(已用)重型载货车乘坐舒适性与稳定性评估讲解

前言

汽车舒适性与稳定性是汽车主观评估方面的两个最重要的因素。在传统悬架系统设计中，乘坐舒适性与汽车稳定性之间有个制衡关系。汽车的驾乘舒适性指的是影响乘员舒适或不舒适感知的振动。汽车驾乘舒适性分析被用于悬架设计，以确保乘员不舒适感不超过某一程度。在传统悬架系统中，有两个确定悬架性能的基本元件，这两个元件是弹簧和减振器。弹簧在汽车悬架系统的作用是储存能量和支撑汽车的静态重量；减振器在汽车悬架系统的作用是消除振动能量，控制传输给汽车的道路输入。

业界已经进行了很多以改善汽车驾乘动态和操控性为最终目标的研究，如有关被动悬架、半主动、主动悬架的研究工作。某些研究主要关注悬架设计，如有关机构研究了麦弗逊滑柱式悬架的运动学特性，麦弗逊滑柱式悬架常用于小型/中型轿车。有机构应用ADAMS多车身动态模拟环境将汽车前悬架作为独立装置模拟。这一模型承受悬架压缩与复原之间全程的纵向运动。这一分析的输出提供主要几何量，例如车轮外倾角、主销纵倾角、主销倾角和转向角的变化、汽车轨迹改变，以及侧倾中心高度偏移和换算到车轮处的悬架刚度。

业界在定义乘坐舒适性限值方面也进行了许多研究，这些研究包括振动试验和乘坐模拟试验。这些方法尝试建立试验对象对舒适区和不舒适区的反应，以及振动参数（如位移、速度、加速度）之间的联系。汽车具有良好的驾乘性，人体的自然频率为1Hz。汽车在给定道路上以恒定速度行驶时，汽车驾乘性评估通过对加速度频谱的研究就能达成。推荐的驾乘性均方根是平稳驾乘性为0～0.04g，中等驾乘性为0.04g～0.06g，差等驾乘性为0.06g以上。

一般情况下，驾乘舒适性好的汽车的悬架系统纵向刚度相对低，但纵向刚度低会损失操控特性，良好操控特性要求悬架系统的纵向刚度高。为解决这一相互制衡的关系，汽车业推出了独立悬架、可调系统和主动元件。因此，设计阶段使用计算机模拟悬架特性有助于悬架系统优化。因此，本文给出了利用多车身动态软件包ADAMS开发的重型载货车模型。进行了充气式单管减振器软/硬模式的试验，以研究各种速度下，它对汽车乘坐舒适性和稳定性的影响。

图1 重型载货车模型 1 整车模型

图1中给出的重型载货车模型有6个自由度：车身跳动与俯仰和4个簧下质量跳动。该载货车模型包括7个部分（不包括地面、载货车车身、4个车轮、前桥、后桥和4个道路激励装置）。汽车车身代表簧上质量，其重要特征是惯性（重心、质量和惯性部件）。试验中经常用到这些部件。簧下质量包括一套子系统、前桥和后桥、4个车轮。该模型还包括前后悬架和道路状况。

在这一模型中，载货车是静止的，道路是移动的。利用4个不规则的鼓轮，将垂直运动传递给模型，如图1（b）所示，通过4个旋转连接，这些鼓轮与地面相连接。旋转运动应用给每个连接以转动鼓轮进行一系列垂直运动，这相当于车轮在完全压缩和完全回弹位置之间移动。

图2 道路输入情况 2道路输入

用4个不规则的鼓轮激起道路输入，生成道路概况，模拟光滑路面或粗糙路面（100mm跳动），如图2所示。汽车速度计算要么应用给伞齿轮速度和半径，要么应用给两轴之间的轴距和时间滞后（参见附录）。

3 减振器试验

充气单管减振器的动态特性在两种模式之间转换，利用图3中所示的MTS850减振器测试系统，利用试验研究了软、硬两种模式。

试验输入是正弦位移，频率为2Hz，振幅为80mm。两种模式（软/硬）时，减振力随速度的变化见图4。这些试验结果如图4（c）所示，并利用ADAMS中的“仿样”命令语句将之输入车辆模型，以研究减振器特性对车辆驾乘性和稳定性的影响。

4 整车模型模拟研究

图1中给出的重型载货车模型在不同速度下（112km/k、58km/h、28km/h）持续模拟5S和5000步，试验道路概况如图2所示。动态分析提供模型中所有位移、速度、加速度、中间反应力以及俯仰角随时间变化的情况。

表1给出了模拟中使用的汽车参数。其中考虑了两种模式（软/硬）适用的试验减振器特性。 表1 汽车参数

弹簧质量 前部簧下质量 后部簧下质量 前悬架刚度 后悬架刚度 前、后轮胎刚度 前、后轮胎阻尼 12000kg 900kg 1000kg 25kN/m 40kN/m 170 kN/m 0.7 kN.s/m

图4 减振力随速度的变化情况 5 结果

当汽车以112 km/h速度在光滑平路上行驶时（见图2（a）），单管减振器两种模式汽车位移、加速度随时间的变化如图5（a）和5（b）所示。汽车速度为56 km/h时，汽车位移与加速度随时间的变化见图6（a）和6（b）。在图5（b）中，使用硬模式，车身最大加速度的绝对值为2161.2mm/s2，加速度的均方根为472.3；利用软模式，车身最大加速度为552.4 mm/s2，均方根为209.4。在图6（e）中，利用减振器的硬模式，车身最大加速度为1216mm/s2，加速度的均方根为260.4；同时利用软模式，车身最大加速度为504.6 mm/s2，加速度的均方根为252.5。因此，在光滑平路面上，利用单管减振器的软模式与硬模式相比，车身加速度降低58%（高速和低速时）。

图5 汽车在光滑路面上以112km/h行驶时的驾乘性能

在粗糙路面上，汽车以56km/h速度行驶时，100mm跳动（如图2（b）中给出的）得到单管减振器两种模式车身位移随时间的变化，参见图7（a）。车身加速度随时间的瞬时变化情况见图7（b）。对于硬模式情况研究，车身最大加速度为7367mm/s2，加速度的均方根为3157，利用软模式，车身最大加速度为10114mm/s2，加速度的均方根为4538，俯仰角随时间的变化请参见图7（c），而这一角度被认为是汽车稳定性的量度，这一值越小表示汽车稳定性越好。参见图7（c），利用减振器硬模式给出俯仰角±3°的变化，而软模式的变化是6°。图7（d）给出了悬架负荷在前部的变化。左悬架和右悬架的初始负荷为26469N，与前桥上的负荷分布相等。图7（e）给出了悬架负荷在后部的变化，其中左、右悬架的初始负荷为31941N，与后桥上的负荷分布相等。

总之，本次研究表明，汽车在粗糙路面上以56km/h速度行驶时，利用单管减振器

的硬模式与软模式相比，能将车身加速度降低27%。还能提高汽车稳定性，与软模式相比，能将俯仰角降低33%。

当汽车在粗糙路面上以28km/h速度行驶时，路面跳动为100mm，如图2（c）所示，单管减振器两种模式车身位移随时间的变化如图8（b）所示，类似于前面粗糙路面上的研究，车身加速度的瞬时变化如图8（b）所示。对于硬模式的情况，最大车身加速度是2374mm/s2，加速度的均方根995，而对于软模式的情况，最大车身加速度是4031mm/s2，均方根是1718。两种模式俯仰角随时间的变化如图8（c）所示。两种模式系统响应差异相对较小，但使用硬模式汽车稳定性有所提高。

图8（d）和8（e）给出了悬架负荷在前部和后部的变化，与软模式情况相比，硬模式的变化更小一些。

我们得出的结论是：汽车在粗糙路面上以28km/h速度行驶时，利用单管减振器的硬模式能将驾乘性改善41%，与软模式相比，汽车稳定性也有很大提升。

图7 汽车在粗糙路面上以56km/h速度行驶时的驾乘性能

图8 汽车在粗糙路面上以28km/h速度行驶时的驾乘性能

6 结论

为进行载货车驾乘舒适性和稳定性分析，本文给出了重型载货车多车身动态模型的6个自由度，以便模拟和测试悬架系统。

为达成这一目的，利用单管减振器的两种模式（软/硬）进行了研究。两种模式的减振力是载货车模型的输入。结果表明，使用软模式和使用硬模式相比，在光滑平路上，无论高速或低速，使用单管减振器的软模式，驾乘舒适性提高58%。

另一方面，汽车在粗糙路面上以56km/h速度行驶时，使用单管减振器的硬模式与软模式相比，能将驾乘舒适性改善27%，能将稳定性（以俯仰角表示）提高33%。而且，在粗糙路面上，汽车速度为28km/h时，使用单管减振器的硬模式与软模式相比，能将汽车驾乘舒适性提高41%。

译自《SAE Technical Paper 2010-01-1140》 附录：

利用车轮的角速度及其半径，估算汽车速度，或者利用前桥和后桥之间的距离（模型轴距=2000mm）和两个相邻高度之间的时间差（前桥和后桥）。 利用前一种方法时，汽车速度计算如下： 因为 几何模型中的 那么

对于图1（b），利用前一种方法时： 因为

所以

在下面的图A1中，使用模型几何尺寸的一定比例的轴距，L=2000mm且两个相邻最大高度之间的时间差，

。