轻微的不舒服感，特别是后排乘客的感觉尤为明显，有待通过优化来改善其乘坐舒适性。

3.2 实验验证

为了验证仿真模型的准确性，利用车辆进行实际测试，采用三向加速度坐垫传感器及信号线，且其频响范围在0.5～100HZ，汽车各总成、部件等按照规定装备齐全，汽车载荷为额定满载质量，试验环境满足国标要求。

具体设备如下图片所示：

图5 三向加速度测量仪器

将加速度传感器分别安装在座椅上，以测量纵向、横向和垂向的加速度时间历程，且要求传感器应与人体紧密结合，且在人体与座椅之间放入安装传感器的垫盘。仪器安装完毕后，让车辆在40 km/h左右的速度进行匀速行驶，得到各轴向的加速度信号，经加速度传感器和数据采集系统记录下来。随后用相同的方法记录车辆分别在其他车速下行驶时三个方向的加速度时间历程。经过设备的分析计算可获取，经过处理的前后排座椅等效均值如下。

表4 实测前后排座椅等效均值

将前后排座椅等效均值对比如下：

图6 前后排座椅等效均值对比

通过实验数据可知：1）虽然建立的模型未考虑轮胎与地面滑动摩擦引起的振动因素，但仿真结果与试验结果基本吻合，误差在 1%范围内，两者因路面激励引起的等效均值基本相同，说明建立的整车模型基本符合实际车辆的情况，是比较准确的，可作为下一步优化的基础。

2）前后排座椅平顺性存在优化空间，特别是高速运行时平顺性稍差。需要注意的是仿真和试验过程中 70km/h时存在突变，且前后排突变方向相反，下一步将重点分析研究。

4、结论

（1）根据实车情况建立了的整车平顺性分析模型，结合公司现有的测试仪器设备从等效均值的角度进行分析，提出前后排座椅等效均值的评价的指标，仿真与实验结果表明：建立的模型准确可靠，可以借此评价指标对实车平顺性进行评价，能反映实车的实际情况。

（2）仿真结果表明该车平顺性存在优化空间，同时可利用此方法在整车开发初期对车辆平顺性进行评价，从而能尽早的修改整车结构参数，降低了开发成本、缩短了开发周期。

（3）由于对平顺性的影响因素较多，一般通过调整前后悬架刚度和阻尼等进行优化，但是调整之后对整车操稳性能有较大的影响，因此建议针对操纵稳定性和平顺性进行联合优化。

[1] 汽车平顺性试验方法[S]. GB/T 4970-2009,2009.

[2] 汽车振动与载货的统计分析及悬挂系统的参数选择[J].汽车技术,1976, 4:54.

[3] 基于剪切中心的某扭力梁悬架轮胎包络分析[J].农业装备与车辆工程,2016. 54(1).72-76

[4] 陈宪忠，时域内轿车行驶平顺性建模及仿真研究,[硕士学位论文],长春,吉林大学,2003.03.

[5] 骆涛.轿车悬架运动学及整车平顺性仿真:[D].合肥:合肥工业大学,2008.

[6] 郑银环,张仲甫.汽车钢板弹簧多柔体建模及仿真研究[J].湖北工业大学学报,2007,22(4):35-36.

[7] 杨亚娟,柳杨,刘红领等.汽车随机路面输入平顺性仿真[J].计算机辅助工程,2006, 15 (9):183-185.

[8] 王国权,杨文通等.汽车平顺性的虚拟试验研究[J].上海交通大学学报,2003, 37 (11): 1172-1175.

[9] 时培成,韦山.汽车随机路面输入平顺性仿真分析[J].机电工程,2006,23(5):28-31.

Simulation Analysis and Optimization of a certain car Ride Comfort

Wang Xin, Wang Hao, Sun Xianghong, Zhang Yabo
( Jianghuai Automobile co., LTD, Anhui Hefei 2300601 )

Taking a certain car for example, base on the using evaluation method, establish a rigid-flexible coupling vehicle ride comfort model, chose the face of seats to Analysis the comfort of the car. Depend on the equipment, put forward a target mean value of front and rear seats to evaluate the ride comfort.This method comprehensive the 3-direction vibration, have a easy-imagery meaning. Then get the results from the passenger ride real vehicle tests and compare simulation results with the test results to verify the accuracy of the model. By thus, engineers will easily get the ride-comfort result of a model-car, and then guide the Optimization、reduce the cost, have a practice designing meaning.

certain car; ride Comfort; sensitivity analysis; optimization

U463.2

A

1671-7988 (2017)06-102-03

王鑫，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.035