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1、工程師論文：礦用運(yùn)輸車平順性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)指標(biāo)探究摘要：礦用運(yùn)輸車工作環(huán)境惡劣，路面激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)較大。為了對(duì)其平順性進(jìn)行研究，筆者建立了該礦用運(yùn)輸車的仿真模型和路面激勵(lì)模型，在ADMAS中進(jìn)行了平順性仿真，得到了車輛在兩種路況下的不舒適參數(shù)數(shù)值，通過比較分析，車輛平順性尚可，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：礦用運(yùn)輸車; 仿真; 平順性; 路面激勵(lì);汽車平順性作為汽車一項(xiàng)重要的技術(shù)性能指標(biāo)，越來越受到關(guān)注。礦用運(yùn)輸車作為一種工礦用車輛其平順性不僅僅影響到駕駛過程中駕駛員的舒適程度，也因?yàn)檎駝?dòng)對(duì)貨箱及車輛整體結(jié)構(gòu)的不良影響而尤顯重要。大量的調(diào)查表明，礦用運(yùn)輸車上的人乘車過程中有過難受、暈車甚至嘔吐的經(jīng)歷，
2、無法高效地集中精力完成運(yùn)輸工作1；而且由于路面不平產(chǎn)生顛簸振動(dòng)激勵(lì)，使得礦用運(yùn)輸車的車體結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形、斷裂，車廂中的貨物也因?yàn)檎駝?dòng)而受損2,3。所以在礦用運(yùn)輸車定型量產(chǎn)前通過平順性試驗(yàn)研究來提高車輛的舒適性和可靠性具有重要意義。1、 平順性評(píng)價(jià)方法車輛行駛平順性主要是考察在振動(dòng)和沖擊下乘員的舒適性程度。每人的主觀感受是不同的，所以主觀評(píng)價(jià)的方法過于模糊，并且得出的結(jié)論可能差別較大。因此本文采用客觀的評(píng)價(jià)方法來對(duì)平順性進(jìn)行評(píng)估，可以定量定性地進(jìn)行研究。目前對(duì)于平順性研究常用的客觀評(píng)價(jià)方法有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631“關(guān)于全身振動(dòng)評(píng)價(jià)指南”標(biāo)準(zhǔn)和吸收功率法4。在ISO2631中對(duì)于人體振動(dòng)評(píng)價(jià)主要
3、是通過人體坐姿受振模型來進(jìn)行考察的，人體坐姿受振模型如圖1所示，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，圖中繪制出了12個(gè)振動(dòng)分量，分別是人體與座椅靠背接觸中心的XYZ三軸方向的線振動(dòng)和角振動(dòng)、人體與座椅座位接觸中心的XYZ三軸方向的線振動(dòng)和角振動(dòng)、人體腳面接觸中心的XYZ三軸方向的線振動(dòng)和角振動(dòng)。ISO2631標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)不同軸向和不同頻率的線振動(dòng)和角振動(dòng)人體有不同的敏感程度。對(duì)于人體與座椅座位接觸中心的XYZ三軸方向來說，垂直方向的頻率加權(quán)函數(shù)在頻率范圍為4Hz12.5Hz時(shí)人體受振較為敏感，在8Hz12.5Hz范圍時(shí)，人體的脊椎受振動(dòng)影響較大，此外，在4Hz8Hz頻率范圍內(nèi)人體的臟器容易發(fā)生共振。水平方向上的頻率加權(quán)函
4、數(shù)在0.5Hz2Hz范圍內(nèi)時(shí)人體受振感覺不適。圖1 人體坐姿受振模型ISO2631標(biāo)準(zhǔn)推薦用1/3倍頻帶評(píng)價(jià)法和總加權(quán)值評(píng)價(jià)法對(duì)人體承受的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。1/3倍頻帶評(píng)價(jià)法認(rèn)為：同時(shí)有多個(gè)1/3倍頻帶都有振動(dòng)能量作用于人體時(shí)，各頻帶振動(dòng)的作用無明顯聯(lián)系，對(duì)人體產(chǎn)生影響的主要是由人體感覺的振動(dòng)強(qiáng)度最大的（折算到人體敏感頻帶范圍以后）一個(gè)1/3倍頻帶所造成5。1/3倍頻帶評(píng)價(jià)法的缺陷在于沒有考慮不同頻率加速度均方根值的影響以及不同方向振動(dòng)的影響6,7。因此，現(xiàn)在多不采用1/3倍頻帶評(píng)價(jià)法開展研究。所以本文中采用總加權(quán)值評(píng)價(jià)法對(duì)車輛振動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)?？偧訖?quán)值評(píng)價(jià)法是一種客觀評(píng)價(jià)方法，以機(jī)械設(shè)備振動(dòng)中的
5、各個(gè)物理數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究中主要考慮路面激勵(lì)對(duì)車輛的振動(dòng)影響，因此通過仿真分析，得到人體受到的振動(dòng)物理數(shù)據(jù)大小來判斷舒適性程度。根據(jù)ISO2631標(biāo)準(zhǔn)以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4970“汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法”和GB/T 5902“汽車平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法”，人體對(duì)傳遞給自己的振動(dòng)可以通過座椅在路面激勵(lì)下的加速度變化來衡量。研究主要通過不同車速下、不同路面激勵(lì)下的座椅加速度響應(yīng)來評(píng)價(jià)礦用運(yùn)輸車的平順性。2、 路面激勵(lì)模型的創(chuàng)建根據(jù)GB/T 7031“機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告”，按功率譜密度的不同將路面等級(jí)分為八級(jí)，其中，A級(jí)路面最為平坦，每級(jí)路面的不平度系數(shù)的范圍和均值逐步遞
6、增。車輛行駛在不同等級(jí)的路面上，由于路面的顛簸起伏的激勵(lì)，車輛會(huì)受到?jīng)_擊載荷與振動(dòng)的不良影響，在進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真時(shí)，需要充分根據(jù)路面的不平度情況對(duì)路面進(jìn)行合理建模。路面不平度一般通過路面功率譜密度來定義，縱向路面不平度模型如圖2所示8。圖2 路面不平度模型根據(jù)汽車平順性行駛試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則，引發(fā)汽車振動(dòng)的路面激勵(lì)形式主要有兩種。一種是在等級(jí)取值范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)的不平路面，這種路面的生成是一個(gè)隨機(jī)過程，可以用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來描述其特性，也成為隨機(jī)輸入路面。一種是非典型的沖擊性路面，這種路面不能直接用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來描述特征，只能用具體的幾何尺寸數(shù)據(jù)來定義，一般也成為脈沖輸入路面。上述兩種路面形式都可按照GB49
7、70“汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法”等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，利用計(jì)算機(jī)程序語言編寫隨機(jī)路面生成程序，通過輸入?yún)?shù)，得到所需要的路面等級(jí)文件。本文研究中，對(duì)比較典型的兩種礦用路面進(jìn)行平順性研究。一種是井下路面硬化后的道路，采用B級(jí)混凝土路面模型；另外一種是巷道中未硬化的碎石和泥土路面，采用E級(jí)坑洼路面模型。這兩種路面模型中同時(shí)采用了隨機(jī)輸入和脈沖輸入的路面形式。根據(jù)GB/T7031輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)，在ADAMS中建立路面模型，并且設(shè)定好這兩種路面模型動(dòng)摩擦、靜摩擦系數(shù)。3、 平順性仿真在ADMAS中建立礦用運(yùn)輸車的三維仿真虛擬樣機(jī)模型，礦用運(yùn)輸車中的鋼板彈簧和輪胎可以設(shè)定為柔性體。在ADMAS中，為用戶提供
8、了多種輪胎模型用于整車多體動(dòng)力學(xué)仿真，分別Fiala輪胎模型、Magic-Formula輪胎模型、UA輪胎模型及用戶自定義的輪胎模型等。礦用運(yùn)輸車使用實(shí)心填充輪胎，在仿真建模中創(chuàng)建正確的輪胎模型，直接影響到車輛整車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真準(zhǔn)確性?？紤]到工程仿真的實(shí)際需要，研究使用UA輪胎模型，該模型將輪胎視為由一系列的三維彈簧單元組成，每個(gè)三維彈簧單元又可看為相互垂直的彈簧阻尼器以傳遞垂直徑向作用力、縱向作用力和側(cè)向作用力，且模型所需參數(shù)較少，能夠全面準(zhǔn)確的仿真輪胎特性9。研究乘員的平順性影響時(shí)，應(yīng)把座椅也設(shè)定為柔性體；車體的其余結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是剛性體。最終與路面模型一起組建成一套完成的剛?cè)狁詈系?/p>
9、虛擬樣機(jī)模型，如圖3所示。圖3 整車虛擬樣機(jī)模型參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4970“汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法”的要求在ADMAS中對(duì)礦用運(yùn)輸車進(jìn)行平順性仿真試驗(yàn)。選用B級(jí)混凝土路面和E級(jí)坑洼路面分行仿真，試驗(yàn)車速為：17m/h、30m/h。其中17m/h是礦用運(yùn)輸車二擋速度，30km/h是礦用運(yùn)輸車三擋速度，車輛運(yùn)輸過程中主要為三擋速度行駛。3.1、 B級(jí)混凝土路面激勵(lì)的仿真礦用運(yùn)輸車在B級(jí)混凝土路面上仿真試驗(yàn)時(shí)，求解結(jié)果設(shè)定為座椅位置XYZ三個(gè)軸向方向的加速度數(shù)值，根據(jù)結(jié)果中隨時(shí)間變化的加速度曲線獲得功率譜密度曲線，將曲線中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序中進(jìn)行換算，得到加權(quán)加速度均方根值。當(dāng)行駛在17km
10、/h的試驗(yàn)車速下時(shí)，座椅位置的三個(gè)軸向方向總加權(quán)加速度均方根值為0.261m/s2。當(dāng)行駛在30km/h的試驗(yàn)車速下時(shí)，乘員在X與Y兩個(gè)水平方向上的加速度功率譜密度僅有少部分在1Hz2Hz范圍內(nèi)，此時(shí)基本不會(huì)給乘員帶來不適。垂直Z軸方向，加速度功率譜密度僅有少部分在4Hz8Hz范圍內(nèi)，不會(huì)引起乘員的不適。綜合考慮該車以30km/h的試驗(yàn)車速在B級(jí)混凝土路面上行駛時(shí)，仿真得到的座椅處加速度均方根值為0.311m/s2。在兩種車速下試驗(yàn)求得的加速度均方根值都小于0.315 m/s2，按照平順性等級(jí)劃分，不舒適參數(shù)較小，平順性評(píng)價(jià)為A級(jí)。乘員不會(huì)有不適感，該車在B級(jí)混凝土路面上行駛的平順性較好。3.
11、2、 E級(jí)坑洼路面激勵(lì)的仿真礦用運(yùn)輸車在E級(jí)坑洼路面上的仿真步驟與在混凝土路面上仿真的步驟類似，要求礦用運(yùn)輸車模型分別以17km/h、30km/h的試驗(yàn)車速在E級(jí)坑洼路面上仿真，ADAMS后處理模塊可以求解出平順性數(shù)據(jù)，以此為評(píng)價(jià)依據(jù)進(jìn)行評(píng)估。以常用車速30km/h為例，通過仿真，可以知道，乘員在X與Y兩個(gè)水平方向上的加速度功率譜密度主要分布在1Hz3Hz，此時(shí)乘員會(huì)感覺有一些不適。垂直Z軸方向，加速度功率譜密度僅有少部分在4Hz8Hz范圍內(nèi)，不會(huì)引起乘員的不適?？傮w來說，該車在E級(jí)坑洼路面上行駛時(shí)，在30km/h的試驗(yàn)車速下得到的座椅處加速度均方根值在0.8m/s21.6m/s2之間，平順性
12、評(píng)價(jià)為D級(jí)。因此，礦用運(yùn)輸車在E級(jí)坑洼路面上全速行駛時(shí)顛簸較厲害，人體會(huì)感覺不舒服。3.3、 仿真結(jié)果分析與評(píng)價(jià)根據(jù)前面的仿真結(jié)果可以看出，礦用運(yùn)輸車在2種行駛速度時(shí)，乘員在垂直Z軸方向的加速度功率譜密度的峰值主要是在低頻率區(qū)域，在高頻率區(qū)域波形平緩，數(shù)值很低，在水平上的兩個(gè)方向波形類似，加速度響應(yīng)的功率譜密度的峰值都不在敏感區(qū)域內(nèi)，不會(huì)對(duì)人體造成傷害，只是在車速30km/h時(shí)會(huì)因?yàn)镋級(jí)坑洼路面的激勵(lì)使人受到振動(dòng)感覺不舒服。通過不同車速下的仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，車速和路面激勵(lì)對(duì)平順性影響較大，車速越快，路面狀況越差，車輛顛簸得就會(huì)越厲害，車輛平順性越來越差；反之，車輛的平順性越優(yōu)，這與現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)相符
13、。車輛懸架和輪胎的剛度和阻尼對(duì)平順性也有較大的影響。剛度增加會(huì)增加振動(dòng)加速度響應(yīng)，剛度減少則振動(dòng)加速度響應(yīng)變?nèi)?；阻尼則不同，如果增加懸架阻尼，振動(dòng)加速度響應(yīng)會(huì)變?nèi)酰粗畡t變強(qiáng)。因此適當(dāng)降低礦用運(yùn)輸車懸架剛度，增加礦用運(yùn)輸車懸架阻尼能提高車輛的平順性。4、 結(jié)束語本研究建立了平順性仿真所需要的路面激勵(lì)模型和虛擬樣機(jī)模型，按照平順性評(píng)價(jià)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行仿真試驗(yàn)，求得乘員加速度響應(yīng)，并對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算處理，分析了各個(gè)平順性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)指標(biāo)。仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比表明，該車的平順性尚可，但還有進(jìn)一步的提升空間。參考文獻(xiàn)1 林敏.基于虛擬激勵(lì)法的汽車平順性仿真研究D.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011
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