基于ADAMS的駕駛室懸置優化設計
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摘 要：由于商用車多用于長途貨運，其駕駛室能否為駕駛員提供較適宜的駕駛環境直接關系人身財產安全，因此，商用車駕駛室品質越發受到關注。商用車駕駛室懸置系統作為駕駛室與車架之間的連接機構，在衰減振動、保證乘員舒適性方面起著不可忽視的作用。
關鍵詞：駕駛室懸置；Adams/Vibration；平順性；振動特性；隔振
引言
客戶反饋某長頭卡車在70km/h車速存在前后、上下耦合的共振，平順性較差。采用測試與Adams/Vibration仿真相結合的方法研究了該車駕駛室懸置的振動特性，發現其“固定”式駕駛室懸置存在5.5Hz共振點導致平順性異常，并發現采用“半浮”式駕駛室結構具有較好的平順性。
1、ADAMS駕駛室簡化模型
機械系統動力學自動分析軟件是美國MDI公司開發的非常著名的虛擬樣機分析軟件，也是世界上應用最廣泛且最具有權威性的機械系統動力學仿真分析軟件。駕駛室實體模型的準確性直接決定著后續計算結果的正確與否。在本文中，駕駛室實體建模的主要思路是：（1）模型不要求與實際尺寸一致，重點在于結構的整體性；（2）模型需要考慮存在的各項工作，這個主要是力求降低模型的復雜性，避免為后續分析帶來巨大困擾。因此，簡化的駕駛室實體建模為：（1）駕駛室所有面件均為面體，著重考慮承重結構；（2）適當忽略諸如駕駛室的小尺寸結構和過渡工藝結構。ADAMS駕駛室模型由帶有集中質量的零部件連接在駕駛室安裝位置，包括前橫梁、縱梁、地板、駕駛室殼體以及確定剛度的連接部件。
2 駕駛室模型的檢驗
2.1 樣車道路試驗
創建的駕駛室模型是否接近實車，將直接影響到后續優化設計的有效性，因此，本文借助相關道路試驗和仿真對駕駛室模型的準確性加以檢驗。
本文所選參考車輛為半掛式載重汽車，多行駛在高速公路或一、二級公路上，用于長途運輸，根據GB/T 920-2002《公路路面等級與面層類型代碼》，高速公路或一、二級公路上均屬于高級路面，即路面功率譜密度較小，因此，參考 GB7031-2005《機械振動道路路面譜測量數據報告》中所提供的路面功率譜密度計算公式：
根據GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗方法》，讓參考車輛在滿載狀態下分別以 30km/h、40km/h、50km/h、60km/h和 70km/h的速度在 B級路面上勻速直線行駛一段距離，利用單向加速度傳感器獲取參考車輛懸置系統與車架連接處的垂向振動加速度；同時，利用三向加速度傳感器獲得駕駛室座椅處的垂向、縱向以及側向加速度，并計算相應的加速度均方根值。
2.2 駕駛室模型驗證將所獲參考車輛懸置系統與車架連接處的垂向振動加速度作為激勵函數輸入到駕駛室模型中進行仿真，獲得各車速下的駕駛室座椅上三向振動加速度均方根值。（awy1、awy2、awy3）與試驗測得值（a' wy1、a' wy2、a' wy3）相比較。
對比結果表明，三個方向加速度均方根值的仿真結果與試驗結果均相近，其中，垂向最大誤差為 6.3%，縱向最大誤差為4.4%，側向最大誤差為 8.1%，均在合理范圍內，說明將駕駛室視作剛體以及部分元件線性化所獲得的駕駛室仿真模型基本準確。
3駕駛室懸置系統優化
3.1DOE參數化分析方法
生產實踐中，設計人員常根據經驗知識，采用試錯法或施加強力的方法來探究和優化機械系統的性能。但當面對較為復雜的設計問題時，這些方法往往不能快速地得出系統化公式化的答案。一次改變一個因素（也稱設計參數，Factors）不能反映因素之間的相互影響情況，若進行多次仿真同時測試多個不同的因素則會產生大量的輸出數據，增加設計人員評估的難度。而DOE作為一種快速有效的分析方法，可以為安排試驗和分析試驗結果提供一整套步驟和統計工具，大體包括以下五個基本步驟：（1）確定試驗目的；（2）為系統選擇需要考察的因素集，并設計某種方法來測量系統的響應；（3）確定每個因素的值，在試驗中將因素改變來考察對試驗的影響；（4）進行試驗，并將每次運行的系統性能記錄下來；（5）分析在總的性能改變時，哪些因素對系統的影響最大。考慮到本文所采用的四點式駕駛室懸置系統的兩個位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度均可能對駕駛室振動產生影響，即包涵多個因素，因此選用DOE方法對懸置系統參數進行優化。
3.2優化設計方案的確立
3.2.1設計因素及系統響應的選擇
本文所采用的駕駛室懸置系統為四點式布置，為了充分考慮各個懸置結構參數對響應的影響，在確立設計因素時，將四個位置的減振器阻尼和螺旋彈簧剛度共八個參數，均列為設計因素。在ADAMS/Insight中對八個因素的變化范圍進行設置同時，觀察表2～4發現，試驗與仿真測得的駕駛室質心縱向加速度均方根值和側向加速度均方根值的數值均很小，且遠小于垂向加速度均方根值，因此，在本次優化中，將駕駛室質心垂向加速度均方根值作為唯一的系統響應，并將駕駛室質心垂向加速度均方根值最小作為優化試驗目標。
3.2.2試驗矩陣的創建和設計類型的選擇
在DOE分析中，需根據試驗目的創建相應的試驗矩陣，矩陣的列代表著所選取的因素，行用于表示每個因素在每次計算中所對應的水平級，并根據水平級來確定各因素在運算時的具體值。本文選用DOEScreening（2-level）的方法，創建了八因素兩水平的試驗矩陣，該方法多用于確定影響系統行為的某因素和某些因素的組合以及每個因素對輸出會產生多大的影響；選擇FractionalFactorial作為優化試驗的設計類型，該類型普遍應用于篩選重要變量并主要用于兩水平的因素，能夠估計其對系統的影響。
結束語：
通過針對樣車平順性的道路試驗和相應仿真試驗，獲得樣車及模型在多個車速工況下的駕駛室質心垂向加速度均方根值、縱向加速度均方根值以及側向加速度均方根值，驗證駕駛室懸置系統模型的正確性。
參考文獻
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