基于ADAMS牵引车车架动态外载荷仿真研究

张敬辉 宋年秀 刘祥斌 孙海云 樊攀

【摘要】根据傅里叶变换和逆变换的相关理论，利用matlab编制了模拟路面不平度激励的程序，计算出了时域路面不平度激励;利用ADAMS建立了牵引车的虚拟样机模型，以得到的时域路面不平度激励为基础，反求出了牵引车车架的动态外载荷的时间历程。为获取车架的疲劳寿命和进一步研究车架动态特性提供了依据和参考。

【关键词】牵引车车架;路面不平度;动态外载荷

Abstract：According to the theory of Fourier transform and inverse transform，using matlab prepared a simulated road roughness incentive program，calculated the time-domain road roughness incentive;Established the tractor virtual prototype model by using ADAMS，reversed out the dynamic loads history of the tractor frame based on the road roughness motivation.Provided basis and reference for obtaining frame fatigue life and further research on the frame dynamic response.

Key words：Tractor Frame;Road Roughness;Dynamic Load

1.引言

車架作为非承载式车身结构的基础部件，不仅作为其他零部件的装配机体，还要承受汽车在运行中的各种载荷。经过大量研究表明，车架的损坏90%是汽车运行过程中，汽车自身和载重振动引起的，随机载荷的循环作用是车架疲劳破坏的根本原因。所以，要分析车架的动态特性，首先必须得到车架随时间变化的动态外载荷。

2.路面不平度激励

2.1 路面不平度函数

路面不平度指路面凹凸不平的程度，用来表征路面平整性的好坏，通常会将路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度I的变化q（I）称为路面不平度函数。如图1所示。用水准仪或路面计可以得到路面不平度函数。

图1 路面不平度函数

2.2 路面不平度功率谱密度

根据GB/T7031-2005《机械振动-道路路面谱测量数据报告》，路面功率谱密度用下式作为拟合表达式：

（1）

式中：——空间频率（m-1），波长的倒数;——参考空间频率，=0.1m-1;——参考空间频率下的路面功率谱密度，也称路面不平度系数;W——频率指数，国家标准推荐取W=2。

2.3 路面不平度的模拟

离散傅里叶变换是建立有限长的时域序列与有限长的频域序列变换关系的方法，式（2）、（3）为傅里叶正变换和逆变换表达式。

（2）

（3）

根据牵引车行驶的工况，其路面等级为D级，假定车速为40km/h，为了能够覆盖整个固有频率段，取，采样间隔为1/110s，采样点数为3300。得到的路面时域位移激励信号如图2所示。

图2 40km/h车速下D级路面的时域位移激励信号

3.车架动载荷的动力学仿真

为了得到车架的动态外载荷，需要对车架结构进行分析、简化，然后利用多体动力学仿真软件ADAMS建立相应的虚拟样机模型，最后结合前面得出的分析结果仿真车架的动态外载荷。

3.1 建立牵引车虚拟样机模型

虚拟样机模型是利用动力学仿真软件ADAMS建立的，如图3所示。力学参数主要是指零部件的刚度阻尼等参数，外界参数主要是路面不平度激励。根据傅里叶变换与逆变换已经得到了时域路面不平度激励。所以，主要确定车架的力学参数即可。

图3 车架相关参数

钢板弹簧的刚度系数为：前钢板弹簧的垂直刚度系数kf=268N/mm，后钢板弹簧的垂直刚度系数kr=1780N/mm。轮胎采用的是12.00R20型号轮胎，具体参数如1所示。

表1 12.00R20轮胎力学参数

参数名称 单位 参数值

径向刚度 Mm 817.9

径向阻尼系数 2.35

轮胎转动惯量 Kgmm2（Ixx，Iyy） 3.64e6

Kgmm2（Izz） 2.16e6

质量 Kg 91.4

根据以上参数，利用ADAMS建立牵引车虚拟样机模型，在ADAMS/View中导入车架，作为一个单独的PART，将悬架和轮胎进行简化，用弹簧单元模拟悬架和轮胎，通过标示点和约束，建立车架与悬架、轮胎的连接关系。将车架受到的载荷简化为前中后相应位置的质量块。创建道路模型时，在每个车轮下创建测试平台，测试平台通过弹簧与车轮接触，车轮与悬架通过弹簧连接，因为路面不平度激励只是在垂直方向上，所以模型相对于地面在垂直方向运动。牵引车虚拟样机模型如图4所示。

图4 虚拟样机模型

3.2 仿真车架动态外载荷

在上一节中建立了车辆的虚拟样机模型，将得到的路面时域位移激励信号施加到测试平台上，进行30s动态仿真，得出车架上装质量M1、M2、M3对车架的作用力的时间历程。得到的外载荷结果如图5所示。

图5 车架前中后部动载荷时间历程

得到了车架动态外载荷时间历程后，需要对载荷数据进行保存，可以作为疲劳分析的输入，通常保存为工业常用格式—.dac格式，能够实现与疲劳分析软件之间的数据传输。

4.结束语

本文根据傅里叶变换和傅里叶逆变换的相关理论，利用matlab编制相应的模拟路面不平度激励的程序，得出了牵引车行驶过程中的时域路面不平度激励，然后在多体动力学分析软件ADAMS中建立了牵引车的虚拟样机模型，结合得到的时域路面激励，仿真出了车架动态外载的时间历程。为进一步研究牵引车的动态特性提供了依据，为研究牵引车车架的疲劳寿命奠定了基础。

该方法具有普遍意义，同样适应于其他车辆的动态外载荷的仿真计算。利用matlab和ADAMS联合仿真具有实际意义，已经在实际中得到了很好的验证，该方法在车辆开发前期进行虚拟样车的性能分析以及指导车辆参数设计具有重要意义。

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作者简介：张敬辉（1989—），男，硕士，现就读于青岛理工大学汽车与交通学院，研究方向：汽车制动性。