黃登峰，胡明建，閆曉磊，林光磊，石志綱

(1. 福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建省汽車電子與電驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118；3.福建坤孚股份有限公司，福建 龍巖 364302)

客車在實(shí)際運(yùn)行工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響行車安全性。目前客車結(jié)構(gòu)有限元分析通常采用近似等效約束法，其邊界條件的施加方法為約束車輪裝配節(jié)點(diǎn)處的自由度，其載荷的施加方法為設(shè)置各方向的等效重力加速度[1-3]。但是約束點(diǎn)的反作用力會(huì)引起局部應(yīng)力集中，影響分析精度；而等效重力加速度一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取常數(shù)值，并沒有考慮到客車實(shí)際行駛時(shí)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷，存在一定的誤差。慣性釋放法不需要對(duì)模型施加約束，可以消除約束反力的不利影響[4]。其具體方法是通過多體動(dòng)力學(xué)分析得到典型工況下懸架鉸接點(diǎn)的力，再將這些力施加到客車結(jié)構(gòu)上進(jìn)行靜力學(xué)分析。

為了提取到典型工況下車輛的懸架系統(tǒng)受到的載荷，目前的研究一般是采用面向結(jié)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)。基于ADAMS，文獻(xiàn)[5]建立了某乘用車的多體動(dòng)力學(xué)模型并分析獲得了車身連接點(diǎn)的載荷；文獻(xiàn)[6]分析了搬運(yùn)車各關(guān)鍵受力部件在典型運(yùn)動(dòng)工況下的載荷曲線；文獻(xiàn)[7]研究了客車在典型工況下各總成的動(dòng)態(tài)峰值力。面向結(jié)構(gòu)的ADAMS需要的參數(shù)繁多、建模過程較復(fù)雜、計(jì)算速度較慢。特別是在汽車概念設(shè)計(jì)階段，車輛的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)尚未確定或不易獲取，較難利用ADAMS獲取載荷。而面向特性的多體動(dòng)力學(xué)軟件Trucksim具有建模方便、所需參數(shù)較少、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，在車輛動(dòng)力學(xué)建模和仿真方面得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]利用Trucksim對(duì)整車參數(shù)化建模后，參照我國汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選擇方向盤轉(zhuǎn)角階躍試驗(yàn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證；文獻(xiàn)[9]基于Trucksim建立了超大型車輛動(dòng)力學(xué)模型，研究了負(fù)載條件和路況對(duì)道路彎道段安全行駛速度閾值的影響。

鑒于多體動(dòng)力學(xué)軟件Trucksim適用于車輛概念設(shè)計(jì)階段的動(dòng)載荷提取，本研究利用其對(duì)城市客車建模并分析其在制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、沖擊、扭轉(zhuǎn)等4大典型工況下的動(dòng)力學(xué)行為。

1 城市客車動(dòng)力學(xué)建模

本研究基于Trucksim的模塊化參數(shù)化建模特性，針對(duì)12 m城市客車進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)建模，包括城市客車主要參數(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、輪胎系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等7大子模塊的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和特性建模[10-12]，為典型工況懸架動(dòng)載荷提取奠定基礎(chǔ)。

1.1 城市客車主要參數(shù)

城市客車主要參數(shù)主要包括汽車整體尺寸等幾何參數(shù)和質(zhì)量、質(zhì)心、慣量等力學(xué)參數(shù)等，需要在軟件里設(shè)置有關(guān)車輛的簧載質(zhì)量尺寸和重量信息，如表1所示。其中繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按軟件默認(rèn)值設(shè)置。

表1 城市客車主要參數(shù)

1.2 空氣動(dòng)力學(xué)

空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在車輛模型中通過作用在簧載質(zhì)量中某一點(diǎn)上的力和力矩來表示。該點(diǎn)稱為空氣動(dòng)力學(xué)參考點(diǎn)，由簧載質(zhì)量坐標(biāo)系中的x、y和z坐標(biāo)定義，其坐標(biāo)為(-3 900,0,0)。車輛正投影面積為7.8 m2，參考長度為6 100 mm，空氣密度為1.2 kg/m3，6個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)采用軟件默認(rèn)值。

1.3 輪胎系統(tǒng)

在Trucksim中，輪胎系統(tǒng)的設(shè)置主要包括垂直力、滾動(dòng)阻力和其他剪切力及力矩、動(dòng)畫設(shè)置、動(dòng)瞬態(tài)屬性以及接點(diǎn)尺寸等5部分。城市客車采用的是前軸單胎、后軸雙胎，輪胎型號(hào)為275/70R22.5。因此在軟件中選用內(nèi)部輪胎模型，滾動(dòng)半徑510 mm，垂直剛度為980 N/mm，輪胎寬度為275 mm。

1.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在Trucksim中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)置包括左右舵選擇、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)參數(shù)、軸轉(zhuǎn)向特性、主銷幾何參數(shù)等。結(jié)合城市客車的實(shí)際轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在軟件中選擇重載商用車?yán)锏拈L軸距類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)置轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比為25，主銷內(nèi)傾角為7°，主銷后傾角為1.5°，車輪縱向拖距為0 mm，車輪橫向拖距為100 mm。

1.5 動(dòng)力系統(tǒng)

在Trucksim中，動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變矩器、變速器、差動(dòng)器4個(gè)部分。城市客車的驅(qū)動(dòng)類型為發(fā)動(dòng)機(jī)后軸驅(qū)動(dòng)，在軟件里選擇動(dòng)力系統(tǒng)為“225 kW 7-speed MT”，其發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為225 kW、變速器采用手動(dòng)7檔、主減速比為4.4。

1.6 懸架系統(tǒng)

Trucksim的懸架系統(tǒng)分成運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性動(dòng)力學(xué)兩大部分。懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)包括質(zhì)量慣量、幾何尺寸、定位參數(shù)及其他運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。懸架彈性動(dòng)力學(xué)包括彈簧、減振器、緩沖塊及其他彈性動(dòng)力學(xué)參數(shù)。城市客車前后懸架類型均為非獨(dú)立懸架，在軟件中按照表2所示設(shè)置其主要參數(shù)。

表2 城市客車前后懸架系統(tǒng)主要參數(shù)

1.7 制動(dòng)系統(tǒng)

車輛的制動(dòng)系統(tǒng)通過駕駛員和防抱死制動(dòng)(ABS)、電子穩(wěn)定控制(ESC)等系統(tǒng)的控制在車輪上產(chǎn)生制動(dòng)力矩。在Trucksim中，制動(dòng)系統(tǒng)通過踏板力或主缸的流體壓力來執(zhí)行控制。在軟件中采用第二種類型的制動(dòng)控制方式，其制動(dòng)力矩為7.5 kNm并帶有ABS。

2 城市客車典型工況載荷提取

在建立城市客車整車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過定義路面環(huán)境及駕駛控制來建立試驗(yàn)工況，即可實(shí)現(xiàn)車輛在各種工況下的動(dòng)力學(xué)行為仿真和分析。城市客車在實(shí)際運(yùn)營中一般包括制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、沖擊、扭轉(zhuǎn)4大典型工況，本研究對(duì)這4大工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，提取出各工況下懸架系統(tǒng)某一受力最大時(shí)刻的彈簧和減震器受力，以便為城市客車有限元結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的輸入。

2.1 制動(dòng)工況

仿真路面為平直長路面，以初始時(shí)速為100 km/h開始剎車直到停止，仿真時(shí)間為12 s。仿真結(jié)果如圖1和2所示。

圖1 制動(dòng)工況彈簧受力圖Fig.1 Spring force diagram under braking conditions

由圖1和圖2可知，在緊急制動(dòng)工況下，當(dāng)t=7.25 s時(shí)，懸架整體受力最大，各部件受到的垂直力為：前輪左彈簧22 505 N、前輪右彈簧22 371 N、后輪左彈簧56 096 N、后輪右彈簧55 724 N、前輪左減震器-5 501 N、前輪右減震器-5 575 N、后輪左減震器4 592 N、后輪右減震器4 486 N。

圖2 制動(dòng)工況減震器受力圖Fig.2 Force diagram of shock absorber under braking conditions

2.2 轉(zhuǎn)彎工況

道路轉(zhuǎn)彎半徑為500英寸(約152.4 m)，速度為從0開始加速，加速度為1.11 m /s2仿真時(shí)間為100 s。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)彎工況彈簧受力圖Fig.3 Spring force diagram under turning condition

圖4 轉(zhuǎn)彎工況減震器受力圖Fig.4 Force diagram of shock absorber under cornering conditions

由圖3和圖4可知，在轉(zhuǎn)彎工況下，當(dāng)t=80 s時(shí)，懸架整體受力最大，各部件受到的垂直力為：前輪左彈簧18 398 N、前輪右彈簧35 932 N、后輪左彈簧34 040 N、后輪右彈簧64 972 N、四套減震器均為0 N。

2.3 沖擊工況

設(shè)置路面減速帶的高度為10 cm，以模擬車輛過減速帶受到的沖擊，車速為80 km/h，仿真時(shí)間為7 s。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 沖擊工況彈簧受力圖Fig.5 Force diagram of spring under impact conditions

圖6 沖擊工況減震器受力圖Fig.6 Force diagram of shock absorber under impact conditions

由圖5和圖6可知，在沖擊工況下，當(dāng)t=7.25 s時(shí)，懸架整體受力最大，各部件受到的垂直力為：前輪左彈簧21 329 N、前輪右彈簧215 651 N、后輪左彈簧72 801 N、后輪右彈簧73 606 N、前輪左減震器-21 024 N、前輪右減震器2 111 N、后輪左減震器22 298 N、后輪右減震器22 227 N。

2.4 扭轉(zhuǎn)工況

前后輪左右過10 cm減速帶以模擬車輛受扭，車速為80 km/h，仿真時(shí)間為8 s。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 扭轉(zhuǎn)工況彈簧受力圖Fig.7 Spring force diagram under torsion conditions

圖8 扭轉(zhuǎn)工況減震器受力圖Fig.8 Force diagram of shock absorber under torsion conditions

由圖7、圖8可知，在扭轉(zhuǎn)工況下，當(dāng)t=0.75 s時(shí)，懸架整體受力最大，各部件受到的垂直力分別為：前輪左彈簧21 443 N、前輪右彈簧41 674 N、后輪左彈簧76 972 N、后輪右彈簧56 081 N、前輪左減震器-17 207 N、前輪右減震器14 690 N、后輪左減震器10 168 N、后輪右減震器7 673 N。

3 結(jié)語

本研究基于Trucksim軟件，在分析整車主要參數(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、輪胎、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力、懸架和制動(dòng)等7大子模塊的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和特性的基礎(chǔ)上，建立了城市客車多體動(dòng)力學(xué)模型。該模型考慮城市客車實(shí)際運(yùn)行的4個(gè)典型工況，建立了虛擬路面并定義駕駛控制控制輸入以進(jìn)行模擬仿真，分析出了懸架系統(tǒng)中彈簧和減震器的動(dòng)載荷曲線，提取出某一受力最大時(shí)刻的懸架部件受力值。研究結(jié)果表明，在制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、沖擊及扭曲四大工況中，城市客車在沖擊工況下懸架整體受力最大，扭轉(zhuǎn)工況次之，制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎工況受力較小，在后續(xù)的有限元分析中特別要注意考核城市客車在沖擊工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本研究可以為城市客車的有限元分析提供更符合實(shí)際運(yùn)行工況的載荷輸入，以提升結(jié)構(gòu)分析的精確性和可靠性。