基于ADAMS/Car微型观光电动汽车典型路面平顺性仿真

乔长胜，李耀刚，琚立颖，冯 泽，张文明

(1.河北联合大学机械工程学院，河北唐山063009;2.北京科技大学机械工程学院，北京100083)

0 引言

汽车平顺性是指在外界路面不平的输入情况下，汽车所做出振动响应在一定标准极限值范围变化。基于乘客的舒适程度来对汽车平顺性进行相应的评价是平顺性主要评价方法。因此平顺性主要根据乘员主观感受的舒适性来评价。研究平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定的工况的“输入”下不超过一定界限［1］，以保持成员的舒适性。基于国内的电动汽车大都是以传统汽车为基础进行改装设计而成的，其底盘各种子系统与传统底盘系统各子系统有很大的差异，以简单改装而成的电动汽车必然会产生一系列操纵稳定性问题和汽车乘坐舒适性问题。要提高汽车整体的性能，就要对其进行各方面的实验研究，确定电动汽车性能的各种参数，进而改进设计和研制适合电动汽车的各系统。基于唐山市电动汽车重点实验室前期研制的微型旅游观光电动汽车，依据此物理样机模型，在ADAMS/Car中建立悬架优化后的整车多体系统虚拟样机模型，对此模型进行了典型路面的平顺性仿真分析，通过ADAMS/Postprocessor后处理模块绘制汽车质心振动加速度特性曲线评价汽车的平顺性能，为进一步对整车平顺性的优化提供一定的优化方向。

图1 整车系统

1 整车模型的建立

依据微型旅游观光电动汽车实体样机，在ADAMS中分别建立汽车底盘系统的各个子系统［2］，把转向子系统、悬架系统、轮胎系统、底架系统组装成整车模型。其中对悬架系统和底架系统部分零件进行了一定的几何外形简化处理，最终整车模型如图1所示。

2 典型路面的仿真

人体对机械振动的反应与振动的方向、振动频率的大小、振动的强弱程度有关，又由于每个人素质的差异，所以其对振动的敏感度不同。以国情为基础，我国规定了汽车平顺性测定评价实验方法，包括评价汽车垂直振动时车身质心加速度的典型路面平顺性实验和评价汽车在行驶在水泥路面和沥青路面产生振动对人体影响时随机路面平顺性实验［3，4］。本文的研究对微型观光旅游电动汽车进行典型路面的平顺性仿真实验分析。根据国标GB/T5902－1986《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》规定了此类研究平顺性的方法。此实验方法要求汽车以某一匀速不变的车速在满载的状态下(此微型电动观光旅游车前排乘坐2人，中排乘坐2人，后排乘坐2人，且此6个体重均为65kg)直线驶过路面的凸块。此国标规定试验的车速为20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。但考虑到所研制的微型观光旅游电动汽车最大速度为30 km/h～50 km/h，所以，根据实际汽车情况使其在车速20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h下分别驶过两种形状凸块:三角形和长坡形进行平顺性仿真评价实验的路面输入。

2.1 长坡形路面的平顺性仿真

长坡形路面主要模拟汽车驶过减速带时的振动响应是否在平顺性标准范围之内。由国标GB/T5902－1986《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》知仿真实验中所建立的长坡形凸块路面具体尺寸参数如下图所示。

式中:x为汽车前进的方向;q为路面的高度;B为按需要而定，但必须大于轮宽。

以MATLAB计算公式(1)，得出长坡形路面的几个函数值如表1所示，进而在ADAMS中建立此长坡形凸块的路面文件。

图2 长坡形凸块路面

表1 x与q数值表

在ADAMS/Car中对所建立的整车多体动力学模型输入长坡形凸块路面文件后，即可对整车进行各种车速下匀速行驶平顺性的仿真。仿真结束后进入ADAMS/Postprocessor中绘制此微型观光旅游电动汽车质心处垂直加速度响应曲线如下:

图3 20 km/h车速时车身质心加速度曲线

图4 30 km/h车速时车身质心加速度曲线

图5 40 km/h车速时车身质心加速度曲线

图6 50km/h车速时车身质心加速度曲线

由以上各车速下汽车质心加速度曲线可以看出此车质心处最大加速度峰值，但是汽车座椅平面垂向加速度的大小对汽车平顺性有直接的影响，所以需求出座椅平面Z方向加速度大小。座椅对汽车传递给人的振动具有一定的衰减特性，此整车模型中没有建立座椅模型。一般认为座椅底部的车身处加速度是座椅上人体感受的1.4倍以上［5，6］。把上述曲线图中质心峰值除以1.4就可以作为汽车座椅平面的最大加速度值，经计算得到各车速下汽车座椅支持面最大垂向加速度如表2所示。

表2 各车速下座椅支持面最大垂直加速度

国标GB5902－86没有明确提出汽车对脉冲输入下行驶平顺性的评价标准。一般认为，座椅平面传递给乘客的最大的垂直方向加速度小于31.44 m/s2，对人体健康没有危害;当加速度在31.44 m/s2～43.02 m/ s2范围时，对人体健康有一定的危害;当加速度大于43.02 m/s2将对人体的健康有一定的危害。由上表可以看出此车以不同的车速经过长坡形凸块时，最大的垂向加速度为5.1559 m/s2，大大低于31.44 m/s2，表明:该车在此长坡形脉冲输入下对驾驶员的健康没有危害。

2.2 三角形路面的平顺性仿真

国标GB/T5902－1986《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》规定了三角形凸块的具体尺寸参数，如下图所示。其中h=60 mm(轿车、旅行客车及总质量小于或等于4t的货车)，B——按需要而定，但必须大于轮宽。

图7 三角形凸块路面

在ADAMS/Car中对所建立的整车多体动力学模型输入三角形凸块路面文件后，即可对整车进行各种车速下匀速行驶平顺性的仿真。仿真结束后进入ADAMS/Postprocessor中绘制此微型观光旅游电动汽车质心处垂直加速度响应曲线如下:

图8 20 km/h车速时车身质心加速度曲线

图9 30 km/h车速时车身质心加速度曲线

图10 40 km/h车速时车身质心加速度曲线

图11 50 km/h车速时车身质心加速度曲线

把上述各曲线图中质心加速度峰值除以1.4作为汽车座椅平面的最大加速度值，经计算得到各车速下汽车座椅支持面最大垂直加速度如表3所示。

表3 各车速下座椅支持面最大垂直加速度

由上表知该车以不同的车速经过三角形凸块时，车身质心处最大加速度为7.1471 m/s2大大低于31.44 m/s2，表明:此微型观光旅游电动汽车在此三角形路面上行驶时产生的振动对人体健康没有危害。

3 结束语

(1)通过对此微型观光旅游电动汽车进行典型路面平顺性仿真分析得知汽车座椅平面垂直加速度的峰值都小于31.44m/s2，在这两种典型路面中行驶，汽车驶过此典型路面的振动响应对驾驶员或乘客的健康没有危害。

(2)在ADAMS仿真软件中建立汽车虚拟样机模型可以对汽车进行平顺性特性研究，大大减少了资金投入、提高研发效率、增强产品设计水平和市场竞争力，可以为同型号微型观光旅游电动汽车的研制做一定的数据依据。

［1］ 余志生.汽车理论［M］.第4版.北京:机械工业出版社，2006.5.

［2］ 隗寒冰，邓楚男，何文波.基于ADAMS软件的汽车平顺性仿真分析［J］.机械设计与制造，2006(7):75-76.

［3］ 喻凡，林逸.汽车系统动力学［M］.北京:机械工业出版社，2011.3.

［4］ 徐中明，张志飞，贺岩松.对汽车平顺性评价方法的探讨与建议［J］.汽车工程，2010，32(1):73-76.

［5］ 陈军.MSC.ADAMS技术与工程仿真实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［6］ 宋宇，郑泉，陈黎卿.基于ADAMS/Car Ride的车辆平顺性仿真研究［J］.客车技术，2007，5:14-16.