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隨機(jī)路面輸入的汽車平順性仿真分析(二)
2020-03-28 18:38:07· 來源：數(shù)字化工業(yè)軟件技術(shù)期 作者：許先鋒
接前續(xù)】，前續(xù)參見：隨機(jī)路面輸入的汽車平順性仿真分析（一）03、隨機(jī)路面輸入的平順性評價由于人體的加權(quán)評價指標(biāo)不能從多體動力學(xué)計算結(jié)果中直接得到，只有通
接前續(xù)】，前續(xù)參見：隨機(jī)路面輸入的汽車平順性仿真分析（一）
03、隨機(jī)路面輸入的平順性評價
由于人體的加權(quán)評價指標(biāo)不能從多體動力學(xué)計算結(jié)果中直接得到，只有通過對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后才能得到這些評價指標(biāo)?；谌梭w平順性評價方法，二次開發(fā)了汽車平順性評價程序。將多體動力學(xué)計算結(jié)果輸入該程序，可方便地得到人體各種平順性評價指標(biāo)。
在平順性分析中，非懸掛質(zhì)量、懸掛質(zhì)量和人體的振動加速度的均方根值是平順性評價的客觀物理量。根據(jù)ISO2631“人承受全身振動的評價指南”要求，人體對不同振動方向、不同頻段振動的敏感程度不同，人體的胸—腹系統(tǒng)在垂直振動4Hz～8Hz、水平1Hz～2Hz范圍內(nèi)會出現(xiàn)明顯的共振，這是人體對振動最敏感的頻率范圍。平順性分析對人體而言，根據(jù)人體在垂直方向和水平方向振動加速度（客觀物理量），按照人體對振動反應(yīng)的敏感程度不同（主觀評價），分別對垂直方向和水平方向振動加速度的功率譜密度進(jìn)行頻率加權(quán)，用1/3倍頻帶中最大的加權(quán)加速度均方根值或總加權(quán)加速度均方根值來進(jìn)行評價；對非懸掛質(zhì)量（如車橋）和懸掛質(zhì)量（如車身地板）采用其加速度均方根值來進(jìn)行評價。
在本仿真模型中，對前后車橋、車身用加速度均方根值來進(jìn)行評價；對人體用總加權(quán)加速度均方根值來進(jìn)行評價，而總加權(quán)加速度均方根值包括汽車縱向、橫向、垂向的加權(quán)加速度均方根值。（在本例中：X軸，汽車縱向，正向向后；Y軸，汽車垂向，正向向上；Z軸，汽車橫向，正向向左）。
人體在X、Y、Z方向的加權(quán)加速度均方根值可由該軸向的振動加速度的自功率譜密度函數(shù)直接積分得到：
式中是人體在X、Y、Z方向的加權(quán)加速度均方根值，單位；是人體在X、Y、Z方向振動的加速度自功率譜密度函數(shù)，單位；是人體在X、Y、Z方向的頻率加權(quán)函數(shù)。
在Y軸方向，
在X、Z方向，
從ISO2631“人承受全身振動的評價指南”提供的人體對振動反應(yīng)的“疲勞——工效降低界限”的曲線圖上可以看出，在同一暴露時間下，人體對振動水平方向最敏感的頻率范圍1Hz～2Hz比垂直方向的最敏感的頻率范圍4Hz～8Hz的允許值低1.4倍，也就是說人體對水平方向1Hz～2Hz振動的敏感程度要高于垂直方向4Hz～8Hz，因此總加權(quán)加速度均方根值為：
根據(jù)人體在垂直方向振動的加權(quán)加速度均方根值，可求出垂直方向允許的“疲勞——工效降低界限”的暴露時間（單位：分鐘）為：
式中是1分鐘“疲勞——工效降低界限”垂直方向4Hz～8Hz加速度允許值，；為10分鐘。
因為“暴露極限”的振動加速度值是“疲勞——工效降低界限”的2倍（增加6dB ），“舒適降低界限” 的振動加速度值是“疲勞——工效降低界限”的1/3.15倍（降低10dB ），因此垂直方向振動的“暴露極限” 的暴露時間（單位：分鐘）為：
垂直方向振動的“舒適降低界限” 的暴露時間（單位：分鐘）為：
垂直方向振動的振級（單位：dB）為：
式中。
在仿真模型中，使整車沿路面生成程序產(chǎn)生的某一等級路面直線勻速行駛，進(jìn)行仿真計算。在后處理階段，分析前后車橋、車身的上下方向和人體的上下、前后、左右三個軸向方向的振動加速度和各加速度的均方根值、自功率譜，對這些物理量進(jìn)行客觀評價；同時將人體在三個軸向方向的振動加速度和各加速度的自功率譜輸入到開發(fā)的汽車平順性評價程序。在汽車平順性評價程序中計算人體在三個軸向方向的加權(quán)加速度均方根值、總加權(quán)加速度均方根值，并計算在垂直方向的“疲勞——工效降低界限”的暴露時間、“暴露極限”的暴露時間、“舒適降低界限”的暴露時間和振級。平順性評價的流程如圖15所示。
圖15
04
仿真計算結(jié)果
整車平順性仿真分析應(yīng)與實車試驗相一致，根據(jù)平順性評價試驗GB4970“汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗方法”的要求，試驗道路為瀝青路（B級路面）和砂石路（C級路面），路面不平度應(yīng)均勻無突變，車速保持均勻，載荷為滿載，根據(jù)需要可增作半載或空載。試驗車速在瀝青路上，貨車為40、50、60、70、80Km/h，常用車速為60Km/h；在砂石路上，貨車為30、40、50、60Km/h，常用車速為50Km/h。
在本仿真模型中，穩(wěn)定車速規(guī)定為60km/h，路面為B級路面，載荷為滿載。為簡便起見，人體僅考慮了駕駛員。仿真計算結(jié)果如下：
1. 前橋上下方向的振動加速度及加速度功率譜密度如圖16所示。
圖16
圖16的上半部分是前橋的上下方向振動加速度的時間歷程，下半部分為加速度的功率譜密度（以下均同）。在加速度的時間歷程中有一些大的峰值，這是由于前橋在繞板簧前卷耳上下跳動的過程中還要受到轉(zhuǎn)向縱拉桿對轉(zhuǎn)向節(jié)的限制，從而使前橋在上下跳動的過程中還夾雜著一些大的峰值。前橋上下方向振動加速度的均方根值為，加速度的功率譜密度的最大峰值處頻率為12.422Hz,對應(yīng)的峰值為。
2. 后橋上下方向的振動加速度及加速度功率譜密度如圖17所示。
圖17
從圖17中可以看出，由于后橋在上下方向的跳動不受轉(zhuǎn)向系拉桿的限制，因此無論是加速度的進(jìn)間歷程還是加速度的功率譜密度均非常理想。橋上下方向振動加速度的均方根值為，加速度的功率譜密度的最大峰值處頻率為15.293Hz,對應(yīng)的峰值為。
3. 車身的上下方向（垂直）振動和仰俯角振動。車身上下方向的振動加速度及加速度功率譜密度如圖18所示。
圖18
仰俯角振動的角加速度及角加速度功率譜密度如圖19所示。
圖19
從圖18垂直振動的加速度功率譜密度曲線中可以看出，曲線上有一較大的峰值和兩個較小的峰值，各峰值處的頻率分別為2.1094Hz、7.3828Hz、14.092Hz，對應(yīng)的峰值分別為、、。從圖19仰俯角振動的角加速度功率譜密度曲線中也可以看出，曲線上有一較大的峰值和兩個較小的峰值，各峰值處的頻率分別為2.3438Hz、3.0762Hz、10.254Hz，對應(yīng)的峰值分別為、、。車身垂直振動加速度的均方根值為，仰俯角振動角加速度的均方根值為。
車身垂直振動加速度的功率譜密度和仰俯角振動角加速度的功率譜密度都會出現(xiàn)兩個較小的峰值是由以下原因引起的：由于汽車基本上是維持直線行駛，則前、后車輪走在同一車轍上，前后車輪的路面輸入只存在一個時間滯后（L是軸距，u 是車速），此時在汽車行駛過程中，車身將出現(xiàn)仰俯現(xiàn)象。在本仿真模型中，L=2.4m，。根據(jù)軸距的濾波特性，車身的垂直振動和仰俯角振動的加速度頻譜曲線會出現(xiàn)花環(huán)狀形狀，花瓣間距為，垂直振動與仰俯角振動的花瓣形狀正好反相。在圖18中，兩較小峰值的間距為，在圖19中，兩較小峰值的間距為，這與理論計算值6.94Hz非常接近，同時也可看出圖19中小峰正好對應(yīng)圖18中的谷底，這說明二者是反相的。從上述分析可知，本次仿真分析的計算結(jié)果是較為精確的。
4. 人體（駕駛員）振動。人體在汽車縱向（前進(jìn)方向）的振動加速度及加速度功率譜密度如圖20所示。
圖20
人體在汽車前進(jìn)方向振動的加速度均方根值為，加速度的功率譜密度的最大峰值處頻率為2.1094Hz，對應(yīng)的峰值為。
人體在汽車橫向（左右方向）的振動加速度及加速度功率譜密度如圖21所示。
圖21
人體在汽車橫向振動的加速度均方根值為，加速度的功率譜密度的最大峰值處頻率為6.1816Hz，對應(yīng)的峰值為。
人體在汽車垂向（上下方向）的振動加速度及加速度功率譜密度如圖22所示。
圖22
人體在汽車垂向振動的加速度均方根值為，加速度的功率譜密度的最大峰值處頻率為1.6113Hz，對應(yīng)的峰值為，其它兩個峰值處的頻率分別為3.3105Hz、5.9473Hz，對應(yīng)的峰值分別為、。3.3105Hz處的峰值是由人體——座椅系引起，5.9473Hz處的峰值是由于汽車在行駛過程中左右車輪的路面輸入高度不完全相同使汽車發(fā)生繞縱軸的左右側(cè)傾振動而引起的。
5. 人體（駕駛員）的加權(quán)評價。
將上述人體在汽車前進(jìn)方向、橫向和垂向的加速度時間歷程和加速度功率譜密度輸入到平順性評價程序，得到人體的各項評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，如表4所示。
表4
名稱
數(shù)值
前進(jìn)方向的加權(quán)加速度均方根值[]
0.15398
橫向的加權(quán)加速度均方根值[]
0.16166
垂向的加權(quán)加速度均方根值[]
0.38148
總加權(quán)加速度均方根值[]
0.49318
總加權(quán)振級[dB]
113.86
垂向的“疲勞——工效降低界限”的暴露時間[hour]
35.92
垂向的“暴露極限” 的暴露時間[hour]
143.66
垂向的“舒適降低界限” 的暴露時間[hour]
3.592
從根據(jù)加權(quán)振級的化分界限來看，該車的總加權(quán)振級為113.86dB，屬于稍有不適的范圍，但作為載貨汽車而言，這已滿足舒適性要求。
05
結(jié)論
通過一個具體的整個案例，闡述了進(jìn)行車輛動力學(xué)中的平順性發(fā)析的過程與方法，對進(jìn)行這方面的工作的工程技術(shù)人員提供了參考與借鑒。
應(yīng)用多體動力學(xué)與二次開發(fā)程序相結(jié)合，實現(xiàn)了整車在隨機(jī)路面輸入條件下的平順性仿真分析：
- 在仿真模型中充分考慮了前后懸掛系、轉(zhuǎn)向系、動力總和傳動系部分，并對前后鋼板彈簧在載荷作用下的幾何變形和剛度作了深入地仿真分析，提出了建立前后鋼板彈簧多體動力學(xué)仿真模型的新方法。
- 在仿真模型中建立了前后輪胎模型，并給出了在滿載條件下的前后輪胎的詳細(xì)參數(shù)。
- 通過對路面不平度地深入研究，與二次開發(fā)的路面生成程序相結(jié)合，生成了與輪胎模型相適應(yīng)的路面文件。
- 通過仿真計算，得到了前后車橋、車身垂向振動的加速度均方根值和加速度功率譜密度，同時也得到了人體（駕駛員）在汽車前進(jìn)方向、橫向和垂向振動的加速度均方根值和加速度功率譜密度。
- 根據(jù)人體的加權(quán)評價要求，與二次開發(fā)的平順性評價程序相結(jié)合，得出了人體（駕駛員）各項加權(quán)評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)。
通過仿真分析可知，該車的平順性是滿足要求的。
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