基于计算机虚拟样机技术的轿车悬架性能研究

　　摘要:采集广德试车场操纵性与平顺性试验环路的道路载荷谱，利用nCode软件对道路载荷谱进行编辑与处理，得到随机短波路、沥青振动带等多种不同路面的道路载荷，导入ADAMS中进行悬架动态仿真。

　　因为传统的基于静态K&C特性分析的系统参数设计不足以满足复杂工况下整车对悬架的性能要求，而动态K&C试验具有更精确的响应结果，更能反应悬架的实际使用状态。最终在动态K&C试验台进行试验，对比动态、静态与台架试验的结果，验证了动态K&C仿真与试验结果更加接近，具有更精确的仿真结果。所以，对汽车悬架的动态特性研究对工程应用具有一定的帮助作用。

　　关键词:道路载荷谱;动态K&C;静态K&C;平顺性;操纵稳定性

　　0引言

　　随着科技的发展，虚拟样机技术在工程领域的应用越来越广泛。它提供了全新的研发模式，确保了更低的研发成本、更短的研发周期和更高的产品质量。虚拟样机技术的发展使得车辆多体动力学仿真对于汽车开发设计具有重要意义。悬架系统是汽车底盘系统的灵魂，对汽车的平顺性、操纵稳定性与行驶安全性等多种使用性能都有很大的影响[1-4]。

　　悬架系统能够有效地吸收由于路面不平度引起的冲击载荷，减小路面冲击及振动的影响，从而有效地提高行驶的平顺性。悬架系统应该快速准确地响应驾驶员的指令，使汽车能够抵抗干扰而保持稳定行驶，保证汽车的操纵稳定性[5-6]。一般来说，悬架开发的研究主要包括2个领域:平顺性以及操纵稳定性。

　　前者主要研究汽车行驶振动时，由于弹性元件和阻尼元件的力学特性造成的平顺性影响，可称之为悬架动力学研究;后者主要研究悬架的几何导向结构以及力和力矩的传递特性，即悬架运动学和弹性运动学(Kinematics&Compliance，K&C)特性研究[7-18]。徐中明等人[19]重点研究了不同算法在平顺性分析中的差别，结果表明，各种算法计算结果差别不大但各有特点，时域法对峰值系数更加敏感，可用于从人体舒适性角度评价平顺性。吉林大学的隋震宇等人[20-23]采用虚拟样机技术对悬架K&C特性展开了深入研究，与此相关的文献涉及悬架K&C特性评价、悬架弹性运动学特性的优化设计及其对整车性能影响的分析，对深入研究悬架K&C特性提供了重要的参考。

　　本文采集广德试车场的道路载荷谱，通过动力学仿真与某企业动态K&C试验台进行试验，对比动态、静态与台架试验的结果，验证了动态K&C仿真与试验结果更加接近，具有更精确的仿真结果。所以，对汽车悬架的动态特性研究更具有工程应用价值。

　　1刚柔耦合多体动力学模型

　　在Adams/Car软件中建立悬架多体动力学模型所需的参数主要包括:各零部件的硬点坐标、各零部件的质量特性参数、弹簧及减振器的力学特性曲线以及各衬套的刚度特性曲线。建模中所用到的硬点坐标以及质量特性参数可以由CATIA软件对三维数模进行测量得到，弹簧、减振器以及衬套等弹性元件的力学特性曲线可以由试验测量得到。其中前悬架为麦弗逊悬架，后悬架为四连杆悬架。

　　2路谱采集与处理

　　广德试车场是目前国内规模最大、设施最完善、试验道路最齐全、技术标准最先进的综合性汽车试验场。本次试验主要采集广德试车场操纵性与平顺性试验环路的道路载荷谱，该试验环路是目前国内最完整的操稳性平顺性试验环路，为提高汽车底盘性能以及整车的操纵稳定性与行驶平顺性奠定了设施基础。在载荷谱道路采集时，所用到的传感器的类型主要包括:六分力传感器、三向加速度传感器、陀螺仪、车轮矢量传感器、转向机器人以及GPS传感器。

　　为研究不同路面载荷对悬架动态K&C特性的影响，需要对采集的道路载荷谱进行分段处理。根据试车场操纵稳定性与平顺性试验环路载荷谱采集规范，同时根据汽车行驶车速，对道路载荷谱进行编辑，删除过渡路面载荷时域信号，得到各个不同路面的道路载荷谱，为后续研究悬架动态K&C特性奠定基础。运用同样的方法编辑其他路道路载荷谱，在这里不进行一一列举。

　　3悬架动态K&C特性仿真分析

　　将试车场采集到的道路载荷谱利用nCode软件进行编辑与处理，保存为RPC3格式的文件作为激励输入到Adams软件中，进行悬架的动态K&C特性仿真试验，从而研究不同路面载荷对悬架K&C特性的影响。当车轮向上跳动时，外倾角减小，而当车轮向下跳动时，外倾角增大，使汽车具有不足转向的特性，增加了汽车行驶的稳定性。外倾角变化了0.375°，变化范围较小，有利于减小轮胎的磨损。

　　当车轮上跳时，主销后倾角增加，当车轮向下跳动时，主销后倾角减小，使得车轮行驶过程中，由侧向力引起的车轮的回正力矩增大，有利于汽车高速行驶时自动回正，提高了汽车的直线行驶的稳定性。当前轴车轮向上跳动时，前束角减小，当前轴车轮向下跳动时，前束角值变大，有利于增加汽车的不足转向角，使汽车具有不足转向的特性，提高了汽车的操纵稳定性，同时前束角变化了0.15°，变化范围较小有利于保持直线行驶的稳定性。按照相同的仿真方法进行悬架的动态仿真。

　　参数变程为最大值与最小值之间的差值，反映出悬架系统在路面载荷激励作用下各个不同定位参数的变化范围。通过该统计值，可以清晰地看到不同路面载荷对悬架动态K&C特性参数变化的影响。

　　4悬架静态K&C特性仿真分析

　　通过车轮六分力传感器采集实车在试车场操稳性与平顺性试验环路道路载荷谱，载荷时间历程反映了实车在试车场路面所受到的实际载荷，可以为试验车辆室内道路模拟试验提供全部的载荷信息。通过对轮心六分力信号进行统计分析，可以得到试验车辆在不同路面行驶时所受到的最大载荷。对多种不同路面轮心垂向力道路载荷谱进行统计分析，得到道路载荷谱的最大值与最小值，用该值作为激励信号对悬架进行静态仿真分析。

　　5结束语

　　传统的悬架K&C试验只能对悬架进行准静态的力和力矩的加载，未考虑减振器和各连接点处衬套的作用，然而，在车辆实际行驶过程中，悬架以较快的速度产生运动，静态K&C试验不能用于测量悬架系统中与速度相关的各特性参数(例如阻尼特性)。因此，基于悬架动态K&C特性研究悬架性能，掌握悬架性能的测试与评价方法，并建立合理的评价指标，对于自主开发高性能悬架以及提高汽车性能品质尤为重要。

　　本文采集广德试车场操稳性与平顺性试验道路载荷谱，在nCode软件中对所采集的道路载荷谱进行编辑处理，得到弯道起伏路、正弦波路等路面的轮心垂向力道路载荷谱，对悬架进行动态K&C特性仿真试验，分析了试验车的平顺性能与操纵性能。本文实验验证了多体动力学模型的准确性，其动态仿真更加接近汽车实际的运动状态，对于悬架的性能研究具有较大的帮助作用。

　　参考文献:

　　[1]郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春:吉林科学技术出版社，1991.

　　[2]郑松林，顾晗，冯金芝，等.柔性体衬套模型对四连杆悬架K&C特性的影响[J].汽车工程，2012，34(8):723-726.

　　[3]许柯.基于悬架K&C特性的整车操纵稳定性优化[D].长沙:湖南大学，2014.

　　[4]冯金芝，刘乐，郑松林.某轿车悬架系统的载荷仿真分析[J].汽车工程，2012，34(10):913-917.

　　[5]王伟.基于虚拟样机技术的汽车操纵稳定性研究[D].武汉:武汉理工大学，2011.

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