基于Trucksim的城市客车典型工况悬架动载荷提取

黄登峰，胡明建，闫晓磊，林光磊，石志纲

(1. 福建工程学院 机械与汽车工程学院，福建 福州 350118；2.福建省汽车电子与电驱动重点实验室，福建 福州 350118；3.福建坤孚股份有限公司，福建 龙岩 364302)

客车在实际运行工况下的结构强度直接影响行车安全性。目前客车结构有限元分析通常采用近似等效约束法，其边界条件的施加方法为约束车轮装配节点处的自由度，其载荷的施加方法为设置各方向的等效重力加速度[1-3]。但是约束点的反作用力会引起局部应力集中，影响分析精度；而等效重力加速度一般根据经验取常数值，并没有考虑到客车实际行驶时复杂的动态载荷，存在一定的误差。惯性释放法不需要对模型施加约束，可以消除约束反力的不利影响[4]。其具体方法是通过多体动力学分析得到典型工况下悬架铰接点的力，再将这些力施加到客车结构上进行静力学分析。

为了提取到典型工况下车辆的悬架系统受到的载荷，目前的研究一般是采用面向结构的多体动力学软件ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)。基于ADAMS，文献[5]建立了某乘用车的多体动力学模型并分析获得了车身连接点的载荷；文献[6]分析了搬运车各关键受力部件在典型运动工况下的载荷曲线；文献[7]研究了客车在典型工况下各总成的动态峰值力。面向结构的ADAMS需要的参数繁多、建模过程较复杂、计算速度较慢。特别是在汽车概念设计阶段，车辆的详细结构参数尚未确定或不易获取，较难利用ADAMS获取载荷。而面向特性的多体动力学软件Trucksim具有建模方便、所需参数较少、计算速度快等优点，在车辆动力学建模和仿真方面得到了广泛的应用。文献[8]利用Trucksim对整车参数化建模后，参照我国汽车操纵稳定性试验标准，选择方向盘转角阶跃试验进行仿真验证；文献[9]基于Trucksim建立了超大型车辆动力学模型，研究了负载条件和路况对道路弯道段安全行驶速度阈值的影响。

鉴于多体动力学软件Trucksim适用于车辆概念设计阶段的动载荷提取，本研究利用其对城市客车建模并分析其在制动、转弯、冲击、扭转等4大典型工况下的动力学行为。

1 城市客车动力学建模

本研究基于Trucksim的模块化参数化建模特性，针对12 m城市客车进行整车动力学建模，包括城市客车主要参数、空气动力学、轮胎系统、转向系统、动力系统、悬架系统和制动系统等7大子模块的动力学参数和特性建模[10-12]，为典型工况悬架动载荷提取奠定基础。

1.1 城市客车主要参数

城市客车主要参数主要包括汽车整体尺寸等几何参数和质量、质心、惯量等力学参数等，需要在软件里设置有关车辆的簧载质量尺寸和重量信息，如表1所示。其中绕x、y和z轴的转动惯量按软件默认值设置。

表1 城市客车主要参数

1.2 空气动力学

空气动力学效应在车辆模型中通过作用在簧载质量中某一点上的力和力矩来表示。该点称为空气动力学参考点，由簧载质量坐标系中的x、y和z坐标定义，其坐标为(-3 900,0,0)。车辆正投影面积为7.8 m2，参考长度为6 100 mm，空气密度为1.2 kg/m3，6个空气动力学系数采用软件默认值。

1.3 轮胎系统

在Trucksim中，轮胎系统的设置主要包括垂直力、滚动阻力和其他剪切力及力矩、动画设置、动瞬态属性以及接点尺寸等5部分。城市客车采用的是前轴单胎、后轴双胎，轮胎型号为275/70R22.5。因此在软件中选用内部轮胎模型，滚动半径510 mm，垂直刚度为980 N/mm，轮胎宽度为275 mm。

1.4 转向系统

在Trucksim中，转向系统的设置包括左右舵选择、转向传动比、转向运动学参数、转向动力学参数、轴转向特性、主销几何参数等。结合城市客车的实际转向系统，在软件中选择重载商用车里的长轴距类型转向系统，设置转向传动比为25，主销内倾角为7°，主销后倾角为1.5°，车轮纵向拖距为0 mm，车轮横向拖距为100 mm。

1.5 动力系统

在Trucksim中，动力系统包括发动机、变矩器、变速器、差动器4个部分。城市客车的驱动类型为发动机后轴驱动，在软件里选择动力系统为“225 kW 7-speed MT”，其发动机额定功率为225 kW、变速器采用手动7档、主减速比为4.4。

1.6 悬架系统

Trucksim的悬架系统分成运动学和弹性动力学两大部分。悬架运动学包括质量惯量、几何尺寸、定位参数及其他运动学参数。悬架弹性动力学包括弹簧、减振器、缓冲块及其他弹性动力学参数。城市客车前后悬架类型均为非独立悬架，在软件中按照表2所示设置其主要参数。

表2 城市客车前后悬架系统主要参数

1.7 制动系统

车辆的制动系统通过驾驶员和防抱死制动(ABS)、电子稳定控制(ESC)等系统的控制在车轮上产生制动力矩。在Trucksim中，制动系统通过踏板力或主缸的流体压力来执行控制。在软件中采用第二种类型的制动控制方式，其制动力矩为7.5 kNm并带有ABS。

2 城市客车典型工况载荷提取

在建立城市客车整车动力学模型的基础上，通过定义路面环境及驾驶控制来建立试验工况，即可实现车辆在各种工况下的动力学行为仿真和分析。城市客车在实际运营中一般包括制动、转弯、冲击、扭转4大典型工况，本研究对这4大工况进行动力学仿真，提取出各工况下悬架系统某一受力最大时刻的弹簧和减震器受力，以便为城市客车有限元结构分析提供准确的输入。

2.1 制动工况

仿真路面为平直长路面，以初始时速为100 km/h开始刹车直到停止，仿真时间为12 s。仿真结果如图1和2所示。

图1 制动工况弹簧受力图Fig.1 Spring force diagram under braking conditions

由图1和图2可知，在紧急制动工况下，当t=7.25 s时，悬架整体受力最大，各部件受到的垂直力为：前轮左弹簧22 505 N、前轮右弹簧22 371 N、后轮左弹簧56 096 N、后轮右弹簧55 724 N、前轮左减震器-5 501 N、前轮右减震器-5 575 N、后轮左减震器4 592 N、后轮右减震器4 486 N。

图2 制动工况减震器受力图Fig.2 Force diagram of shock absorber under braking conditions

2.2 转弯工况

道路转弯半径为500英寸(约152.4 m)，速度为从0开始加速，加速度为1.11 m /s2仿真时间为100 s。仿真结果如图3和图4所示。

图3 转弯工况弹簧受力图Fig.3 Spring force diagram under turning condition

图4 转弯工况减震器受力图Fig.4 Force diagram of shock absorber under cornering conditions

由图3和图4可知，在转弯工况下，当t=80 s时，悬架整体受力最大，各部件受到的垂直力为：前轮左弹簧18 398 N、前轮右弹簧35 932 N、后轮左弹簧34 040 N、后轮右弹簧64 972 N、四套减震器均为0 N。

2.3 冲击工况

设置路面减速带的高度为10 cm，以模拟车辆过减速带受到的冲击，车速为80 km/h，仿真时间为7 s。仿真结果如图5、图6所示。

图5 冲击工况弹簧受力图Fig.5 Force diagram of spring under impact conditions

图6 冲击工况减震器受力图Fig.6 Force diagram of shock absorber under impact conditions

由图5和图6可知，在冲击工况下，当t=7.25 s时，悬架整体受力最大，各部件受到的垂直力为：前轮左弹簧21 329 N、前轮右弹簧215 651 N、后轮左弹簧72 801 N、后轮右弹簧73 606 N、前轮左减震器-21 024 N、前轮右减震器2 111 N、后轮左减震器22 298 N、后轮右减震器22 227 N。

2.4 扭转工况

前后轮左右过10 cm减速带以模拟车辆受扭，车速为80 km/h，仿真时间为8 s。仿真结果如图7和图8所示。

图7 扭转工况弹簧受力图Fig.7 Spring force diagram under torsion conditions

图8 扭转工况减震器受力图Fig.8 Force diagram of shock absorber under torsion conditions

由图7、图8可知，在扭转工况下，当t=0.75 s时，悬架整体受力最大，各部件受到的垂直力分别为：前轮左弹簧21 443 N、前轮右弹簧41 674 N、后轮左弹簧76 972 N、后轮右弹簧56 081 N、前轮左减震器-17 207 N、前轮右减震器14 690 N、后轮左减震器10 168 N、后轮右减震器7 673 N。

3 结语

本研究基于Trucksim软件，在分析整车主要参数、空气动力学、轮胎、转向、动力、悬架和制动等7大子模块的动力学参数和特性的基础上，建立了城市客车多体动力学模型。该模型考虑城市客车实际运行的4个典型工况，建立了虚拟路面并定义驾驶控制控制输入以进行模拟仿真，分析出了悬架系统中弹簧和减震器的动载荷曲线，提取出某一受力最大时刻的悬架部件受力值。研究结果表明，在制动、转弯、冲击及扭曲四大工况中，城市客车在冲击工况下悬架整体受力最大，扭转工况次之，制动和转弯工况受力较小，在后续的有限元分析中特别要注意考核城市客车在冲击工况下的结构强度。本研究可以为城市客车的有限元分析提供更符合实际运行工况的载荷输入，以提升结构分析的精确性和可靠性。