基于ADAMS的等臂式平衡悬架建模及整车平顺性仿真

江浩斌，张泽华，李龙晨，唐传政，冒维维

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



基于ADAMS的等臂式平衡悬架建模及整车平顺性仿真

江浩斌，张泽华，李龙晨，唐传政，冒维维

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

针对某重型厢式运输车的第3轴与第4轴之间的等臂式平衡悬架，在借鉴离散梁法思想的基础上，将ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模块与ADAMS/View相结合，提出了一种高效而灵活地建立等臂式平衡悬架钢板弹簧模型的新方法。在ADAMS/View中分别建立了等臂式平衡悬架模型、前桥悬架模型及整车动力学模型，进行了整车随机路面行驶平顺性仿真，仿真结果与实验结果基本一致，证明了提出的等臂式平衡悬架建模方法的可行性和所建的整车多体动力学模型的有效性，可为多轴重型商用车动力学建模和平顺性仿真研究提供有益的参考。

车辆工程；等臂式平衡悬架；钢板弹簧；建模方法；平顺性仿真

0 引 言

钢板弹簧是车桥与车架(或车身)之间的弹性连接件,其作用是缓和并吸收冲击和振动，同时起到导向机构的作用[1]。在多轴式商用车动态性能仿真过程中，建立合理的等臂式平衡悬架钢板弹簧模型是一项重要的工作。等臂式平衡悬架的钢板弹簧在结构上与常见的多片式钢板弹簧悬架有较大区别，它没有卷耳、吊耳等零部件。在ADAMS软件中，等臂式平衡悬架钢板弹簧的建模方法有以下3种。

1)SAE三段梁法[2]。该法是一种简化的钢板弹簧模型，将板簧看成中间的刚性杆(U型螺栓固定)和两侧的简支梁构成，刚性杆与两端简支梁用弹性村套连接。通过调整合适的衬套参数使之达到实际钢板弹簧刚度。其优点是建模简单，仿真速度快，但仿真精度不高。

2)模态法。该方法是在有限元软件(如ANSYS等)中建立钢板弹簧模型并生成中性文件，然后导入到ADAMS中与其它部件连接。该方法的优点是精确度高，但仿真速度低，尤其是在进行整车仿真时计算量很大。在设计阶段调整钢板弹簧弧高特别费时[3]。

3)离散梁法。利用ADAMS/Car中的非线性梁建立板簧模型[4]，将各片钢板弹簧离散化，每段均看作为一个刚体，段与段之间用BEAM梁连接。优点是直接在ADAMS/Car中建模，便于建立整车模型。在整车设计阶段，可以直接修改板簧模型，但是离散梁钢板弹簧模型是由一定数量的刚体组成，对这些刚体逐个修改也比较费时。

基于多体动力学仿真软件ADAMS，在借鉴离散梁法思想的基础上，将ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模块与ADAMS/View有机结合，从改善建模灵活性和建模效率的角度对等臂式平衡悬架钢板弹簧的建模方法作了新的探索，并应用于某厢式运输车进行平顺性仿真[5]。

1 建模与验证

ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模块专门用来建立普通的多片式钢板弹簧模型。图1为Leaf Spring模块的工作界面，设计者只需要将钢板弹簧的主要参数输入到相应的工作栏目中，便可生成所需要的钢板弹簧模型[6]。表1是某厢式运输车等臂式平衡悬架的钢板弹簧结构参数。

图1 Leaf Spring模块工作界面

表1 钢板弹簧结构参数

根据该厢式运输车的悬架系统设计图，钢板弹簧在零负载时的弧高为39 mm；满载状态下载荷为84 560 N，此时钢板弹簧的弧高为(16.5±6)mm，对应的弹性变形量为(22.5±6)mm，钢板弹簧总成刚度的设计要求为(3 722.4±372.2)N/mm。为避免建模时自由度过多，采用三片等厚钢板弹簧进行等效模拟[7]。

在Leaf Spring模块里设置好钢板弹簧的基本参数并生成钢板弹簧初始模型，将生成好的钢板弹簧模型导入ADAMS/View中，显然，此时的钢板弹簧模型中有很多零部件及约束是等臂式平衡悬架所没有的，如图2。

1—前卷耳与大地的约束；2—前卷耳；3—钢板弹簧底片与虚拟轴的约束；4—虚拟轴上的力；5—后卷耳与吊耳的约束；6—吊耳；7—后卷耳；8—后卷耳与大地的约束

图2 未修改的钢板弹簧模型

Fig.2 Unmodified model of Leaf Spring

根据图2中突出的零部件及约束，对钢板弹簧模型进行修改，修改后的钢板弹簧模型如图3。

图3 修改后的钢板弹簧模型

对修改后的钢板弹簧模型进行刚度特性仿真测试，如图4。

1,5—固定副；2,4—平面副；3—力矢量

图4中，钢板弹簧的两端与平台之间采用平面副约束，平台与大地之间采用固定副连接，在钢板弹簧模型的正中上方施加一个线性作用力。图5为仿真得到的钢板弹簧刚度曲线。显然，钢板弹簧的刚度值介于3 350.2～4 094.6 N/mm之间，在满载负荷84 560 N时，弧高变形量为22.54 mm，因此，所建的钢板弹簧模型达到了设计要求。

图5 钢板弹簧刚度曲线

修改钢板弹簧模型时，只需要在Leaf Spring模块中调整相应的钢板弹簧参数，并将生成好的钢板弹簧初始模型导入到ADAMS/View中，按照上述方法进行修改，即可获得所需要的钢板弹簧模型。采用Leaf Spring模块与ADAMS/View相结合建立等臂式平衡悬架钢板弹簧模型的方法，既降低了工作量，提高了建模效率，也便于对钢板弹簧进行修改。

2 动力学模型建模

图6是在ADAMS/View中建立的等臂式平衡悬架动力学模型。

1—三轴；2—三轴左纵向推力杆；3—心轴；4—四轴左纵向推力杆；5—四轴；6—钢板弹簧；7—四轴上纵向推力杆；8—车架横梁；9—三轴上纵向推力杆；10—三轴右纵向推力杆；11—四轴右纵向推力杆

图6 等臂式平衡悬架多体动力学模型

Fig.6 Model of equal arm balance suspension

由于导入ADAMS/View中的钢板弹簧处于自由弧高状态，而在实车中装配的等臂式平衡悬架钢板弹簧是要承受静态作用力的，其弧高会减小，因此，如果直接将钢板弹簧模型导入等臂式平衡悬架模型中，则钢板弹簧两端与第3和第4轴的两端会出现穿透现象，如图7(a)。

为了解决这一问题，作者在钢板弹簧两端分别添加一个平台，如图7(b)，平台与钢板弹簧用平面副约束，仿真时平台先上升将钢板弹簧抬起，使钢板弹簧与轴的穿透现象解除，相当于在仿真前给钢板弹簧施加了一定的装配力。

图7 钢板弹簧与轴的穿透现象

3 整车动力学模型的仿真与实验

在构造整车动力学模型时，不考虑驾驶室悬置系统。整车动力学模型主要由以下5大部分构成：前桥悬架动力学模型，后桥等臂式平衡悬架动力学模型，驾驶室、车架和车厢模型，轮胎模型以及路面激励谱。前桥钢板弹簧模型的建模也采用ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模块[8]。采用UA轮胎模型和B级随机路面谱，构造好的整车动力学模型如图8。

图8 整车动力学模型

仿真时车速设为40，50，60，70，80 km/h。仿真初始3 s先让后桥等臂式平衡悬架的钢板弹簧各端平台上升，使穿透现象解除，然后进行整车随机路面仿真。考虑整车动力学模型中第3轴与第4轴之间的等臂式平衡悬架主要对车厢平顺性有直接的影响，仿真结束后计算出车厢底板中心处垂直加速度均方根值[9]。

对实验样车进行整车行驶平顺性试验，如图9。平顺性试验采集系统采用比利时LMS公司的SCADAS Mobile SCM05数据采集系统，配合美国PCB公司制造的加速度传感器。试验结束后，将车厢底板中心处垂直加速度均方根值的仿真和实验数据进行对比，见表2。

图9 实验样车行驶平顺性试验

表2 不同车速下车厢底板质心处垂直加速度均方根值对比

从表2可以看出，随着车速提高，仿真结果与实验结果的变化趋势基本一致，除了在40 km/h时的仿真值与实验值的偏差较大外，在其余车速时的仿真值与实验值的偏差均小于11%。可见，笔者所建的基于ADAMS的等臂式平衡悬架动力学模型和整车动力学模型是正确有效的。将ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模块与ADAMS/View有机结合进行等臂式平衡悬架钢板弹簧的建模方法是可行的，便于在ADAMS中快速建立等臂式平衡悬架模型。

4 结 语

将ADAMS/Chassis中的Leaf Spring模块与ADAMS/View相结合进行等臂式平衡悬架钢板弹簧建模的方法，降低了等臂式平衡悬架钢板弹簧建模的难度，同时也提高了建模的灵活性，便于在ADAMS中快速建立等臂式平衡悬架模型。

基于ADAMS软件，在建立等臂式平衡悬架动力学模型中，解决了钢板弹簧与轴的穿透问题。针对某厢式运输车，建立了整车多体动力学模型，并进行了整车行使平顺性仿真，仿真结果与实验结果基本一致，证明了所建的等臂式平衡悬架和整车的多体动力学模型的有效性，可为多轴重型商用车动力学建模和平顺性仿真研究提供有益的参考。

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Study on Modeling of Equal Arm Balance Suspension andSimulation of Vehicle Ride Comfort Based on ADAMS

Jiang Haobin, Zhang Zehua, Li Longchen, Tang Chuanzheng, Mao Weiwei

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

According to the equal arm balance suspension between three and four axle of a heavy van truck, an efficient and flexible method was presented, which was based on the idea of discrete beam method and used in a combined method of Leaf Spring of ADAMS/Chassis and ADAMS/View. Based on ADAMS/View, the equal arm balance suspension dynamic model, the front suspension dynamic model and the vehicle dynamic model were established, then vehicle ride comfort random road input running test was carried out. The results of calculation agreed with the results of experiment. It proves the feasibility of the modeling method of the equal arm balance suspension and the effectiveness of the vehicle dynamics model. It provides helpful reference for the dynamic model of multi-axle heavy truck and the simulations of vehicle ride comfort.

vehicle engineering; equal arm balance suspension; Leaf Spring; modeling method; simulation of ride comfort

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.34

2013-03-21；

2013-06-18

江浩斌(1969—)，男，江苏启东人，教授，博士生导师，主要从事车辆动态性能控制分析与系统设计、车辆动态性能检测技术、道路物流车辆运行组织与监控方面的研究。E-mail：jianghb@ujs.edu.cn

U463

A

1674-0696(2015)03-171-04